TPU塑膠材料多方位剖析（合成、加工、性能及應(yīng)

作者：網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布時間：2021-01-19 14:18:37點擊：

一、TPU是什么

TPU就是熱塑性聚氨酯，是一類加熱可以塑化、溶劑可以溶解的聚氨酯。熱塑性聚氨酯與混煉型和澆注型聚氨酯比較，化學結(jié)構(gòu)上沒有或很少有化學交聯(lián)，其分子基本上是線性的，然而卻存在一定量的物理交換。

所謂物理交換的概念，在1958年由SchollenbergeC.S.首先提出，是指在線性聚氨酯分子鏈之間，存在著遇熱或溶劑呈可逆性的“連接點”，它實際上不是化學交聯(lián)，但起化學交聯(lián)的作用。由于這種物理交聯(lián)的作用，聚氨酯形成了多相形態(tài)結(jié)構(gòu)理論，聚氨酯的氫鍵對其形態(tài)起了強化作用，并使其耐受更高的濕度。

二、TPU有什么分類

既然知道了TPU是什么，那它有哪些分類呢？按劃分標準的不同，TPU材料可以有很多不同的分類

比如，按軟段結(jié)構(gòu)可分為聚酯型、聚醚型和丁二烯型，它們分別含有酯基、醚基或丁烯基。按硬段結(jié)構(gòu)分為氨酯型和氨酯脲型，它們分別由二醇擴鏈劑或二胺擴鏈劑獲得。普遍常見的劃分是分為聚酯型和聚醚型。

按有無交聯(lián)可分為純熱塑性和半熱塑性。前者是純線性結(jié)構(gòu)，無交聯(lián)鍵；后者是含有少量脲基甲酸酯等交聯(lián)鍵。按制成品用途可分為異型件（各種機械零件）、管材（護套、棒型材）和薄膜（薄片、薄板）以及膠粘劑、涂料和纖維等。

三、TPU是怎么合成的

TPU雖然有很多分類，但從分子結(jié)構(gòu)上來說，都是屬于聚氨酯。那么，它是怎么聚合而成的呢？按合成工藝的不同，主要分為本體聚合和溶液聚合。

在本體聚合中，又可按有無預(yù)反應(yīng)分為預(yù)聚法和一步法：預(yù)聚法是將二異氰酸酯與大分子二醇先行反應(yīng)一定時間，再加入擴鏈生產(chǎn)TPU；一步法是將大分子二醇、二異酸酯和擴鏈劑同時混合反應(yīng)成TPU。溶液聚合是將二異氰酸酯先溶于溶劑中，再加入大分子二醇令其反應(yīng)一定時間，最后加入擴鏈劑生成TPU。

TPU的軟段種類、分子量、硬段或軟段含量以及TPU聚集態(tài)會影響TPU的密度，密度大約在1.10～1.25之間，與其他橡膠和塑料無顯著差異。在同等硬度時聚醚型TPU密度比聚酯型TPU低。

四、TPU材料是如何加工的

合成出來的TPU粒子需要進行各種各樣的加工才能形成最終的制品，主要采用熔融法和溶液法進行TPU的加工。

熔融加工是用塑料工業(yè)常用的工藝：如混煉、壓延、擠出、吹塑和模塑（包括注射、壓縮、傳遞和離心等）；溶液加工是粒料溶于溶劑或直接在溶劑中聚合而制成溶液再進行涂覆、紡絲等。

TPU制成最終產(chǎn)品，一般不需要進行硫化交聯(lián)反應(yīng)，可以縮短生產(chǎn)周期，廢棄物料能夠回收重新加以利用。

五、TPU材料性能怎么樣

一個材料被大量應(yīng)用，肯定是因為其有著非常好的性能，TPU也不例外。

像澆注型聚氨酯（液體）和混煉型聚氨酯（固體）一樣，TPU具有高模量、高強度、高伸長和高彈性、優(yōu)良的耐磨、耐油、耐低溫、耐老化性能。其中拉伸強度高、伸長率大，長期壓縮永久變形率低等都是TPU的顯著優(yōu)點。

下面將主要從拉伸強度和伸長率、回彈性、硬度等方面闡述一下TPU的力學性能。

1、拉伸強度高、伸長率大

TPU的拉伸強度和伸長率都非常優(yōu)異。從下圖的數(shù)據(jù)我們可以看到，聚醚型TPU的拉伸強度和伸長率遠優(yōu)于聚氯乙烯塑料和橡膠。

此外TPU在加工過程不加或加入很少助劑，能滿足食品工業(yè)要求，這也是其他材料如PVC、橡膠等難以辦到的。

2、回彈性對溫度非常敏感

TPU的回彈性是指形變應(yīng)力解除后迅速恢復(fù)其原狀的程度，用恢復(fù)能表示，即形變回縮功與產(chǎn)生形變所需要的功之比。它是彈性體動態(tài)模量和內(nèi)摩擦的函數(shù)，并對溫度非常敏感。

TPU軟段為PTMG、PCL、PBA，相對分子質(zhì)量分別為1000和2000；硬段為MDI-BDO，硬段含量分別為48.2%（PCL-1250為42.7%）和31.7%，r0=1.05預(yù)聚法合成。

正如所預(yù)期的那樣，回彈隨溫度的下降而降低，直到某一溫度，彈性又迅速增加。這個溫度是軟段結(jié)晶溫度，決定于大分子二醇的結(jié)構(gòu)，聚醚型TPU較聚酯型TPU低。在結(jié)晶溫度以下的溫度，彈性體變得很硬且失去了它的彈性，因此，回彈性是類似于離開硬金屬表面的反彈。

3、硬度范圍為邵爾A60~D80

硬度是材料抵抗變形、刻痕和劃傷能力的一種指標。

TPU硬度通常用邵爾A型和邵爾D型硬度計測定，邵爾A用于較軟的TPU，邵爾D用于較硬的TPU。

由于可以通過調(diào)整軟硬鏈段的比例，來調(diào)整TPU的硬度高低，因此TPU有著比較寬的硬度范圍，其硬度從邵爾A60~D80，跨越了橡膠和塑料的硬度，并且在整個硬度范圍內(nèi)具有高彈性。

隨硬度的變化，TPU的一些性能會發(fā)生變化。比如，提高TPU的硬度，會出現(xiàn)拉伸模量和撕裂強度增加、剛性和壓縮應(yīng)力(負荷能力)增加、伸長率降低、密度和動態(tài)生熱增加、耐環(huán)境性能增加的性能變化。

六、TPU可以用在哪里

1958年美國Goodrich化學公司（現(xiàn)在更名為路博潤）首次登記了TPU商品牌號Estane，之后40年來全世界有20余個商品牌號問世，每一個牌號有幾個系列產(chǎn)品。目前有生產(chǎn)TPU原料廠家主要有巴斯夫、科思創(chuàng)、路博潤、亨斯邁、萬華化學、上海恒安、瑞華、旭川化學等等。

作為性能優(yōu)良的彈性體，TPU的下游產(chǎn)品方向非常廣泛，在日用品、體育用品、玩具、裝飾材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，下面舉幾個例子。

1、鞋材

TPU用于鞋材主要由于其優(yōu)良的彈性和耐磨性。含TPU的鞋類產(chǎn)品穿著舒適度方面比普通鞋類產(chǎn)品優(yōu)越得多，因此，在高檔鞋類產(chǎn)品中較為廣泛，尤其是一些運動鞋，休閑鞋。

2、軟管

由于TPU軟管具有柔軟，良好的抗張強度、沖擊強度耐高低溫性，所以在中國TPU軟管被廣泛用作飛機、坦克、汽車、摩托車、機床等機械設(shè)備等的輸氣、輸油軟管。

3、線纜

TPU提供了耐撕裂、耐磨與彎曲特征，耐高低溫性更是電纜性能的關(guān)鍵。所以在中國市場上，高等電纜如控制電纜與電力電纜用TPU，用來保護設(shè)計復(fù)雜電纜的被覆材料，用途也日益廣泛。

4、醫(yī)療器械

TPU是一種安全、穩(wěn)固、優(yōu)質(zhì)的PVC替代材料，不會有鄰苯二甲酸酯等化學有害物質(zhì)，遷移到醫(yī)療導(dǎo)管或醫(yī)療袋內(nèi)的血液或其他液體中產(chǎn)生副作用，并且專門開發(fā)的擠出級和注塑級TPU，只需在現(xiàn)有PVC設(shè)備稍作調(diào)試便可輕松使用。