Что такое термопластичный полиуретановый эластомер?

Что такое термопластичный полиуретановый эластомер?

Полиуретановый эластомер — это разновидность синтетических полиуретановых материалов (другие разновидности включают полиуретановую пену, полиуретановый клей, полиуретановое покрытие и полиуретановое волокно), а термопластичный полиуретановый эластомер — один из трех типов полиуретановых эластомеров, обычно обозначаемый как ТПУ (два других основных типа полиуретановых эластомеров — это литые полиуретановые эластомеры, сокращенно CPU, и смешанные полиуретановые эластомеры, сокращенно MPU).

ТПУ — это разновидность полиуретанового эластомера, который пластифицируется при нагревании и растворяется в растворителе. По сравнению с ЦПУ и МПУ, ТПУ имеет мало или совсем не имеет химических сшивок в своей химической структуре. Его молекулярная цепь в основном линейная, но присутствует определенное количество физических сшивок. Это характерная особенность термопластичного полиуретанового эластомера.

Структура и классификация ТПУ

Термопластичный полиуретановый эластомер представляет собой линейный блочный полимер (AB). A обозначает полимерный полиол (сложный эфир или полиэфир, молекулярная масса 1000–6000) с высокой молекулярной массой, называемый длинноцепочечным; B обозначает диол, содержащий 2–12 атомов углерода в прямой цепи, называемый короткоцепочечным.

В структуре термопластичного полиуретанового эластомера сегмент А называется мягким сегментом, который обладает гибкостью и мягкостью, что придает ТПУ эластичность; уретановая цепь, образующаяся в результате реакции между сегментом В и изоцианатом, называется жестким сегментом, который обладает как жесткостью, так и твердостью. Путем регулирования соотношения сегментов А и В получают изделия из ТПУ с различными физико-механическими свойствами.

В зависимости от структуры мягкого сегмента, его можно разделить на полиэфирный, полиэфирный и бутадиеновый типы, которые содержат соответственно сложноэфирную, эфирную или бутеновую группы. В зависимости от структуры жесткого сегмента, его можно разделить на уретановый и уретанмочевинный типы, которые получают соответственно из этиленгликолевых или диаминовых удлинителей цепи. Общая классификация делится на полиэфирный и полиэфирный типы.

Какие сырьевые материалы используются для синтеза ТПУ?

(1) Полимерный диол

Макромолекулярный диол с молекулярной массой от 500 до 4000 и бифункциональными группами, содержание которых в ТПУ составляет от 50% до 80%, играет решающую роль в физико-химических свойствах ТПУ.

Полимерные диолы, подходящие для ТПУ-эластомеров, можно разделить на полиэфиры и полиэфиры: к полиэфирам относятся политетраметилен-адипиновая кислота гликоль (PBA), ε-поликапролактон (PCL), полигидрокарбоновая кислота (PHC); к полиэфирам относятся полиоксипропиленовый эфир гликоль (PPG), тетрагидрофурановый полиэфир гликоль (PTMG) и др.

(2) Диизоцианат

Небольшая молекулярная масса, но выдающиеся функциональные свойства: материал не только соединяет мягкий и жесткий сегменты, но и наделяет ТПУ различными хорошими физическими и механическими свойствами. К диизоцианатам, применяемым в ТПУ, относятся: метилендифенилдиизоцианат (MDI), метиленбис(-4-циклогексилизоцианат) (HMDI), п-фенилдиизоцианат (PPDI), 1,5-нафталендиизоцианат (NDI), п-фенилдиметилдиизоцианат (PXDI) и др.

(3) Удлинитель цепи

Удлинитель цепи с молекулярной массой 100–350, относящийся к низкомолекулярным диолам, обладающий малой молекулярной массой, открытой цепной структурой и не имеющий замещающих групп, способствует получению термопластичного полиуретана (ТПУ) с высокой твердостью и высокой удельной массой. К удлинителям цепи, подходящим для ТПУ, относятся 1,4-бутандиол (BDO), 1,4-бис(2-гидроксиэтокси)бензол (HQEE), 1,4-циклогександиметанол (CHDM), п-фенилдиметилгликоль (PXG) и др.

Модификация с использованием ТПУ в качестве упрочняющего агента.

Для снижения себестоимости продукции и повышения эксплуатационных характеристик в качестве широко используемых упрочняющих агентов для повышения прочности различных термопластичных и модифицированных резиновых материалов можно применять полиуретановые термопластичные эластомеры.

Благодаря высокой полярности полиуретан совместим с полярными смолами или каучуками, такими как хлорированный полиэтилен (ХПЭ), и может использоваться для производства медицинских изделий; смешивание с АБС-пластиком может заменить конструкционные термопласты; при использовании в сочетании с поликарбонатом (ПК) он обладает такими свойствами, как маслостойкость, топливная стойкость и ударопрочность, и может использоваться для изготовления кузовов автомобилей; при сочетании с полиэфиром его прочность может быть улучшена; кроме того, он хорошо совместим с ПВХ, полиоксиметиленом или ПВДХ; полиэфирный полиуретан хорошо совместим с 15% нитрильным каучуком или 40% смесью нитрильного каучука/ПВХ; полиэфирный полиуретан также хорошо совместим с клеем на основе смеси 40% нитрильного каучука/поливинилхлорида; он также может быть совместим с сополимерами акрилонитрила и стирола (SAN); он может образовывать взаимопроникающие сетчатые структуры (IPN) с реактивными полисилоксанами. Подавляющее большинство вышеупомянутых смешанных клеев уже официально произведено.

В последние годы в Китае наблюдается рост исследований по упрочнению полиоксометаллатов (ПОМ) с помощью термопластичного полиуретана (ТПУ). Смешивание ТПУ и ПОМ не только улучшает высокотемпературную стойкость и механические свойства ТПУ, но и значительно повышает прочность ПОМ. Некоторые исследователи показали, что в испытаниях на растяжение, по сравнению с матрицей ПОМ, сплав ПОМ с ТПУ переходит от хрупкого разрушения к пластичному. Добавление ТПУ также наделяет ПОМ эффектом памяти формы. Кристаллическая область ПОМ служит фиксированной фазой сплава с эффектом памяти формы, в то время как аморфная область аморфного ТПУ и ПОМ служит обратимой фазой. При температуре восстановления 165 ℃ и времени восстановления 120 секунд степень восстановления сплава достигает более 95%, что является наилучшим эффектом восстановления.

Термопластичный полиуретан (ТПУ) плохо совместим с неполярными полимерными материалами, такими как полиэтилен, полипропилен, этиленпропиленовый каучук, бутадиеновый каучук, изопреновый каучук или порошок отработанной резины, и не может использоваться для производства композитов с хорошими эксплуатационными характеристиками. Поэтому для обработки поверхности часто используются такие методы, как плазма, коронный разряд, влажная химия, грунтовка, пламя или реактивный газ. Например, американская компания Air Products and Chemicals провела обработку поверхности ультравысокомолекулярного полиэтилена (с молекулярной массой 3-5 миллионов) с помощью активного газа F2/O2 и добавила его в полиуретановый эластомер в соотношении 10%, что значительно улучшило его модуль упругости при изгибе, прочность на растяжение и износостойкость. Обработка поверхности активным газом F2/O2 также может применяться к направленно удлиненным коротким волокнам длиной 6-35 мм, что улучшает жесткость и прочность на разрыв композитного материала.

В каких областях применяется ТПУ?

В 1958 году компания Goodrich Chemical Company (ныне переименованная в Lubrizol) впервые зарегистрировала торговую марку ТПУ Estane. За прошедшие 40 лет в мире появилось более 20 торговых марок, каждая из которых включает несколько серий продукции. В настоящее время основными мировыми производителями сырья для ТПУ являются: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding и др.

Будучи превосходным эластомером, ТПУ имеет широкий спектр применения в производстве товаров повседневного спроса, спортивных товаров, игрушек, декоративных материалов и других областях. Ниже приведены несколько примеров.

① Материалы для обуви

Благодаря своей превосходной эластичности и износостойкости, ТПУ в основном используется в обувной промышленности. Обувь, содержащая ТПУ, гораздо удобнее в ношении, чем обычная обувь, поэтому она широко применяется в высококачественной обуви, особенно в некоторых спортивных и повседневных моделях.

② Шланги

Благодаря своей мягкости, хорошей прочности на разрыв, ударопрочности и устойчивости к высоким и низким температурам, шланги из ТПУ широко используются в Китае в качестве газовых и нефтяных шлангов для механического оборудования, такого как самолеты, резервуары, автомобили, мотоциклы и станки.

③ Кабель

Термополиуретан (ТПУ) обеспечивает прочность на разрыв, износостойкость и устойчивость к изгибу, а ключевым фактором, определяющим характеристики кабеля, является устойчивость к высоким и низким температурам. Поэтому на китайском рынке в современных кабелях, таких как контрольные и силовые кабели, ТПУ используются для защиты покрытий сложных конструкций, и их применение становится все более распространенным.

④ Медицинские изделия

ТПУ — это безопасный, стабильный и высококачественный заменитель ПВХ, не содержащий фталатов и других вредных химических веществ, которые могут проникать в кровь или другие жидкости в медицинском катетере или пакете и вызывать побочные эффекты. Более того, специально разработанный экструзионный и инжекционный ТПУ легко использовать с минимальной настройкой на существующем оборудовании для производства ПВХ.

⑤ Транспортные средства и другие средства передвижения

Путем экструзии и нанесения полиуретанового термопластичного эластомера с обеих сторон нейлоновой ткани можно изготавливать надувные боевые и разведывательные плоты вместимостью от 3 до 15 человек, обладающие гораздо лучшими характеристиками, чем надувные плоты из вулканизированной резины; полиуретановый термопластичный эластомер, армированный стекловолокном, может использоваться для изготовления элементов кузова, таких как формованные детали с обеих сторон самого автомобиля, обшивка дверей, бамперы, антифрикционные полосы и решетки радиатора.