Tổng hợp, chế biến, hiệu suất và ứng dụng vật liệu TPU

TPU (polyurethane nhiệt dẻo)là một loại polyurethan có thể được làm dẻo bằng cách gia nhiệt và có thể được hòa tan bằng dung môi. So với polyurethan loại trộn và loại đúc, polyurethan nhiệt dẻo không có hoặc có rất ít liên kết ngang hóa học trong cấu trúc hóa học, và các phân tử của nó về cơ bản là tuyến tính, nhưng có một lượng trao đổi vật lý nhất định.
Khái niệm về cái gọi là trao đổi vật lý, lần đầu tiên được Schollenberger CS đề xuất vào năm 1958, đề cập đến sự tồn tại của các "điểm kết nối" có thể đảo ngược giữa các chuỗi phân tử polyurethane tuyến tính khi tiếp xúc với nhiệt hoặc dung môi. Trên thực tế, nó không phải là một liên kết chéo hóa học. Nhưng nó hoạt động như một liên kết chéo hóa học. Do kết quả của liên kết chéo vật lý này, polyurethane hình thành nên một lý thuyết cấu trúc hình thái không đồng nhất và liên kết hydro của polyurethane tăng cường hình thái của nó và làm cho nó chống lại độ ẩm cao hơn.

Phân loại TPU là gì?

Bây giờ chúng ta đã biết TPU là gì, vậy phân loại của nó là gì? Theo các tiêu chuẩn phân loại khác nhau, TPU có thể có nhiều phân loại khác nhau.

Ví dụ, theo cấu trúc của đoạn mềm, có thể chia thành loại polyester, loại polyether và loại butadien, tương ứng chứa nhóm este, nhóm ether hoặc nhóm buten. Theo cấu trúc đoạn cứng, có thể chia thành loại urethane và loại urethane urê, tương ứng thu được từ chất kéo dài chuỗi diol hoặc chất kéo dài chuỗi diamine. Phân chia chung được chia thành loại polyester và loại polyether.
Theo sự có hay không có liên kết chéo, nó có thể được chia thành nhiệt dẻo tinh khiết và bán nhiệt dẻo. Loại trước là cấu trúc tuyến tính tinh khiết không có liên kết chéo; loại sau chứa một lượng nhỏ allophanate và các liên kết chéo khác. Theo mục đích sử dụng của thành phẩm, nó có thể được chia thành các bộ phận có hình dạng đặc biệt (các bộ phận cơ khí khác nhau), ống (vỏ, thanh định hình), màng (tấm, tấm), chất kết dính, lớp phủ và sợi.

TPU được tổng hợp như thế nào

Mặc dù có nhiều phân loại TPU, nhưng về mặt cấu trúc phân tử, tất cả đều thuộc về polyurethane. Vậy nó được tạo thành như thế nào? Theo các quy trình tổng hợp khác nhau, nó chủ yếu được chia thành trùng hợp khối và trùng hợp dung dịch.

Trong phản ứng trùng hợp khối, có thể chia thành phương pháp tiền trùng hợp và phương pháp một bước theo việc có phản ứng trước hay không: phương pháp tiền trùng hợp là phản ứng giữa diisocyanate với diol đại phân tử trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó thêm phần mở rộng chuỗi để tạo thành TPU; Các diol phân tử, diisoester và chất mở rộng chuỗi được trộn lẫn và phản ứng đồng thời để tạo thành TPU.
Trùng hợp dung dịch là hòa tan diisocyanate trong dung môi trước, sau đó thêm diol đại phân tử để phản ứng trong một khoảng thời gian nhất định, và cuối cùng thêm chất kéo dài chuỗi để tạo thành TPU.
Loại phân đoạn mềm, trọng lượng phân tử, hàm lượng phân đoạn cứng hoặc phân đoạn mềm và trạng thái kết tụ TPU của TPU sẽ ảnh hưởng đến mật độ của TPU. Mật độ nằm trong khoảng từ 1.10 đến 1.25, không khác biệt đáng kể so với các loại cao su và nhựa khác. Ở cùng độ cứng, mật độ của polyether TPU thấp hơn mật độ của polyester TPU.

TPU được xử lý như thế nào

Nhựa TPU cần được xử lý để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh, và TPU chủ yếu được xử lý bằng phương pháp nấu chảy và phương pháp dung dịch. Cấu trúc phân tử của nó là một khối cứng thu được bằng cách phản ứng diphenylmethane diisocyanate (MDI) hoặc toluene diisocyanate (TDI) với chất kéo dài chuỗi và diisocyanate như diphenylmethane diisocyanate (MDI) hoặc toluene diisocyanate (TDI) Các phân tử và polyol đại phân tử phản ứng để tạo thành các phân đoạn linh hoạt xen kẽ.

Gia công nóng chảy là một quá trình thường được sử dụng trong ngành công nghiệp nhựa: chẳng hạn như trộn, cán, đùn, thổi khuôn và đúc khuôn (bao gồm phun, nén, chuyển và ly tâm, v.v.) Gia công dung dịch là quá trình hòa tan các viên trong dung môi hoặc trùng hợp trực tiếp trong dung môi. Sau khi tạo thành dung dịch, quá trình tráng phủ, kéo sợi, v.v. được thực hiện.
TPU được chế tạo thành sản phẩm cuối cùng, thường không cần lưu hóa và phản ứng liên kết ngang, có thể rút ngắn chu kỳ sản xuất và vật liệu thải có thể được tái chế và tái sử dụng.

Hiệu suất TPU

Giống như polyurethane đúc (lỏng) và polyurethane trộn (rắn), TPU có mô đun cao, độ bền cao, độ giãn dài cao và độ đàn hồi cao, khả năng chống mài mòn, chống dầu, chịu nhiệt độ thấp và chống lão hóa tuyệt vời. Trong số đó, độ bền kéo cao, độ giãn dài cao và độ nén dài hạn thấp đều là những ưu điểm đáng kể của TPU.

1. Độ bền kéo cao và độ giãn dài cao
TPU có độ bền kéo và độ giãn dài tuyệt vời. Từ dữ liệu trong hình bên dưới, chúng ta có thể thấy rằng độ bền kéo và độ giãn dài của polyether TPU tốt hơn nhiều so với nhựa polyvinyl clorua và cao su.

Ngoài ra, TPU có thể đáp ứng được các yêu cầu của ngành công nghiệp thực phẩm mà không cần thêm hoặc thêm ít chất phụ gia trong quá trình chế biến, điều mà các vật liệu khác như PVC và cao su khó có thể làm được.

2. Khả năng phục hồi rất nhạy cảm với nhiệt độ
Độ đàn hồi của TPU là mức độ phục hồi nhanh chóng về hình dạng ban đầu sau khi ứng suất biến dạng được giải phóng, được thể hiện bằng năng lượng phục hồi, tức là tỷ lệ giữa công co lại biến dạng và công cần thiết để biến dạng. Nó là một hàm của mô đun động và ma sát bên trong của chất đàn hồi và rất nhạy cảm với nhiệt độ.

Độ đàn hồi giảm dần khi nhiệt độ giảm, cho đến một nhiệt độ nhất định, độ đàn hồi lại tăng nhanh trở lại. Nhiệt độ này là nhiệt độ kết tinh của đoạn mềm, phụ thuộc vào cấu trúc của diol đại phân tử, và polyether TPU thấp hơn polyester TPU. Ở nhiệt độ dưới nhiệt độ kết tinh, chất đàn hồi trở nên rất cứng và mất độ đàn hồi, do đó, sự phục hồi tương tự như sự phục hồi khỏi bề mặt kim loại cứng.

3. Phạm vi độ cứng là Shore A60~D80
Độ cứng là chỉ số cho biết khả năng chống biến dạng, trầy xước và nứt của vật liệu.
Độ cứng của TPU có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các đoạn chuỗi mềm và cứng. Do đó, TPU có phạm vi độ cứng tương đối rộng. Độ cứng của nó nằm trong khoảng từ Shore A60 đến D80, bao gồm độ cứng của cao su và nhựa, và có phạm vi độ cứng rộng trong toàn bộ phạm vi độ cứng. Độ đàn hồi cao.
Khi độ cứng thay đổi, một số tính chất của TPU sẽ thay đổi. Ví dụ, nếu độ cứng của TPU tăng lên, sẽ có những thay đổi về hiệu suất như tăng mô đun kéo và độ bền xé, tăng độ cứng và ứng suất nén (khả năng chịu tải), giảm độ giãn dài, tăng mật độ và sinh nhiệt động, và tăng khả năng chống chịu môi trường.

Lĩnh vực ứng dụng của TPU

TPU lần đầu tiên được thương mại hóa thành công bởi Công ty Hóa chất Goodrich của Mỹ (nay là Lubrizol) vào năm 1958, và kể từ đó đã được nghiên cứu và mở rộng trên toàn thế giới. Hiện tại, các nhà sản xuất nguyên liệu thô TPU chủ yếu bao gồm BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical, v.v.
Là một chất đàn hồi có hiệu suất tuyệt vời, TPU có nhiều sản phẩm hạ nguồn và được sử dụng rộng rãi trong các nhu yếu phẩm hàng ngày, đồ dùng thể thao, đồ chơi, vật liệu trang trí và các lĩnh vực khác. Sau đây là một số ví dụ.
1. Chất liệu giày
TPU được sử dụng trong vật liệu giày chủ yếu là do độ đàn hồi và khả năng chống mài mòn tuyệt vời của nó. Các sản phẩm giày dép có chứa TPU có độ thoải mái khi mang cao hơn nhiều so với các sản phẩm giày dép thông thường, vì vậy chúng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm giày dép cao cấp, đặc biệt là một số giày thể thao và giày thường ngày.


2. vòi
Do ống TPU mềm, có độ bền kéo, độ bền va đập và khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp tốt nên ống TPU được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc để vận chuyển khí đốt và dầu cho máy bay, xe tăng, ô tô, xe máy, máy công cụ và các thiết bị cơ khí khác.



3. Cáp
TPU cung cấp khả năng chống rách, chống mài mòn và uốn cong, khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp là chìa khóa cho hiệu suất của cáp. Do đó, tại thị trường Trung Quốc, TPU cho cáp cao cấp, chẳng hạn như cáp điều khiển và cáp nguồn, được sử dụng để bảo vệ vật liệu phủ của cáp có thiết kế phức tạp và ứng dụng của nó ngày càng rộng rãi.



4. Thiết bị y tế
TPU là một giải pháp thay thế an toàn, ổn định và chất lượng cao cho PVC. Nó sẽ không chứa các chất hóa học có hại như phthalate và sẽ di chuyển vào máu hoặc các chất lỏng khác trong ống thông y tế hoặc túi y tế để gây ra tác dụng phụ. TPU cấp đùn và cấp tiêm có thể dễ dàng sử dụng với một chút điều chỉnh trong thiết bị PVC hiện có.