1958 ließ die Goodrich Chemical Company (heute Lubrizol) die TPU-Marke Estane erstmals eintragen. In den vergangenen 40 Jahren entstanden weltweit über 20 Markennamen mit jeweils mehreren Produktreihen. Zu den wichtigsten Herstellern von TPU-Rohstoffen zählen derzeit BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, Wanhua Chemical Group, Shanghai Heng'an, Ruihua, Xuchuan Chemical u. a.
1. TPU-Kategorie
Nach der Struktur der Weichsegmente kann man zwischen Polyester-, Polyether- und Butadien-Typen unterscheiden, die jeweils Ester-, Ether- bzw. Butengruppen enthalten.
Anhand der Hartsegmentstruktur lassen sie sich in Urethan- und Urethan-Harnstoff-Typen unterteilen, die durch Kettenverlängerung mit Ethylenglykol bzw. Diamin gewonnen werden. Üblicherweise werden sie in Polyester- und Polyether-Typen unterteilt.
Je nach Vorhandensein oder Fehlen von Vernetzungen kann man zwischen reinem Thermoplasten und Halbthermoplasten unterscheiden.
Erstere besitzt eine rein lineare Struktur und keine Quervernetzungen; letztere enthält eine geringe Menge an Quervernetzungen, wie zum Beispiel Allophansäureester.
Nach Verwendungszweck der Fertigprodukte lassen sie sich unterteilen in Profilteile (verschiedene Maschinenelemente), Rohre (Mantel, Stangenprofile), Folien (Platten, dünne Bleche), Klebstoffe, Beschichtungen, Fasern usw.
2. Synthese von TPU
TPU gehört hinsichtlich seiner Molekularstruktur zu den Polyurethanen. Wie kam es also zur Aggregation?
Je nach Syntheseverfahren wird die Polymerisation hauptsächlich in Massenpolymerisation und Lösungspolymerisation unterteilt.
Bei der Polymerisation in der Masse kann man außerdem je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Vorreaktion zwischen der Vorpolymerisationsmethode und der Ein-Schritt-Methode unterscheiden:
Bei der Präpolymerisationsmethode wird Diisocyanat mit makromolekularen Diolen für eine bestimmte Zeit umgesetzt, bevor die Kettenverlängerung zur Herstellung von TPU erfolgt;
Das einstufige Verfahren beinhaltet das gleichzeitige Mischen und Umsetzen von makromolekularen Diolen, Diisocyanaten und Kettenverlängerern zur Bildung von TPU.
Bei der Lösungspolymerisation wird zunächst Diisocyanat in einem Lösungsmittel gelöst, dann werden makromolekulare Diole hinzugefügt, die über einen bestimmten Zeitraum reagieren, und schließlich werden Kettenverlängerer hinzugefügt, um TPU zu erzeugen.
Die Art des TPU-Weichsegments, das Molekulargewicht, der Anteil an Hart- oder Weichsegmenten und der Aggregationszustand des TPU können die Dichte des TPU beeinflussen, wobei die Dichte bei etwa 1,10-1,25 liegt und es keinen signifikanten Unterschied zu anderen Kautschuken und Kunststoffen gibt.
Bei gleicher Härte ist die Dichte von Polyether-TPU geringer als die von Polyester-TPU.
3. Verarbeitung von TPU
Zur Herstellung des Endprodukts aus TPU-Partikeln sind verschiedene Verarbeitungsprozesse erforderlich, wobei hauptsächlich Schmelz- und Lösungsverfahren für die TPU-Verarbeitung zum Einsatz kommen.
Das Schmelzverfahren ist ein gängiges Verfahren in der Kunststoffindustrie, wie z. B. Mischen, Walzen, Extrudieren, Blasformen und Formen;
Bei der Lösungsverarbeitung handelt es sich um den Prozess der Herstellung einer Lösung durch Auflösen von Partikeln in einem Lösungsmittel oder durch direkte Polymerisation dieser Partikel in einem Lösungsmittel und anschließendes Beschichten, Verspinnen usw.
Das aus TPU hergestellte Endprodukt benötigt im Allgemeinen keine Vulkanisationsvernetzungsreaktion, was den Produktionszyklus verkürzen und die Wiederverwertung von Abfallmaterialien ermöglichen kann.
4. Leistungsfähigkeit von TPU
TPU besitzt einen hohen Elastizitätsmodul, hohe Festigkeit, hohe Dehnbarkeit und Elastizität, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Ölbeständigkeit, Kältebeständigkeit und Alterungsbeständigkeit.
Hohe Zugfestigkeit, hohe Dehnung und geringe bleibende Verformungsrate bei Langzeitdruck sind allesamt bedeutende Vorteile von TPU.
XiaoU wird hauptsächlich auf die mechanischen Eigenschaften von TPU eingehen, und zwar unter Aspekten wie Zugfestigkeit und Dehnung, Elastizität, Härte usw.
Hohe Zugfestigkeit und hohe Dehnung
TPU weist eine ausgezeichnete Zugfestigkeit und Dehnung auf. Aus den Daten in der folgenden Abbildung geht hervor, dass die Zugfestigkeit und Dehnung von Polyether-TPU deutlich besser sind als die von Polyvinylchlorid und Gummi.
Darüber hinaus kann TPU die Anforderungen der Lebensmittelindustrie mit wenigen oder gar keinen Zusatzstoffen während der Verarbeitung erfüllen, was auch für andere Materialien wie PVC und Gummi schwer zu erreichen ist.
Die Widerstandsfähigkeit reagiert sehr empfindlich auf Temperaturänderungen.
Die Elastizität von TPU beschreibt, wie schnell es nach Entlastung der Verformungsspannung in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Sie wird als Rückstellenergie ausgedrückt, dem Verhältnis der für die Verformung benötigten Arbeit zur Arbeit, die zur Verformung erforderlich war. Sie ist eine Funktion des dynamischen Moduls und der inneren Reibung eines elastischen Körpers und reagiert sehr empfindlich auf Temperaturänderungen.
Die Rückstellkraft nimmt mit sinkender Temperatur bis zu einer bestimmten Temperatur ab, danach steigt die Elastizität rapide wieder an. Diese Temperatur ist die Kristallisationstemperatur des Weichsegments, die durch die Struktur des makromolekularen Diols bestimmt wird. Polyether-TPU weist eine niedrigere Kristallisationstemperatur auf als Polyester-TPU. Unterhalb der Kristallisationstemperatur wird das Elastomer sehr hart und verliert seine Elastizität. Daher ähnelt die Rückstellkraft dem Abprallen von der Oberfläche eines harten Metalls.
Der Härtebereich liegt zwischen Shore A60 und D80.
Die Härte ist ein Indikator für die Fähigkeit eines Materials, Verformungen, Riefen und Kratzern zu widerstehen.
Die Härte von TPU wird üblicherweise mit Shore-A- und Shore-D-Härteprüfgeräten gemessen, wobei Shore A für weichere TPUs und Shore D für härtere TPUs verwendet wird.
Die Härte von TPU lässt sich durch Anpassung des Verhältnisses von weichen und harten Kettensegmenten einstellen. Daher weist TPU einen relativ breiten Härtebereich von Shore A60 bis D80 auf, der die Härte von Gummi und Kunststoff umfasst, und besitzt über den gesamten Härtebereich eine hohe Elastizität.
Mit der Änderung der Härte können sich einige Eigenschaften von TPU verändern. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Härte von TPU zu Leistungsänderungen wie einem erhöhten Zugmodul und einer höheren Reißfestigkeit, einer erhöhten Steifigkeit und Druckspannung (Belastbarkeit), einer verringerten Dehnung, einer erhöhten Dichte und dynamischen Wärmeentwicklung sowie einer erhöhten Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.
5. Anwendung von TPU
Als hervorragendes Elastomer bietet TPU ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten in der Weiterverarbeitung und findet breite Verwendung in Alltagsgegenständen, Sportartikeln, Spielzeug, Dekorationsmaterialien und anderen Bereichen.
Schuhmaterialien
TPU wird aufgrund seiner hervorragenden Elastizität und Abriebfestigkeit hauptsächlich für Schuhmaterialien verwendet. Schuhe mit TPU-Anteil bieten einen deutlich höheren Tragekomfort als herkömmliche Schuhe und finden daher vor allem bei hochwertigen Schuhen, insbesondere Sport- und Freizeitschuhen, breite Anwendung.
Schlauch
Aufgrund ihrer Weichheit, guten Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen werden TPU-Schläuche in China häufig als Gas- und Ölschläuche für mechanische Geräte wie Flugzeuge, Panzer, Automobile, Motorräder und Werkzeugmaschinen eingesetzt.
Kabel
TPU bietet Reißfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Biegeeigenschaften, wobei die Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen entscheidend für die Kabelleistung ist. Daher werden auf dem chinesischen Markt moderne Kabel wie Steuer- und Stromkabel mit TPUs zum Schutz der Beschichtungsmaterialien komplexer Kabelkonstruktionen ausgestattet, und ihre Anwendung findet zunehmend Verbreitung.
Medizinprodukte
TPU ist ein sicheres, stabiles und hochwertiges PVC-Ersatzmaterial, das weder Phthalate noch andere schädliche Chemikalien enthält und nicht in das Blut oder andere Flüssigkeiten im medizinischen Katheter oder Beutel übergeht, um Nebenwirkungen zu verursachen. Es handelt sich um speziell entwickeltes TPU in Extrusions- und Spritzgussqualität.
Film
TPU-Folie ist eine dünne Folie, die aus TPU-Granulat durch spezielle Verfahren wie Walzen, Gießen, Blasen und Beschichten hergestellt wird. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Verschleißfestigkeit, guten Elastizität und Witterungsbeständigkeit findet TPU-Folie breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen, z. B. bei Schuhmaterialien, Bekleidung, in der Automobilindustrie, der Chemie-, Elektronik- und Medizintechnik sowie in weiteren Bereichen.
Veröffentlichungsdatum: 05.02.2020