Was ist thermoplastisches Polyurethan-Elastomer?

Was ist thermoplastisches Polyurethan-Elastomer?

Polyurethan-Elastomer ist eine Art synthetischer Polyurethan-Werkstoffe (andere Arten sind Polyurethan-Schaum, Polyurethan-Klebstoff, Polyurethan-Beschichtung und Polyurethan-Faser), und thermoplastisches Polyurethan-Elastomer ist eine der drei Arten von Polyurethan-Elastomeren. Im Volksmund wird es als TPU bezeichnet (die anderen beiden Hauptarten von Polyurethan-Elastomeren sind gegossene Polyurethan-Elastomere, abgekürzt CPU, und gemischte Polyurethan-Elastomere, abgekürzt MPU).

TPU ist ein Polyurethan-Elastomer, das durch Erhitzen plastifiziert und durch Lösungsmittel aufgelöst werden kann. Im Vergleich zu CPU und MPU weist TPU in seiner chemischen Struktur nur eine geringe oder gar keine chemische Vernetzung auf. Die Molekülkette ist grundsätzlich linear, weist jedoch eine gewisse physikalische Vernetzung auf. Dies ist ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer sehr charakteristischen Struktur.

Aufbau und Klassifizierung von TPU

Thermoplastisches Polyurethan-Elastomer ist ein lineares Blockpolymer (AB). A steht für ein Polymerpolyol (Ester oder Polyether, Molekulargewicht 1000–6000) mit hohem Molekulargewicht, das als langkettig bezeichnet wird. B steht für ein Diol mit 2–12 geradkettigen Kohlenstoffatomen, das als kurzkettig bezeichnet wird.

In der Struktur des thermoplastischen Polyurethan-Elastomers wird Segment A als weiches Segment bezeichnet, das die Eigenschaften Flexibilität und Weichheit aufweist und TPU Dehnbarkeit verleiht. Die durch die Reaktion zwischen Segment B und Isocyanat entstehende Urethankette wird als hartes Segment bezeichnet, das sowohl starre als auch harte Eigenschaften aufweist. Durch Anpassung des Verhältnisses der Segmente A und B werden TPU-Produkte mit unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt.

Je nach Weichsegmentstruktur kann man zwischen Polyester-, Polyether- und Butadientypen unterscheiden, die jeweils Ester-, Ether- oder Butengruppen enthalten. Je nach Hartsegmentstruktur kann man zwischen Urethan- und Urethan-Harnstofftypen unterscheiden, die jeweils aus Ethylenglykol- oder Diaminkettenverlängerern gewonnen werden. Die übliche Klassifizierung ist Polyester- und Polyethertypen.

Was sind die Rohstoffe für die TPU-Synthese?

(1) Polymerdiol

Makromolekulare Diole mit einem Molekulargewicht von 500 bis 4000 und bifunktionellen Gruppen, deren Anteil im TPU-Elastomer 50 % bis 80 % beträgt, spielen eine entscheidende Rolle für die physikalischen und chemischen Eigenschaften von TPU.

Das für TPU-Elastomere geeignete Polymerdiol kann in Polyester und Polyether unterteilt werden: Polyester umfasst Polytetramethylenadipinsäureglykol (PBA) ε PCL, PHC; Polyether umfassen Polyoxypropylenetherglykol (PPG), Tetrahydrofuranpolyetherglykol (PTMG) usw.

(2) Diisocyanat

Das Molekulargewicht ist gering, aber die Funktion ist hervorragend. Sie spielt nicht nur die Rolle der Verbindung des weichen und des harten Segments, sondern verleiht dem TPU auch verschiedene gute physikalische und mechanische Eigenschaften. Die für das TPU anwendbaren Diisocyanate sind: Methylendiphenyldiisocyanat (MDI), Methylenbis(-4-cyclohexylisocyanat) (HMDI), p-Phenyldiisocyanat (PPDI), 1,5-Naphthalindiisocyanat (NDI), p-Phenyldimethyldiisocyanat (PXDI) usw.

(3) Kettenverlängerer

Der Kettenverlängerer mit einem Molekulargewicht von 100–350, der zu den niedermolekularen Diolen gehört, ein geringes Molekulargewicht hat, eine offene Kettenstruktur aufweist und keine Substituentengruppe aufweist, trägt zur Erzielung einer hohen Härte und eines hohen Skalargewichts von TPU bei. Zu den für TPU geeigneten Kettenverlängerern gehören 1,4-Butandiol (BDO), 1,4-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol (HQEE), 1,4-Cyclohexandimethanol (CHDM), p-Phenyldimethylglykol (PXG) usw.

Modifizierung der Anwendung von TPU als Härtungsmittel

Um die Produktkosten zu senken und die Leistung zu steigern, können thermoplastische Polyurethan-Elastomere als häufig verwendete Zähigkeitsmittel verwendet werden, um verschiedene thermoplastische und modifizierte Gummimaterialien zäher zu machen.

Aufgrund seiner hohen Polarität ist Polyurethan mit polaren Harzen oder Kautschuken wie chloriertem Polyethylen (CPE) kompatibel, das zur Herstellung medizinischer Produkte verwendet werden kann. Durch Mischung mit ABS können technische Thermoplaste ersetzt werden. In Kombination mit Polycarbonat (PC) weist es Eigenschaften wie Ölbeständigkeit, Kraftstoffbeständigkeit und Schlagfestigkeit auf und kann zur Herstellung von Karosserien verwendet werden. In Kombination mit Polyester kann seine Zähigkeit verbessert werden. Darüber hinaus ist es gut mit PVC, Polyoxymethylen oder PVDC kompatibel. Polyesterpolyurethan ist gut mit 15 % Nitrilkautschuk oder 40 % Nitrilkautschuk/PVC-Mischungen kompatibel. Polyetherpolyurethan ist auch gut mit Klebstoffen aus 40 % Nitrilkautschuk/Polyvinylchlorid-Mischungen kompatibel. Es ist auch mit Acrylnitril-Styrol-Copolymeren (SAN) kompatibel. Es kann mit reaktiven Polysiloxanen interpenetrierende Netzwerkstrukturen (IPN) bilden. Die überwiegende Mehrheit der oben genannten Mischklebstoffe wird bereits offiziell hergestellt.

In den letzten Jahren wurde in China verstärkt an der Härtung von POM durch TPU geforscht. Die Mischung von TPU und POM verbessert nicht nur die Temperaturbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften von TPU, sondern macht POM auch deutlich widerstandsfähiger. Forscher haben gezeigt, dass die POM-Legierung mit TPU in Zugbruchtests im Vergleich zur POM-Matrix von sprödem zu duktilem Bruch übergeht. Die Zugabe von TPU verleiht POM außerdem ein Formgedächtnis. Der kristalline Bereich von POM dient als feste Phase der Formgedächtnislegierung, während der amorphe Bereich von amorphem TPU und POM als reversible Phase dient. Bei einer Rückstelltemperatur von 165 °C und einer Rückstellzeit von 120 Sekunden erreicht die Rückstellrate der Legierung über 95 % und der Rückstelleffekt ist optimal.

TPU ist schwer mit nichtpolaren Polymermaterialien wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk oder Altgummipulver kompatibel und kann nicht zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit guter Leistung verwendet werden. Daher werden für Letzteres häufig Oberflächenbehandlungsmethoden wie Plasma, Corona, Nasschemie, Primer, Flamme oder reaktives Gas verwendet. Die American Air Products and Chemicals Company hat beispielsweise eine F2/O2-Aktivgas-Oberflächenbehandlung an feinem Polyethylenpulver mit ultrahohem Molekulargewicht (3-5 Millionen) durchgeführt und es in einem Verhältnis von 10 % zu Polyurethan-Elastomer hinzugefügt, wodurch dessen Biegemodul, Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit deutlich verbessert werden konnten. Und die F2/O2-Aktivgas-Oberflächenbehandlung kann auch auf gerichtete, verlängerte Kurzfasern mit einer Länge von 6-35 mm angewendet werden, wodurch die Steifigkeit und Reißfestigkeit des Verbundmaterials verbessert werden können.

Welche Anwendungsgebiete gibt es für TPU?

1958 registrierte die Goodrich Chemical Company (heute Lubrizol) erstmals die TPU-Marke Estane. In den letzten 40 Jahren entstanden weltweit über 20 Markennamen, von denen jede mehrere Produktreihen umfasst. Die wichtigsten TPU-Rohstoffhersteller weltweit sind derzeit: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding usw.

Als hervorragendes Elastomer verfügt TPU über eine breite Palette an Folgeprodukten, die in der täglichen Bedarfsartikelbranche, in Sportartikeln, Spielzeugen, Dekorationsmaterialien und anderen Bereichen weit verbreitet sind. Nachfolgend einige Beispiele.

① Schuhmaterialien

TPU wird aufgrund seiner hervorragenden Elastizität und Verschleißfestigkeit hauptsächlich für Schuhmaterialien verwendet. Schuhe mit TPU sind deutlich angenehmer zu tragen als herkömmliche Schuhe und werden daher häufiger in hochwertigen Schuhen verwendet, insbesondere in einigen Sport- und Freizeitschuhen.

② Schläuche

Aufgrund ihrer Weichheit, guten Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen werden TPU-Schläuche in China häufig als Gas- und Ölschläuche für mechanische Geräte wie Flugzeuge, Panzer, Autos, Motorräder und Werkzeugmaschinen verwendet.

③ Kabel

TPU bietet Reißfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Biegeeigenschaften, wobei die Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen entscheidend für die Kabelleistung ist. Auf dem chinesischen Markt werden TPUs daher zum Schutz der Beschichtungsmaterialien komplexer Kabelkonstruktionen für hochentwickelte Kabel wie Steuerkabel und Stromkabel verwendet, und ihre Anwendung findet immer mehr Verbreitung.

④ Medizinische Geräte

TPU ist ein sicheres, stabiles und hochwertiges PVC-Ersatzmaterial, das frei von Phthalaten und anderen chemischen Schadstoffen ist und in das Blut oder andere Flüssigkeiten im medizinischen Katheter oder im medizinischen Beutel übergeht und dort Nebenwirkungen verursacht. Darüber hinaus kann das speziell entwickelte TPU in Extrusions- und Injektionsqualität mit ein wenig Debugging problemlos in der vorhandenen PVC-Ausrüstung verwendet werden.

⑤ Fahrzeuge und andere Transportmittel

Durch Extrudieren und beidseitiges Beschichten von Nylongewebe mit thermoplastischem Polyurethan-Elastomer können aufblasbare Kampf- und Aufklärungsflöße für 3–15 Personen hergestellt werden, die eine wesentlich bessere Leistung als Schlauchboote aus vulkanisiertem Gummi aufweisen. Aus glasfaserverstärktem thermoplastischem Polyurethan-Elastomer können Karosseriekomponenten wie Formteile auf beiden Seiten des Fahrzeugs selbst, Türverkleidungen, Stoßfänger, Gleitstreifen und Kühlergrills hergestellt werden.