Что такое термопластичный полиуретановый эластомер?

Что такое термопластичный полиуретановый эластомер?

Полиуретановый эластомер — это разновидность полиуретановых синтетических материалов (другие разновидности — полиуретановая пена, полиуретановый клей, полиуретановое покрытие и полиуретановое волокно), а термопластичный полиуретановый эластомер — один из трех типов полиуретановых эластомеров. Люди обычно называют его ТПУ (два других основных типа полиуретановых эластомеров — это литые полиуретановые эластомеры, сокращенно ЦП, и смешанные полиуретановые эластомеры, сокращенно МПУ).

ТПУ (термопластичный полиуретан) — это вид полиуретанового эластомера, который может пластифицироваться при нагревании и растворяться в растворителе. В отличие от ЦП и МПУ, ТПУ практически не имеет химических сшивок в своей химической структуре. Его молекулярная цепь в основном линейна, но присутствует определённое количество физических сшивок. Это термопластичный полиуретановый эластомер с очень характерной структурой.

Структура и классификация ТПУ

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

В структуре термопластичного полиуретанового эластомера сегмент А называется мягким сегментом, обладающим гибкостью и мягкостью, что обуславливает растяжимость ТПУ; уретановая цепь, образующаяся в результате реакции сегмента В с изоцианатом, называется жёстким сегментом и обладает как жёсткими, так и жёсткими свойствами. Регулируя соотношение сегментов А и В, можно получать изделия из ТПУ с различными физико-механическими свойствами.

По структуре мягких сегментов их можно разделить на полиэфирные, простые полиэфирные и бутадиеновые, содержащие соответственно сложноэфирные, простые эфирные или бутеновые группы. По структуре жёстких сегментов их можно разделить на уретановые и уретанмочевинные, получаемые соответственно из этиленгликолевых или диаминных удлинителей цепей. Обычно их подразделяют на полиэфирные и простые полиэфирные.

Какое сырье используется для синтеза ТПУ?

(1) Полимерный диол

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

Полимерный диол, подходящий для эластомера ТПУ, можно разделить на полиэфир и простой полиэфир: к полиэфиру относится политетраметиленгликоль адипиновой кислоты (PBA) ε PCL, PHC; к простым полиэфирам относятся полиоксипропиленгликоль эфира (PPG), тетрагидрофуранполиэфиргликоль эфира (PTMG) и т. д.

(2) Диизоцианат

Молекулярная масса невелика, но функция выдающаяся: термопластичный полиуретан (ТПУ) не только служит связующим звеном между мягким и жёстким сегментами, но и наделяет его различными хорошими физико-механическими свойствами. В состав ТПУ входят следующие диизоцианаты: метилендифенилдиизоцианат (МДИ), метиленбис(-4-циклогексилизоцианат) (ГМДИ), п-фенилдиизоцианат (ППДИ), 1,5-нафталиндиизоцианат (НДИ), п-фенилдиметилдиизоцианат (ПХДИ) и др.

(3) Удлинитель цепи

Удлинитель цепи с молекулярной массой 100–350, относящийся к низкомолекулярным диолам, имеет низкую молекулярную массу, открытую структуру цепи и не содержит замещающих групп, что способствует получению термопластичного полиуретана высокой твердости и высокой скалярной массы. К удлинителям цепи, подходящим для термопластичного полиуретана, относятся 1,4-бутандиол (BDO), 1,4-бис(2-гидроксиэтокси)бензол (HQEE), 1,4-циклогександиметанол (CHDM), п-фенилдиметилгликоль (PXG) и др.

Модификация применения ТПУ в качестве упрочняющего агента

Для снижения себестоимости продукции и получения дополнительных эксплуатационных характеристик полиуретановые термопластичные эластомеры могут использоваться в качестве общеупотребительных упрочнителей для повышения прочности различных термопластичных и модифицированных резиновых материалов.

Благодаря высокой полярности полиуретан совместим с полярными смолами или каучуками, такими как хлорированный полиэтилен (CPE), который может использоваться для изготовления медицинских изделий; Смешивание с АБС может заменить инженерные термопластики для использования; При использовании в сочетании с поликарбонатом (ПК) он обладает такими свойствами, как маслостойкость, топливостойкость и ударопрочность, и может использоваться для изготовления кузовов автомобилей; В сочетании с полиэстером его прочность может быть улучшена; Кроме того, он хорошо совместим с ПВХ, полиоксиметиленом или ПВДХ; Полиэстерный полиуретан хорошо совместим с 15% нитриловым каучуком или 40% смесью нитрилового каучука и ПВХ; Полиэфирный полиуретан также хорошо совместим с клеем из смеси 40% нитрилового каучука и поливинилхлорида; Он также может быть совместим с сополимерами акрилонитрилстирола (САН); Он может образовывать взаимопроникающие сетчатые структуры (ВСП) с реакционноспособными полисилоксанами. Подавляющее большинство вышеупомянутых смесевых клеев уже официально произведено.

В последние годы в Китае проводится все больше исследований по упрочнению POM с помощью TPU. Смешивание TPU и POM не только улучшает высокотемпературную стойкость и механические свойства TPU, но и значительно упрочняет POM. Некоторые исследователи показали, что в испытаниях на разрыв при растяжении, по сравнению с матрицей POM, сплав POM с TPU переходит от хрупкого разрушения к вязкому. Добавление TPU также наделяет POM характеристиками памяти формы. Кристаллическая область POM служит фиксированной фазой сплава с памятью формы, в то время как аморфная область аморфного TPU и POM служит обратимой фазой. Когда температура реакции восстановления составляет 165 ℃, а время восстановления составляет 120 секунд, степень восстановления сплава достигает более 95%, а эффект восстановления является наилучшим.

TPU трудно совместим с неполярными полимерными материалами, такими как полиэтилен, полипропилен, этиленпропиленовый каучук, бутадиеновый каучук, изопреновый каучук или порошок резиновых отходов, и не может быть использован для производства композитов с хорошими характеристиками. Поэтому для последнего часто используют методы обработки поверхности, такие как плазма, коронный разряд, мокрая химия, грунтовка, пламя или реактивный газ. Например, американская компания Air Products and Chemicals провела обработку поверхности активным газом F2/O2 на тонком порошке сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 3-5 миллионов и добавила его к полиуретановому эластомеру в соотношении 10%, что может значительно улучшить его модуль упругости при изгибе, прочность на растяжение и износостойкость. А обработка поверхности активным газом F2/O2 также может быть применена к направленно вытянутым коротким волокнам длиной 6-35 мм, что может улучшить жесткость и прочность на разрыв композитного материала.

Каковы области применения ТПУ?

В 1958 году компания Goodrich Chemical Company (ныне Lubrizol) впервые зарегистрировала бренд ТПУ Estane. За последние 40 лет в мире существует более 20 торговых марок, каждая из которых представлена несколькими сериями продукции. В настоящее время основными мировыми производителями сырья для ТПУ являются: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding и др.

Будучи превосходным эластомером, ТПУ широко используется в качестве вторичного сырья, в том числе в предметах повседневного спроса, спортивных товарах, игрушках, декоративных материалах и других областях. Ниже приведены несколько примеров.

① Материалы обуви

ТПУ в основном используется в производстве обувных материалов благодаря своей превосходной эластичности и износостойкости. Обувь, изготовленная из ТПУ, гораздо комфортнее в носке, чем обычная обувь, поэтому она чаще используется в производстве высококачественной обуви, особенно в некоторых моделях спортивной и повседневной обуви.

② Шланги

Благодаря своей мягкости, хорошей прочности на разрыв, ударной вязкости 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, танки, автомобили, мотоциклы и станки.

③ Кабель

Термопластичный полиуретан (ТПУ) обеспечивает прочность на разрыв, износостойкость и изгиб, а стойкость к высоким и низким температурам является ключевым фактором, влияющим на эксплуатационные характеристики кабеля. Поэтому на китайском рынке ТПУ используются для защиты материалов покрытия сложных кабельных конструкций, таких как контрольные и силовые кабели. Применение ТПУ становится всё более распространённым.

④ Медицинские приборы

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 медицинском пакете, вызывая побочные эффекты. Более того, специально разработанный ТПУ для экструзии и литья под давлением может быть легко использован на существующем оборудовании для производства ПВХ после небольшой отладки.

⑤ Транспортные средства и другие средства передвижения

Экструдированием и покрытием обеих сторон нейлоновой ткани полиуретановым термопластичным эластомером можно изготавливать надувные боевые штурмовые плоты и разведывательные плоты, вмещающие от 3 до 15 человек, с гораздо лучшими характеристиками, чем надувные плоты из вулканизированной резины; полиуретановый термопластичный эластомер, армированный стекловолокном, может использоваться для изготовления компонентов кузова, таких как формованные детали по обеим сторонам самого автомобиля, обшивки дверей, бамперы, антифрикционные накладки и решетки.