Wat is thermoplastisch polyurethaanelastomeer?

Wat is thermoplastisch polyurethaanelastomeer?

Polyurethaanelastomeren zijn een soort synthetische polyurethaanmaterialen (andere varianten zijn polyurethaanschuim, polyurethaanlijm, polyurethaancoating en polyurethaanvezel). Thermoplastisch polyurethaanelastomeren (TPU) zijn een van de drie soorten polyurethaanelastomeren en worden vaak afgekort tot TPU (de andere twee belangrijke soorten polyurethaanelastomeren zijn gegoten polyurethaanelastomeren, afgekort als CPU, en gemengde polyurethaanelastomeren, afgekort als MPU).

TPU is een soort polyurethaanelastomeer dat door verhitting week gemaakt kan worden en door oplosmiddelen opgelost kan worden. In vergelijking met CPU en MPU heeft TPU weinig tot geen chemische dwarsverbindingen in zijn chemische structuur. De moleculaire keten is in principe lineair, maar er is wel een zekere mate van fysieke dwarsverbinding. Dit thermoplastische polyurethaanelastomeer heeft een zeer karakteristieke structuur.

Structuur en classificatie van TPU

Thermoplastisch polyurethaanelastomeer is een lineair polymeer met (AB)-blokken. A staat voor een polymeerpolyol (ester of polyether, moleculair gewicht van 1000-6000) met een hoog moleculair gewicht, ook wel lange keten genoemd; B staat voor een diol met 2-12 rechte koolstofatomen, ook wel korte keten genoemd.

In de structuur van thermoplastisch polyurethaanelastomeer (TPU) wordt segment A het zachte segment genoemd. Dit segment kenmerkt zich door flexibiliteit en zachtheid, waardoor TPU rekbaar is. De urethaanketen die ontstaat door de reactie tussen segment B en isocyanaat wordt het harde segment genoemd. Dit segment heeft zowel stijve als harde eigenschappen. Door de verhouding tussen de segmenten A en B aan te passen, kunnen TPU-producten met verschillende fysische en mechanische eigenschappen worden vervaardigd.

Op basis van de structuur van het zachte segment kan het worden onderverdeeld in polyestertype, polyethertype en butadieentype, die respectievelijk een estergroep, een ethergroep of een buteengroep bevatten. Op basis van de structuur van het harde segment kan het worden onderverdeeld in urethaantype en urethaanureumtype, die respectievelijk worden verkregen uit ethyleenglycolketenverlengers of diamineketenverlengers. De gangbare classificatie is onderverdeeld in polyestertype en polyethertype.

Wat zijn de grondstoffen voor de synthese van TPU?

(1) Polymeerdiol

Macromoleculaire diolen met een molecuulgewicht van 500 tot 4000 en bifunctionele groepen, met een gehalte van 50% tot 80% in TPU-elastomeer, spelen een cruciale rol in de fysische en chemische eigenschappen van TPU.

Het polymeer diol dat geschikt is voor TPU-elastomeer kan worden onderverdeeld in polyester en polyether: polyester omvat onder andere polytetramethyleenglycol (PBA), εPCL en PHC; polyethers omvatten onder andere polyoxypropyleenetherglycol (PPG) en tetrahydrofuraanpolyetherglycol (PTMG).

(2) Diisocyanaat

Het molecuulgewicht is laag, maar de functie is uitstekend. Het speelt niet alleen een rol bij de verbinding tussen het zachte en het harde segment, maar verleent TPU ook diverse goede fysische en mechanische eigenschappen. Voorbeelden van diisocyanaten die geschikt zijn voor TPU zijn: methyleendifenyldiisocyanaat (MDI), methyleenbis(-4-cyclohexylisocyanaat) (HMDI), p-fenyldiisocyanaat (PPDI), 1,5-naftaleendiisocyanaat (NDI), p-fenyldimethyldiisocyanaat (PXDI), enzovoort.

(3) Kettingverlenger

Ketenverlengers met een molecuulgewicht van 100-350, behorende tot de kleine moleculaire diolen, met een laag molecuulgewicht, een open ketenstructuur en zonder substituenten, zijn bevorderlijk voor het verkrijgen van een hoge hardheid en een hoog scalair gewicht van TPU. Geschikte ketenverlengers voor TPU zijn onder andere 1,4-butaandiol (BDO), 1,4-bis(2-hydroxyethoxy)benzeen (HQEE), 1,4-cyclohexaandimethanol (CHDM), p-fenyldimethylglycol (PXG), enz.

Modificatietoepassing van TPU als versterkingsmiddel

Om de productiekosten te verlagen en extra prestaties te verkrijgen, kunnen thermoplastische polyurethaanelastomeren worden gebruikt als gangbare versterkingsmiddelen om diverse thermoplastische en gemodificeerde rubbermaterialen te versterken.

Door zijn hoge polariteit is polyurethaan compatibel met polaire harsen of rubbers, zoals gechloreerd polyethyleen (CPE), dat gebruikt kan worden voor de productie van medische producten. Menging met ABS kan technische thermoplasten vervangen. In combinatie met polycarbonaat (PC) heeft het eigenschappen zoals oliebestendigheid, brandstofbestendigheid en slagvastheid, waardoor het geschikt is voor de productie van carrosserieën. In combinatie met polyester kan de taaiheid verbeterd worden. Bovendien is het goed compatibel met PVC, polyoxymethyleen of PVDC. Polyesterpolyurethaan is goed compatibel met 15% nitrilrubber of een mengsel van 40% nitrilrubber en PVC. Polyetherpolyurethaan is ook goed compatibel met een mengsel van 40% nitrilrubber en polyvinylchloride. Het kan tevens co-compatibel zijn met acrylonitril-styreen (SAN) copolymeren. Het kan interpenetrerende netwerkstructuren (IPN) vormen met reactieve polysiloxanen. De overgrote meerderheid van de bovengenoemde menglijmen is reeds officieel geproduceerd.

De laatste jaren is er in China steeds meer onderzoek gedaan naar het versterken van polyoxometalaten (POM) met TPU. Het mengen van TPU en POM verbetert niet alleen de hittebestendigheid en mechanische eigenschappen van TPU, maar versterkt POM ook aanzienlijk. Sommige onderzoekers hebben aangetoond dat bij trekproeven de POM-legering met TPU, vergeleken met de POM-matrix, een overgang vertoont van brosse naar ductiele breuk. De toevoeging van TPU geeft POM ook vormgeheugeneigenschappen. Het kristallijne gebied van POM fungeert als de vaste fase van de vormgeheugenlegering, terwijl het amorfe gebied van amorf TPU en POM fungeert als de omkeerbare fase. Bij een hersteltemperatuur van 165 °C en een hersteltijd van 120 seconden bereikt de legering een herstelpercentage van meer dan 95%, wat het beste hersteleffect oplevert.

TPU is moeilijk te combineren met niet-polaire polymere materialen zoals polyethyleen, polypropyleen, ethyleenpropyleenrubber, butadieenrubber, isopreenrubber of rubberafvalpoeder, en kan daarom niet worden gebruikt om composieten met goede prestaties te produceren. Voor deze materialen worden daarom vaak oppervlaktebehandelingsmethoden zoals plasma, corona, natte chemie, primer, vlambehandeling of reactief gas gebruikt. Zo heeft het Amerikaanse bedrijf Air Products and Chemicals bijvoorbeeld een F2/O2-actieve gasbehandeling toegepast op ultrahoogmoleculair polyethyleenpoeder met een molecuulgewicht van 3-5 miljoen, en dit in een verhouding van 10% toegevoegd aan polyurethaanelastomeer. Dit resulteerde in een aanzienlijke verbetering van de buigmodulus, treksterkte en slijtvastheid. De F2/O2-actieve gasbehandeling kan ook worden toegepast op directioneel langwerpige korte vezels met een lengte van 6-35 mm, wat de stijfheid en scheurtaaiheid van het composietmateriaal kan verbeteren.

Wat zijn de toepassingsgebieden van TPU?

In 1958 registreerde Goodrich Chemical Company (nu Lubrizol) voor het eerst het TPU-merk Estane. In de afgelopen 40 jaar zijn er wereldwijd meer dan 20 merknamen geweest, elk met verschillende productlijnen. De belangrijkste TPU-grondstoffenfabrikanten ter wereld zijn momenteel: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, enzovoort.

TPU is een uitstekend elastomeer met een breed scala aan toepassingen in diverse producten, zoals dagelijkse gebruiksvoorwerpen, sportartikelen, speelgoed, decoratiematerialen en andere sectoren. Hieronder volgen enkele voorbeelden.

① Schoenmaterialen

TPU wordt voornamelijk gebruikt als materiaal voor schoenen vanwege de uitstekende elasticiteit en slijtvastheid. Schoenen met TPU zijn veel comfortabeler om te dragen dan gewone schoenen, waardoor ze vaker worden gebruikt in hoogwaardige schoenen, met name in sport- en vrijetijdsschoenen.

② Slangen

Door hun zachtheid, goede treksterkte, slagvastheid en weerstand tegen hoge en lage temperaturen worden TPU-slangen in China veel gebruikt als gas- en olieslangen voor mechanische apparatuur zoals vliegtuigen, tanks, auto's, motorfietsen en werktuigmachines.

③ Kabel

TPU biedt scheur-, slijtvastheids- en buigeigenschappen, waarbij de weerstand tegen hoge en lage temperaturen cruciaal is voor de prestaties van de kabel. Daarom wordt TPU in de Chinese markt gebruikt voor geavanceerde kabels zoals stuurkabels en voedingskabels om de coatingmaterialen van complexe kabelontwerpen te beschermen, en het gebruik ervan neemt steeds verder toe.

④ Medische hulpmiddelen

TPU is een veilig, stabiel en hoogwaardig alternatief voor PVC. Het bevat geen ftalaten of andere schadelijke chemicaliën die in het bloed of andere vloeistoffen in medische katheters of infuuszakken terechtkomen en bijwerkingen kunnen veroorzaken. Bovendien kan de speciaal ontwikkelde extrusie- en spuitgietkwaliteit TPU met minimale aanpassingen eenvoudig worden gebruikt in bestaande PVC-apparatuur.

⑤ Voertuigen en andere vervoersmiddelen

Door nylonweefsel te extruderen en beide zijden te coaten met polyurethaan thermoplastisch elastomeer, kunnen opblaasbare gevechtsvlotten en verkenningsvlotten worden gemaakt die 3 tot 15 personen kunnen vervoeren, met aanzienlijk betere prestaties dan opblaasbare vlotten van gevulkaniseerd rubber. Polyurethaan thermoplastisch elastomeer versterkt met glasvezel kan worden gebruikt voor de vervaardiging van carrosseriedelen zoals gegoten onderdelen aan beide zijden van de auto, deurpanelen, bumpers, antislipstrips en grilles.