Synthese, verwerking, prestaties en toepassing van TPU-materialen

TPU (thermoplastisch polyurethaan)Thermoplastisch polyurethaan is een type polyurethaan dat door verhitting week gemaakt kan worden en door oplosmiddelen opgelost kan worden. In vergelijking met polyurethaan dat door mengen of gieten wordt gevormd, heeft thermoplastisch polyurethaan geen of weinig chemische dwarsverbindingen in de chemische structuur. De moleculen zijn in principe lineair, maar er is wel een zekere mate van fysieke uitwisseling.
Het concept van zogenaamde fysieke uitwisseling, voor het eerst voorgesteld door Schollenberger CS in 1958, verwijst naar het bestaan ​​van omkeerbare "verbindingspunten" tussen lineaire polyurethaanmolecuulketens wanneer deze worden blootgesteld aan hitte of oplosmiddelen. Het is feitelijk geen chemische verknoping, maar het werkt wel als een chemische verknoping. Als gevolg van deze fysieke verknoping vormt het polyurethaan een heterogene morfologische structuur, en de waterstofbruggen in het polyurethaan versterken de morfologie en maken het bestand tegen hogere luchtvochtigheid.

Wat is de classificatie van TPU?

Nu we weten wat een TPU is, wat zijn dan de classificaties? Afhankelijk van de verschillende classificatiestandaarden kan een TPU in veel verschillende categorieën worden ingedeeld.

Zo kan het zachte segment bijvoorbeeld, afhankelijk van de structuur, worden onderverdeeld in polyestertype, polyethertype en butadieentype, die respectievelijk een estergroep, ethergroep of buteengroep bevatten. Het harde segment kan, afhankelijk van de structuur, worden onderverdeeld in urethaantype en urethaanureumtype, die respectievelijk worden verkregen uit diolketenverlengers of diamineketenverlengers. De meest gangbare onderverdeling is echter in polyestertype en polyethertype.
Afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van dwarsverbindingen kan het worden onderverdeeld in zuiver thermoplastisch en semi-thermoplastisch. De eerste heeft een zuivere lineaire structuur zonder dwarsverbindingen; de laatste bevat een kleine hoeveelheid allofanaat en andere dwarsverbindingen. Afhankelijk van het gebruik van de eindproducten kan het worden onderverdeeld in speciaal gevormde onderdelen (diverse mechanische onderdelen), buizen (mantels, staafprofielen), folies (platen, vellen), lijmen, coatings en vezels.

Hoe wordt TPU gesynthetiseerd?

Hoewel er veel classificaties van TPU bestaan, behoren ze qua moleculaire structuur allemaal tot de polyurethaanfamilie. Hoe is dat dan zo gekomen? Afhankelijk van het syntheseproces wordt het hoofdzakelijk onderverdeeld in bulkpolymerisatie en oplossingspolymerisatie.

Bij bulkpolymerisatie kan onderscheid worden gemaakt tussen de prepolymerisatiemethode en de éénstapsmethode, afhankelijk van of er een voorreactie plaatsvindt: bij de prepolymerisatiemethode wordt diisocyanaat gedurende een bepaalde tijd met een macromoleculair diol gereageerd, waarna een ketenverlenger wordt toegevoegd om TPU te produceren; bij de éénstapsmethode worden moleculaire diolen, diisoesters en ketenverlengers gelijktijdig gemengd en met elkaar gereageerd om TPU te vormen.
Oplossingspolymerisatie houdt in dat diisocyanaat eerst in een oplosmiddel wordt opgelost, vervolgens een macromoleculair diol wordt toegevoegd en gedurende een bepaalde tijd wordt gereageerd, en ten slotte een ketenverlenger wordt toegevoegd om TPU te genereren.
Het type zacht segment, het molecuulgewicht, het gehalte aan harde of zachte segmenten en de aggregatietoestand van TPU beïnvloeden de dichtheid van TPU. De dichtheid ligt tussen 1.10 en 1.25, wat niet significant verschilt van andere rubbers en kunststoffen. Bij dezelfde hardheid is de dichtheid van polyether-TPU lager dan die van polyester-TPU.

Hoe wordt TPU verwerkt?

TPU-hars moet worden verwerkt om eindproducten te maken, en TPU wordt hoofdzakelijk verwerkt via de smeltmethode en de oplossingsmethode. De moleculaire structuur is een star blok dat wordt verkregen door de reactie van difenylmethaandiisocyanaat (MDI) of tolueendiisocyanaat (TDI) met een ketenverlenger en diisocyanaatmoleculen zoals MDI of TDI. Deze moleculen en macromoleculaire polyolen reageren afwisselend om flexibele segmenten te vormen.

Smeltverwerking is een proces dat veelvuldig wordt gebruikt in de kunststofindustrie: zoals mengen, kalanderen, extrusie, blaasvormen en spuitgieten (inclusief injectie, compressie, transfer en centrifugatie, enz.). Oplossingsverwerking is het oplossen van korrels in oplosmiddelen of directe polymerisatie in oplosmiddelen. Na het maken van een oplossing worden coating, spinnen, enz. uitgevoerd.
TPU wordt verwerkt tot een eindproduct dat doorgaans geen vulkanisatie- en verknopingsreactie vereist. Dit kan de productiecyclus verkorten en afvalmaterialen kunnen worden gerecycled en hergebruikt.

TPU-prestaties

Net als gegoten polyurethaan (vloeibaar) en gemengd polyurethaan (vast), heeft TPU een hoge modulus, hoge sterkte, hoge rek en hoge elasticiteit, uitstekende slijtvastheid, oliebestendigheid, lage temperatuurbestendigheid en verouderingsbestendigheid. De hoge treksterkte, hoge rek en geringe vervorming bij langdurige compressie zijn belangrijke voordelen van TPU.

1. Hoge treksterkte en hoge rek
TPU heeft een uitstekende treksterkte en rekbaarheid. Uit de gegevens in de onderstaande figuur blijkt dat de treksterkte en rekbaarheid van polyether-TPU veel beter zijn dan die van polyvinylchloride (PVC) en rubber.

Bovendien kan TPU voldoen aan de eisen van de voedingsmiddelenindustrie zonder of met slechts weinig toevoegingen tijdens het verwerkingsproces, wat moeilijk is voor andere materialen zoals PVC en rubber.

2. De veerkracht is zeer gevoelig voor temperatuur.
De veerkracht van TPU verwijst naar de mate waarin het materiaal snel terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm nadat de vervormingsspanning is opgeheven. Dit wordt uitgedrukt in herstelenergie, oftewel de verhouding tussen de arbeid die nodig is om de vervorming terug te brengen en de arbeid die nodig is om de vervorming te veroorzaken. Het is een functie van de dynamische modulus en de interne wrijving van het elastomeer en is zeer gevoelig voor temperatuur.

De terugvering neemt af bij een dalende temperatuur, tot een bepaalde temperatuur, waarna de elasticiteit weer snel toeneemt. Deze temperatuur is de kristallisatietemperatuur van het zachte segment, die afhankelijk is van de structuur van het macromoleculaire diol. Bij polyether-TPU ligt deze temperatuur lager dan bij polyester-TPU. Bij temperaturen onder de kristallisatietemperatuur wordt het elastomeer erg hard en verliest het zijn elasticiteit; de terugvering is dan vergelijkbaar met die van een hard metalen oppervlak.

3. De hardheid varieert van Shore A60 tot D80.
Hardheid is een indicator voor het vermogen van een materiaal om vervorming, deuken en krassen te weerstaan.
De hardheid van TPU kan worden aangepast door de verhouding tussen zachte en harde ketensegmenten te variëren. Hierdoor heeft TPU een relatief breed hardheidsbereik. De hardheid varieert van Shore A60 tot D80, wat het hardheidsbereik van rubber en plastic omvat, en het materiaal heeft een breed hardheidsbereik over het gehele hardheidsbereik. Bovendien is het zeer elastisch.
Door de verandering in hardheid veranderen sommige eigenschappen van TPU. Als de hardheid van TPU bijvoorbeeld toeneemt, treden er prestatieveranderingen op zoals een hogere treksterkte en scheursterkte, een hogere stijfheid en druksterkte (draagvermogen), een lagere rek, een hogere dichtheid en dynamische warmteontwikkeling, en een verhoogde weerstand tegen omgevingsinvloeden.

Toepassingsgebied van TPU

TPU werd in 1958 voor het eerst succesvol op de markt gebracht door het Amerikaanse Goodrich Chemical Company (nu Lubrizol) en is sindsdien wereldwijd onderzocht en verder ontwikkeld. Momenteel zijn de belangrijkste fabrikanten van TPU-grondstoffen onder andere BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua en Asahikawa Chemical.
TPU is een elastomeer met uitstekende eigenschappen en kent een breed scala aan toepassingen in diverse producten, zoals dagelijkse gebruiksvoorwerpen, sportartikelen, speelgoed, decoratiematerialen en andere sectoren. Hieronder volgen enkele voorbeelden.
1. Materiaal van de schoen
TPU wordt voornamelijk in schoenmaterialen gebruikt vanwege de uitstekende elasticiteit en slijtvastheid. Schoenen met TPU bieden een veel hoger draagcomfort dan gewone schoenen, waardoor ze veelvuldig worden gebruikt in hoogwaardige schoenen, met name in sport- en vrijetijdsschoenen.


2. Slang
Omdat TPU-slangen zacht zijn, een goede treksterkte en slagvastheid hebben, en bestand zijn tegen hoge en lage temperaturen, worden ze in China veel gebruikt voor het transport van gas en olie naar vliegtuigen, tanks, auto's, motorfietsen, werktuigmachines en andere mechanische apparatuur.



3. Kabel
TPU biedt scheur-, slijtvastheids- en buigeigenschappen, en de hoge en lage temperatuurbestendigheid zijn cruciaal voor de prestaties van kabels. Daarom wordt TPU op de Chinese markt gebruikt voor hoogwaardige kabels, zoals stuurkabels en voedingskabels, om de coatingmaterialen van kabels met complexe ontwerpen te beschermen, en het gebruik ervan neemt steeds verder toe.



4. Medische apparatuur
TPU is een veilig, stabiel en hoogwaardig alternatief voor PVC. Het bevat geen schadelijke chemische stoffen zoals ftalaten, die niet in bloed of andere vloeistoffen in medische katheters of infuuszakken terechtkomen en bijwerkingen veroorzaken. Zowel extrusie- als spuitgiet-TPU kan met een kleine aanpassing eenvoudig worden gebruikt in bestaande PVC-apparatuur.