什麼是熱塑性聚氨酯彈性體？

什麼是熱塑性聚氨酯彈性體？

聚氨酯彈性體是多種聚氨酯合成材料（其他種類包括聚氨酯泡沫、聚氨酯彈性體、聚氨酯塗料和聚氨酯纖維），熱塑性聚氨酯彈性體是三種聚氨酯彈性體之一，人們通常稱為TPU（另外兩種主要的聚氨酯彈性體是澆鑄聚氨酯彈性體，簡稱CPU，和混合聚氨酯彈性體，簡稱CPU）。

熱塑性聚氨酯（TPU）是一種可透過加熱來增塑、溶劑溶解的聚氨酯彈性體。與CPU和MPU相比，TPU的化學結構中幾乎沒有化學交聯。其分子鏈基本上呈線性，但存在一定程度的物理交聯。這是熱塑性聚氨酯彈性體結構上非常獨特的特性。

TPU的結構與分類

熱塑性聚氨酯彈性體是一種(AB)嵌段線性聚合物。 A代表高分子量的聚合物多元醇（酯或聚醚，分子量為1000~6000），稱為長鏈；B代表含有2-12個直鏈碳原子的二醇，稱為短鏈。

在熱塑性聚氨酯彈性體的結構中，A段稱為軟段，具有柔韌性和柔軟性，使TPU具有延展性；B段與異氰酸酯反應生成的氨基甲酸酯鏈稱為硬段，兼具剛性和硬度。透過調節A段和B段的比例，可以製備出具有不同物理和機械性質的TPU產品。

根據軟段結構，可分為聚酯型、聚醚型和丁二烯型，分別含有酯基、醚基或丁烯基。根據硬段結構，可分為氨基甲酸酯型和氨基甲酸酯脲型，分別由乙二醇擴鏈劑或二胺擴鏈劑製得。常用分類為聚酯型和聚醚型。

TPU合成的原料有哪些？

（1）聚合物二醇

分子量範圍為 500 至 4000 且含有雙官能基的大分子二醇，在 TPU 彈性體中的含量為 50% 至 80%，對 TPU 的物理和化學性質起著決定性作用。

適用於TPU彈性體的聚合物二醇可分為聚酯和聚醚：聚酯包括聚四亞甲基己二酸二醇（PBA）、ε-聚己內酯（PCL）、聚己內酯（PHC）；聚醚包括聚氧丙烯醚二醇（PPG）、四氫呋喃聚醚二醇（PTMG）等。

（2）二異氰酸酯

此二異氰酸酯分子量雖小，但功能優異，不僅起到連接軟段和硬段的作用，而且賦予TPU多種優異的物理和機械性能。適用於TPU的二異氰酸酯包括：亞甲基二苯基二異氰酸酯（MDI）、亞甲基雙（-4-環己基異氰酸酯）（HMDI）、對苯基二異氰酸酯（PPDI）、1,5-萘二異氰酸酯（NDI）、對苯基二甲基二異氰酸酯（PXDI）等。

（3）鏈條延長器

分子量為100~350的小分子二醇類擴鏈劑，具有小分子量、開鏈結構且無取代基等特點，有利於獲得高硬度和高標稱重量的TPU。適用於TPU的擴鏈劑包括1,4-丁二醇（BDO）、1,4-雙（2-羥基乙氧基）苯（HQEE）、1,4-環己烷二甲醇（CHDM）、對苯基二甲基乙二醇（PXG）等。

TPU改質作為增韌劑的應用

為了降低產品成本並獲得額外的性能，聚氨酯熱塑性彈性體可用作常用的增韌劑，以增強各種熱塑性橡膠和改性橡膠材料的韌性。

由於其高極性，聚氨酯可與極性樹脂或橡膠（例如氯化聚乙烯 (CPE)）相容，後者可用於製造醫療產品；與ABS共混可替代工程熱塑性塑膠；與聚碳酸酯 (PC)複合使用時，具有耐油、耐燃料和抗衝擊等性能，可用於製造汽車車身；與聚酯複合可提高其韌性；此外，它與PVC、聚甲醛或PVDC具有良好的相容性；聚酯型聚氨酯與15%丁腈橡膠或40%丁腈橡膠/PVC共混物具有良好的相容性；聚醚醚結合氨酯也與氯氧(SAN) 共聚物相容；它可與反應性聚矽氧烷形成互穿網絡 (IPN) 結構。上述絕大多數共混黏合劑已正式生產。

近年來，國內對TPU增韌POM的研究日益增加。 TPU與POM的共混不僅提高了TPU的耐高溫性能和機械性能，而且顯著增強了POM的韌性。一些研究表明，在拉伸斷裂試驗中，與POM基體相比，POM與TPU的合金斷裂行為由脆性斷裂轉變為韌性斷裂。 TPU的加入也賦予了POM形狀記憶表現。 POM的結晶區作為形狀記憶合金的固定相，而非晶態TPU和POM的非晶區則作為可逆相。回復溫度為165℃，回復時間為120秒時，合金的回復率可達95%以上，回復效果最佳。

TPU難以與聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡膠、丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠或廢橡膠粉等非極性聚合物材料相容，因此無法用於製備性能優異的複合材料。為此，通常採用等離子、電暈、濕化學、底塗、火焰或活性氣體等表面處理方法。例如，美國空氣產品公司（Air Products and Chemicals Company）對分子量為300萬至500萬的超高分子量聚乙烯細粉進行了F2/O2活性氣體表面處理，並將其以10%的比例添加到聚氨酯彈性體中，顯著提高了其彎曲模量、拉伸強度和耐磨性。此外，F2/O2活性氣體表面處理也可應用於長度為6-35mm的定向拉伸短纖維，進而提高複合材料的剛度和撕裂韌性。

TPU有哪些應用領域？

1958年，古德里奇化學公司（現已更名為路博潤）首次註冊了TPU品牌「Estane」。 40多年來，全球已出現20多個TPU品牌，每個品牌下方有多個系列產品。目前，全球主要的TPU原料生產商有：巴斯夫、科思創、路博潤、亨斯邁、麥肯錫、高丁等。

作為一種優良的彈性體，TPU擁有廣泛的下游產品，廣泛應用於日用品、運動用品、玩具、裝飾材料等領域。以下是一些範例。

① 鞋材

TPU因其優異的彈性和耐磨性，主要用於鞋材。含有TPU的鞋類產品比一般鞋類產品穿著更舒適，因此在高檔鞋類產品中得到更廣泛的應用，尤其是在一些運動鞋和休閒鞋中。

②軟管

由於其柔軟性、良好的拉伸強度、衝擊強度以及耐高低溫性能，TPU軟管在中國被廣泛用作飛機、坦克、汽車、摩托車和工具機等機械設備的氣體和油管。

③ 電纜

TPU具有優異的抗撕裂性、耐磨性和抗彎曲性，其耐高低溫性能是電纜性能的關鍵。因此，在中國市場，控制電纜和電力電纜等先進電纜採用TPU來保護複雜電纜結構的塗層材料，其應用日益廣泛。

④ 醫療器械

TPU是一種安全、穩定、優質的PVC替代材料，不含鄰苯二甲酸酯等有害化學物質，不會遷移到醫用導管或醫用袋中的血液或其他液體中引起副作用。此外，特製的擠出級和射出級TPU只需稍加調試即可輕鬆應用於現有的PVC設備。

⑤ 車輛及其他交通工具

透過在尼龍織物的兩面擠出並塗覆聚氨酯熱塑性彈性體，可以製造出可搭載 3-15 人的充氣式戰鬥攻擊筏和偵察筏，其性能比硫化橡膠充氣筏好得多；用玻璃纖維增強的聚氨酯熱塑性彈性體可用於製造車身部件，例如汽車兩側的模製部件和保險部件。