TPU materjalide süntees, töötlemine, toimivus ja rakendamine

TPU (termoplastne polüuretaan)on polüuretaani tüüp, mida saab kuumutamisel plastifitseerida ja lahustites lahustada. Võrreldes segamis- ja valamistüüpi polüuretaaniga on termoplastilisel polüuretaanil keemilises struktuuris vähe keemilisi ristseoseid või üldse mitte ning selle molekulid on põhimõtteliselt lineaarsed, kuid toimub teatav füüsikaline vahetus.
Nn füüsikalise vahetuse kontseptsioon, mille pakkus esmakordselt välja Schollenberger CS 1958. aastal, viitab lineaarsete polüuretaani molekulaarahelate vaheliste pöörduvate "ühenduspunktide" olemasolule kuumuse või lahustitega kokkupuutel. See ei ole tegelikult keemiline ristside, kuid toimib keemilise ristseotusena. Selle füüsikalise ristseotuse tulemusena moodustab polüuretaan heterogeense morfoloogilise struktuuri teooria ja polüuretaani vesiniksidemed tugevdavad selle morfoloogiat ja muudavad selle vastupidavaks kõrgemale õhuniiskusele.

Mis on TPU klassifikatsioon?

Nüüd, kui me teame, mis on TPU, millised on selle klassifikatsioonid? Erinevate klassifikatsioonistandardite kohaselt võib TPU-l olla palju erinevaid klassifikatsioone.

Näiteks pehme segmendi struktuuri järgi saab selle jagada polüester-, polüeeter- ja butadieenitüübiks, mis sisaldavad vastavalt ester-, eeter- või buteenrühma. Kõva segmendi struktuuri järgi saab selle jagada uretaan- ja uretaanuureatüübiks, mis saadakse vastavalt dioolahela pikendajatest või diamiinahela pikendajatest. Levinud jaotus on polüester- ja polüeetertüübiks.
Ristsidemete olemasolu või puudumise järgi saab selle jagada puhtaks termoplastiks ja pooltermoplastseks. Esimene on puhas lineaarne struktuur ilma ristsidemeteta; teine ​​sisaldab väheses koguses allofanaati ja muid ristsidemeid. Valmistoodete kasutuse järgi saab seda jagada erikujulisteks osadeks (mitmesugused mehaanilised osad), torudeks (kestad, vardad), kiledeks (lehed, lehed), liimideks, kateteks ja kiududeks.

Kuidas TPU-d sünteesitakse

Kuigi TPU-d on palju klassifikatsioone, kuuluvad need kõik molekulaarstruktuuri poolest polüuretaani. Kuidas see siis tekkis? Erinevate sünteesiprotsesside kohaselt jaguneb see peamiselt masspolümerisatsiooniks ja lahusepolümerisatsiooniks.

Masspolümerisatsiooni puhul saab selle jagada eelpolümerisatsiooni meetodiks ja üheastmeliseks meetodiks vastavalt sellele, kas toimub eelreaktsioon: eelpolümerisatsiooni meetod seisneb diisotsüanaadi reageerimises makromolekulaarse diooliga teatud aja jooksul ja seejärel ahela pikendamise lisamises, et saada TPU; molekulaarsed dioolid, diisoestrid ja ahela pikendajad segatakse samaaegselt ja reageeritakse, et moodustada TPU.
Lahuse polümerisatsioon seisneb selles, et diisotsüanaat lahustatakse esmalt lahustis, seejärel lisatakse makromolekulaarne diool, et see teatud aja jooksul reageeriks, ja lõpuks lisatakse ahela pikendajat TPU saamiseks.
TPU tihedust mõjutavad pehme segmendi tüüp, molekulmass, kõva või pehme segmendi sisaldus ning TPU agregatsiooniaste. Tihedus jääb vahemikku 1.10–1.25, mis ei erine oluliselt teistest kummidest ja plastidest. Sama kõvaduse juures on polüeeter-TPU tihedus madalam kui polüester-TPU-l.

Kuidas TPU-d töödeldakse

TPU vaiku tuleb valmistoodete valmistamiseks töödelda ning TPU-d töödeldakse peamiselt sulatamise ja lahustamise teel. Selle molekulaarstruktuur on jäik plokk, mis saadakse difenüülmetaan-diisotsüanaadi (MDI) või tolueendiisotsüanaadi (TDI) reageerimisel ahela pikendaja ja diisotsüanaadiga, näiteks difenüülmetaan-diisotsüanaadiga (MDI) või tolueendiisotsüanaadiga (TDI). Molekulid ja makromolekulaarsed polüoolid reageerivad vaheldumisi, moodustades painduvaid segmente.

Sulatusprotsess on plastmassitööstuses levinud protsess: näiteks segamine, kalandreerimine, ekstrusioon, puhumisvormimine ja vormimine (sh süstimine, kokkusurumine, ülekanne ja tsentrifuugimine jne). Lahusprotsess on graanulite lahustamine lahustites või otsene polümerisatsioon lahustites. Pärast lahuse valmistamist teostatakse katmine, ketramine jne.
TPU-st valmistatakse lõpptoode, mis üldiselt ei vaja vulkaniseerimis- ega ristseostamisreaktsiooni, mis võib lühendada tootmistsüklit ning jäätmematerjale saab taaskasutada ja taaskasutada.

TPU jõudlus

Nagu valatud polüuretaanil (vedelal kujul) ja segatud polüuretaanil (tahke kujul), on ka TPU-l kõrge elastsusmoodul, kõrge tugevus, kõrge venivus ja kõrge elastsus, suurepärane kulumiskindlus, õlikindlus, madala temperatuuritaluvus ja vananemiskindlus. Nende hulgas on kõrge tõmbetugevus, kõrge venivus ja väike pikaajaline survedeformatsioon kõik TPU olulised eelised.

1. Suur tõmbetugevus ja suur venivus
TPU-l on suurepärane tõmbetugevus ja venivus. Alloleval joonisel olevatest andmetest näeme, et polüeeter-TPU tõmbetugevus ja venivus on palju paremad kui polüvinüülkloriidplastil ja -kummil.

Lisaks suudab TPU täita toiduainetööstuse nõudeid ilma töötlemisprotsessis lisamata või lisamata vähe lisaaineid, mis on keeruline teiste materjalide, näiteks PVC ja kummi puhul.

2. Vastupidavus on temperatuurile väga tundlik
TPU vastupidavus viitab kiirele taastumisele oma algkujule pärast deformatsioonipinge vabanemist, mida väljendatakse taastumisenergia abil, st deformatsiooni-tagasitõmbumistöö ja deformatsiooniks vajaliku töö suhtena. See sõltub elastomeeri dünaamilisest moodulist ja sisemisest hõõrdumisest ning on väga tundlik temperatuuri suhtes.

Temperatuuri langedes elastsus väheneb, kuni teatud temperatuurini suureneb elastsus taas kiiresti. See temperatuur on pehme segmendi kristallisatsioonitemperatuur, mis sõltub makromolekulaarse diooli struktuurist, ja polüeeter-TPU on madalam kui polüester-TPU. Kristallisatsioonitemperatuurist madalamal temperatuuril muutub elastomeer väga kõvaks ja kaotab oma elastsuse, mistõttu sarnaneb põrkumine kõva metalli pinnalt põrkumisega.

3. Kõvadusvahemik on Shore'i kõvadus A60–D80
Kõvadus on näitaja materjali võimest vastu pidada deformatsioonile, pragudele ja kriimustustele.
TPU kõvadust saab reguleerida pehmete ja kõvade ketisegmentide suhte muutmisega. Seetõttu on TPU-l suhteliselt lai kõvadusvahemik. Selle kõvadus jääb vahemikku Shore A60 kuni D80, hõlmates kummi ja plasti kõvadust, ning sellel on lai kõvadusvahemik kogu kõvadusvahemikus. Suur elastsus.
Kõvaduse muutumisega muutuvad mõned TPU omadused. Näiteks kui TPU kõvadus suureneb, muutuvad ka jõudlus, näiteks suureneb tõmbemoodul ja rebenemistugevus, suureneb jäikus ja survepinge (kandevõime), väheneb venivus, suureneb tihedus ja dünaamiline soojuseraldus ning suureneb vastupidavus keskkonnale.

TPU rakendusala

TPU-d turustas edukalt esmakordselt American Goodrich Chemical Company (nüüd Lubrizol) 1958. aastal ning sellest ajast alates on seda uuritud ja laiendatud üle maailma. Praegu on TPU toorainete tootjate hulgas peamiselt BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical ja teised.
Suurepärase jõudlusega elastomeerina on TPU-l lai valik järeltooteid ning seda kasutatakse laialdaselt igapäevastes tarbekaupades, spordikaupades, mänguasjades, dekoratiivmaterjalides ja muudes valdkondades. Siin on mõned näited.
1. Kingamaterjal
TPU-d kasutatakse jalatsimaterjalides peamiselt selle suurepärase elastsuse ja kulumiskindluse tõttu. TPU-d sisaldavad jalatsid on tavalistest jalatsitest palju mugavamad, seega kasutatakse neid laialdaselt kallimates jalatsites, eriti mõnedes spordijalatsites ja vabaajajalatsites.


2. Voolik
Kuna TPU voolikul on pehmus, hea tõmbetugevus, löögikindlus ning kõrge ja madala temperatuuritaluvus, kasutatakse TPU voolikut Hiinas laialdaselt õhusõidukite, paakide, autode, mootorrataste, tööpinkide ja muude mehaaniliste seadmete gaasi- ja naftatranspordi voolikute jaoks.



3. Kaabel
TPU pakub rebenemiskindlust, kulumiskindlust ja paindekindlust ning kõrge ja madala temperatuuritaluvus on kaabli jõudluse võti. Seetõttu kasutatakse Hiina turul TPU-d tipptasemel kaablite, näiteks juhtkaablite ja toitekaablite jaoks, keeruka konstruktsiooniga kaablite kattematerjalide kaitsmiseks ning selle kasutusalad muutuvad üha ulatuslikumaks.



4. Meditsiiniseadmed
TPU on ohutu, stabiilne ja kvaliteetne alternatiiv PVC-le. See ei sisalda kahjulikke keemilisi aineid, näiteks ftalaate, ning võib meditsiinilistes kateetrites või meditsiinikottides verre või muudesse vedelikesse sattuda, põhjustades kõrvaltoimeid. Ekstrusiooni- ja süstimiskvaliteediga TPU-d saab olemasolevates PVC-seadmetes vähese kohandamisega hõlpsasti kasutada.