Synthese, Verarbeitung, Leistung und Anwendung von TPU-Materialien

TPU (thermoplastisches Polyurethan)ist eine Art Polyurethan, das durch Erhitzen plastifiziert und durch Lösungsmittel aufgelöst werden kann. Im Vergleich zu Polyurethan vom Mischtyp und vom Gusstyp weist thermoplastisches Polyurethan keine oder nur eine geringe chemische Vernetzung in der chemischen Struktur auf und seine Moleküle sind im Wesentlichen linear, es gibt jedoch einen gewissen Grad an physikalischem Austausch.
Das Konzept des sogenannten physikalischen Austauschs, das erstmals 1958 von Schollenberger CS vorgeschlagen wurde, bezieht sich auf die Existenz reversibler „Verbindungspunkte“ zwischen linearen Polyurethan-Molekülketten bei Einwirkung von Hitze oder Lösungsmitteln. Es handelt sich dabei nicht um eine chemische Vernetzung im eigentlichen Sinne. Aber es wirkt wie eine chemische Vernetzung. Als Ergebnis dieser physikalischen Vernetzung bildet das Polyurethan eine heterogene morphologische Strukturtheorie, und die Wasserstoffbrücken des Polyurethans stärken seine Morphologie und machen es widerstandsfähiger gegen höhere Luftfeuchtigkeit.

Wie ist die Klassifizierung von TPU

Nachdem wir nun wissen, was ein TPU ist, stellt sich die Frage, wie es klassifiziert wird. Gemäß unterschiedlichen Klassifizierungsstandards kann ein TPU viele verschiedene Klassifizierungen aufweisen.

Beispielsweise kann man es je nach Struktur des Weichsegments in Polyestertyp, Polyethertyp und Butadientyp unterteilen, die jeweils Estergruppen, Ethergruppen oder Butengruppen enthalten. Je nach Struktur des Hartsegments kann man es in Urethantyp und Urethanharnstofftyp unterteilen, die jeweils aus Diolkettenverlängerern oder Diaminkettenverlängerern gewonnen werden. Die übliche Unterteilung ist Polyestertyp und Polyethertyp.
Je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Vernetzung kann es in reine Thermoplaste und Halbthermoplaste unterteilt werden. Erstere ist eine reine lineare Struktur ohne Vernetzungsbindungen; Letztere enthält eine kleine Menge Allophanat und andere Vernetzungsbindungen. Je nach Verwendung der fertigen Produkte kann es in speziell geformte Teile (verschiedene mechanische Teile), Rohre (Hüllen, Stangenprofile), Folien (Platten, Platten), Klebstoffe, Beschichtungen und Fasern unterteilt werden.

Wie wird TPU synthetisiert

Obwohl es viele Klassifikationen von TPU gibt, gehören sie hinsichtlich ihrer Molekülstruktur alle zu Polyurethan. Wie also kam es dazu? Je nach Syntheseverfahren wird es hauptsächlich in Massepolymerisation und Lösungspolymerisation unterteilt.

Bei der Massenpolymerisation kann man zwischen einer Vorpolymerisationsmethode und einer einstufigen Methode unterscheiden, je nachdem, ob eine Vorreaktion stattfindet: Bei der Vorpolymerisationsmethode reagiert Diisocyanat über einen bestimmten Zeitraum mit makromolekularem Diol und fügt dann eine Kettenverlängerung hinzu, um TPU zu erzeugen; molekulare Diole, Diisoester und Kettenverlängerer werden gleichzeitig gemischt und reagieren, um TPU zu bilden.
Bei der Lösungspolymerisation wird zunächst das Diisocyanat in einem Lösungsmittel gelöst, dann wird ein makromolekulares Diol hinzugefügt, um es für eine bestimmte Zeit reagieren zu lassen, und schließlich wird ein Kettenverlängerer hinzugefügt, um TPU zu erzeugen.
Die Art des Weichsegments, das Molekulargewicht, der Hartsegment- oder Weichsegmentgehalt und der TPU-Aggregatzustand des TPU beeinflussen die Dichte des TPU. Die Dichte liegt zwischen 1.10 und 1.25, was sich nicht wesentlich von anderen Gummis und Kunststoffen unterscheidet. Bei gleicher Härte ist die Dichte von Polyether-TPU geringer als die von Polyester-TPU.

Wie wird TPU verarbeitet

TPU-Harz muss verarbeitet werden, um fertige Produkte herzustellen. TPU wird hauptsächlich im Schmelz- und Lösungsverfahren verarbeitet. Seine Molekülstruktur ist ein starrer Block, der durch die Reaktion von Diphenylmethandiisocyanat (MDI) oder Toluoldiisocyanat (TDI) mit einem Kettenverlängerer und Diisocyanat wie Diphenylmethandiisocyanat (MDI) oder Toluoldiisocyanat (TDI) erhalten wird. Moleküle und makromolekulare Polyole reagieren abwechselnd und bilden flexible Segmente.

Die Schmelzverarbeitung ist ein in der Kunststoffindustrie häufig verwendetes Verfahren, beispielsweise Mischen, Kalandrieren, Extrudieren, Blasformen und Formen (einschließlich Spritzgießen, Komprimieren, Übertragen und Zentrifugieren usw.). Bei der Lösungsverarbeitung handelt es sich um das Auflösen von Pellets in Lösungsmitteln oder die direkte Polymerisation in Lösungsmitteln. Nach der Herstellung einer Lösung werden Beschichtung, Spinnen usw. durchgeführt.
Das Endprodukt besteht aus TPU, das im Allgemeinen keine Vulkanisations- und Vernetzungsreaktion erfordert, wodurch der Produktionszyklus verkürzt werden kann und Abfallmaterialien recycelt und wiederverwendet werden können.

TPU-Leistung

Wie gegossenes Polyurethan (flüssig) und Mischpolyurethan (fest) hat TPU einen hohen Modul, eine hohe Festigkeit, eine hohe Dehnung und eine hohe Elastizität, eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Ölbeständigkeit, Niedertemperaturbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit. Hohe Zugfestigkeit, hohe Dehnung und niedriger Langzeit-Druckverformungsrest sind allesamt wichtige Vorteile von TPU.

1. Hohe Zugfestigkeit und hohe Dehnung
TPU weist eine ausgezeichnete Zugfestigkeit und Dehnung auf. Aus den Daten in der folgenden Abbildung können wir ersehen, dass die Zugfestigkeit und Dehnung von Polyether-TPU viel besser sind als die von Polyvinylchlorid-Kunststoff und Gummi.

Darüber hinaus kann TPU die Anforderungen der Lebensmittelindustrie ohne bzw. ohne Zugabe von wenigen Zusatzstoffen im Verarbeitungsprozess erfüllen, was bei anderen Materialien wie PVC und Gummi schwierig ist.

2. Die Belastbarkeit ist sehr temperaturempfindlich
Die Elastizität von TPU bezieht sich auf den Grad der schnellen Wiederherstellung der ursprünglichen Form nach dem Lösen der Verformungsspannung. Sie wird durch die Rückstellenergie ausgedrückt, d. h. das Verhältnis der Verformungsrückzugsarbeit zur für die Verformung erforderlichen Arbeit. Sie ist eine Funktion des dynamischen Moduls und der inneren Reibung des Elastomers und sehr temperaturempfindlich.

Die Rückfederung nimmt mit sinkender Temperatur ab, bis zu einer bestimmten Temperatur nimmt die Elastizität wieder schnell zu. Diese Temperatur ist die Kristallisationstemperatur des weichen Segments, die von der Struktur des makromolekularen Diols abhängt, und das Polyether-TPU ist niedriger als das Polyester-TPU. Bei Temperaturen unterhalb der Kristallisationstemperatur wird das Elastomer sehr hart und verliert seine Elastizität, daher ist die Rückfederung ähnlich wie das Abprallen von einer harten Metalloberfläche.

3. Der Härtebereich liegt zwischen Shore A60 und D80
Die Härte ist ein Indikator für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Verformungen, Kerben und Kratzern.
Die Härte von TPU kann durch Anpassen des Verhältnisses zwischen weichen und harten Kettensegmenten eingestellt werden. Daher weist TPU einen relativ großen Härtebereich auf. Seine Härte reicht von Shore A60 bis D80 und deckt damit die Härte von Gummi und Kunststoff ab. Im gesamten Härtebereich weist TPU einen großen Härtebereich auf. Hohe Elastizität.
Mit der Änderung der Härte ändern sich auch einige Eigenschaften des TPU. Wenn beispielsweise die Härte des TPU erhöht wird, kommt es zu Leistungsänderungen wie einem erhöhten Zugmodul und einer erhöhten Reißfestigkeit, einer erhöhten Steifigkeit und Druckspannung (Tragfähigkeit), einer verringerten Dehnung, einer erhöhten Dichte und dynamischen Wärmeentwicklung sowie einer erhöhten Umweltbeständigkeit.

Anwendungsgebiete von TPU

TPU wurde erstmals 1958 von der amerikanischen Goodrich Chemical Company (jetzt Lubrizol) erfolgreich kommerzialisiert und seitdem weltweit erforscht und verbreitet. Zu den Herstellern von TPU-Rohstoffen zählen derzeit vor allem BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical und so weiter.
Als Elastomer mit hervorragender Leistung verfügt TPU über eine breite Palette an nachgelagerten Produkten und wird häufig in Alltagsgegenständen, Sportartikeln, Spielzeugen, Dekorationsmaterialien und anderen Bereichen verwendet. Hier sind einige Beispiele.
1. Schuhmaterial
TPU wird in Schuhmaterialien hauptsächlich aufgrund seiner hervorragenden Elastizität und Verschleißfestigkeit verwendet. TPU-haltige Schuhe sind im Tragekomfort gewöhnlichen Schuhen weit überlegen und werden daher häufig in hochwertigen Schuhen verwendet, insbesondere in einigen Sportschuhen und Freizeitschuhen.


2. Schlauch
Da TPU-Schläuche weich sind und eine gute Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit sowie Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen aufweisen, werden sie in China häufig für den Gas- und Öltransport in Flugzeugen, Panzern, Autos, Motorrädern, Werkzeugmaschinen und anderen mechanischen Geräten verwendet.



3. Kabel
TPU bietet Reißfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Biegeeigenschaften, und die Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen ist der Schlüssel zur Kabelleistung. Daher wird TPU auf dem chinesischen Markt für High-End-Kabel wie Steuerkabel und Stromkabel verwendet, um die Beschichtungsmaterialien von Kabeln mit komplexen Designs zu schützen, und seine Verwendung wird immer umfangreicher.



4. Medizinische Ausrüstung
TPU ist eine sichere, stabile und hochwertige Alternative zu PVC. Es enthält keine schädlichen chemischen Substanzen wie Phthalate und wandert nicht ins Blut oder andere Flüssigkeiten in medizinischen Kathetern oder medizinischen Beuteln, was zu Nebenwirkungen führen kann. TPU in Extrusions- und Injektionsqualität kann mit einer kleinen Anpassung problemlos in vorhandenen PVC-Geräten verwendet werden.