Термопластичный полиуретан ( TPU ) — это любой из класса полиуретановых пластиков со многими свойствами, включая эластичность , прозрачность и устойчивость к маслу, смазке и истиранию. Технически, это термопластичные эластомеры, состоящие из линейных сегментированных блок-сополимеров, состоящих из твердых и мягких сегментов.
TPU представляет собой блок-сополимер, состоящий из чередующихся последовательностей жестких и мягких сегментов или доменов, образованных реакцией (1) диизоцианатов с короткоцепочечными диолами (так называемыми удлинителями цепи) и (2) диизоцианатов с длинноцепочечными диолами . Изменяя соотношение, структуру и/или молекулярную массу реакционных соединений, можно получить огромное разнообразие различных TPU. Это позволяет химикам, работающим с уретанами, точно настраивать структуру полимера в соответствии с желаемыми конечными свойствами материала.
Смола TPU состоит из линейных полимерных цепей в блочных структурах. Такие цепи содержат сегменты с низкой полярностью , которые довольно длинные (называемые мягкими сегментами), чередующиеся с более короткими сегментами с высокой полярностью (называемые жесткими сегментами). Оба типа сегментов связаны ковалентными связями, так что они фактически образуют блок-сополимеры. Смешиваемость твердых и мягких сегментов в TPU зависит от разницы в их температуре стеклования (Tg) [1] , которая возникает в начале микроброуновского сегментарного движения, идентифицируемого динамическими механическими спектрами. Для несмешивающегося TPU спектр модуля потерь обычно показывает двойные пики, каждый из которых приписывается Tg одного компонента. Если два компонента смешиваются, TPU будет характеризоваться одним широким пиком, положение которого лежит между двумя исходными пиками Tg чистых компонентов.
Полярность твердых частиц создает сильное притяжение между ними, что вызывает высокую степень агрегации и порядка в этой фазе, образуя кристаллические или псевдокристаллические области, расположенные в мягкой и гибкой матрице. Это так называемое фазовое разделение между обоими блоками может быть более или менее важным в зависимости от полярности и молекулярной массы гибкой цепи, условий производства и т. д. Кристаллические или псевдокристаллические области действуют как физические поперечные связи , которые обуславливают высокий уровень эластичности ТПУ, тогда как гибкие цепи будут придавать полимеру характеристики удлинения.
Однако эти «псевдосшивки» исчезают под воздействием тепла, и поэтому к этим материалам применимы классические методы обработки: экструзия , литье под давлением и каландрирование . Следовательно, отходы ТПУ можно перерабатывать повторно.
ТПУ имеет множество применений, включая автомобильные приборные панели, роликовые колеса, электроинструменты, спортивные товары, медицинские приборы, приводные ремни, обувь, надувные плоты, пожарные шланги, наконечники буферных грузов и различные экструдированные пленки, листы и профили. [2] [3] ТПУ также является популярным материалом, который используется в гибких внешних корпусах таких устройств, как мобильные телефоны и защитные чехлы для клавиатур. [4]
ТПУ хорошо известен своим применением в оболочках проводов и кабелей, шлангах и трубках, в клеевых и текстильных покрытиях, а также в качестве модификатора ударопрочности других полимеров. [5] Он также используется в высокопроизводительных пленках, таких как ударопрочные стеклянные конструкции.
TPU — это термопластичный эластомер, используемый в 3D-печати методом наплавления нитей (FFD). Отсутствие деформации и отсутствие необходимости в грунтовке делает его идеальным филаментом для 3D-принтеров, когда объекты должны быть гибкими и эластичными. Поскольку TPU является термопластиком, его можно расплавить горячим концом 3D-принтера, напечатать, а затем охладить до состояния эластичного твердого вещества. Порошки TPU также используются для других процессов 3D-печати, таких как селективное лазерное спекание (SLS) и струйная 3D-печать . Он также используется в больших вертикальных литьевых или экструзионных машинах для прямой печати без промежуточного этапа экструзии нитей или подготовки порошка.
Свойства коммерчески доступных ТПУ включают:
Существующие в настоящее время термопластичные полиуретаны можно разделить на две основные группы в зависимости от химического состава мягких сегментов:
Различия между этими двумя группами представлены в таблице ниже.
Таблица 1: Основные различия между ТПУ на основе полиэстера и полиэфира. [6]
(A = отлично; B = хорошо; C = приемлемо; D = плохо; F = очень плохо)
TPU является правильным выбором, когда требуется гибкость при низких температурах и/или износостойкий термопластичный эластомер (TPE). TPU на основе полиэфира в случаях, когда требуется дополнительная превосходная устойчивость к гидролизу и микробам, а также в случаях, когда важна экстремальная гибкость при низких температурах. TPU на основе эфира в случаях, когда более важна устойчивость к маслам и смазкам.
Когда требуется стабильный светлый цвет и отсутствие пожелтения, используется алифатический ТПУ на основе алифатических изоцианатов .
Компания BASF стала пионером в области сшивания во время трансформации ТПУ, что стало возможным благодаря добавлению жидких сшивающих агентов или использованию твердой гранулированной добавки- мастербатча . Растительный био-ТПУ был разработан для применения в качестве зеленого термопластичного эластомера компаниями BASF, Merquinsa-Lubrizol и GRECO и продается под торговыми марками Elastollan N, Pearlthane ECO и Isothane соответственно.
ТПУ может содержать силоксаны , некоторые из которых считаются веществами, вызывающими очень большую озабоченность в Европейском Союзе. [7] [8]