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 beiden anderen 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 hochmolekulares Polyol (Ester oder Polyether, Molekulargewicht 1000–6000), 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 Weichsegment bezeichnet. Es zeichnet sich durch Flexibilität und Weichheit aus und verleiht TPU Dehnbarkeit. Die durch die Reaktion zwischen Segment B und Isocyanat entstehende Urethankette wird als Hartsegment bezeichnet und weist sowohl starre als auch harte Eigenschaften auf. Durch Anpassung des Verhältnisses der Segmente A und B können TPU-Produkte mit unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.

Je nach Weichsegmentstruktur unterscheidet man zwischen Polyester-, Polyether- und Butadientypen, die jeweils Ester-, Ether- oder Butengruppen enthalten. Je nach Hartsegmentstruktur unterscheidet man zwischen Urethan- und Urethanharnstofftypen, die jeweils aus Ethylenglykol- bzw. 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: Zu den Polyestern gehören Polytetramethylenadipinsäureglykol (PBA) ε PCL, PHC; zu den Polyethern gehören Polyoxypropylenetherglykol (PPG), Tetrahydrofuranpolyetherglykol (PTMG) usw.

(2) Diisocyanat

Das Molekulargewicht ist gering, aber die Funktion ist hervorragend. Sie dient nicht nur der Verbindung des weichen und des harten Segments, sondern verleiht dem TPU auch verschiedene gute physikalische und mechanische Eigenschaften. Die für das TPU verwendbaren 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 besitzt 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) und p-Phenyldimethylglykol (PXG).

Modifizierung der Anwendung von TPU als Härtemittel

Um die Produktkosten zu senken und die Leistung zu steigern, können thermoplastische Polyurethan-Elastomere als häufig verwendete Härtemittel verwendet werden, um verschiedene thermoplastische und modifizierte Gummimaterialien widerstandsfähiger 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. In Mischungen mit ABS können technische Thermoplaste ersetzt werden. In Kombination mit Polycarbonat (PC) weist es Eigenschaften wie Ölbeständigkeit, Kraftstoffbeständigkeit und Schlagzähigkeit 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 nachgewiesen, dass die POM-Legierung mit TPU in Zugbruchtests im Vergleich zur POM-Matrix von sprödem zu duktilem Bruch übergeht. Durch die Zugabe von TPU erhält 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 schlecht mit nichtpolaren Polymermaterialien wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk oder Gummiabfallpulver kompatibel und kann nicht zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit guter Leistung verwendet werden. Deshalb werden für Letzteres häufig Oberflächenbehandlungsmethoden wie Plasma, Corona, Nasschemie, Primer, Flamme oder Reaktivgas eingesetzt. Die American Air Products and Chemicals Company hat beispielsweise eine Oberflächenbehandlung mit F2/O2-Aktivgas an einem feinen Pulver aus ultrahochmolekularem Polyethylen mit einem Molekulargewicht von 3 bis 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 Oberflächenbehandlung mit F2/O2-Aktivgas kann auch auf gerichtete, verlängerte Kurzfasern mit einer Länge von 6 bis 35 mm angewendet werden, wodurch die Steifigkeit und Reißfestigkeit des Verbundmaterials verbessert werden können.

Was sind die Anwendungsgebiete von 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 Produktserien 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 den Bereichen Alltagsbedarf, Sportartikel, Spielzeug, 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 bieten einen deutlich höheren Tragekomfort als herkömmliche Schuhe und werden daher häufiger für hochwertige Schuhe verwendet, insbesondere für einige Sport- und Freizeitschuhe.

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 für anspruchsvolle Kabel wie Steuerkabel und Stromkabel zum Schutz der Beschichtungsmaterialien komplexer Kabelkonstruktionen 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 nicht in das Blut oder andere Flüssigkeiten im medizinischen Katheter oder im medizinischen Beutel übergeht und dort Nebenwirkungen verursacht. Darüber hinaus lässt sich das speziell entwickelte TPU in Extrusions- und Spritzgussqualität mit wenig Aufwand problemlos in bestehende PVC-Anlagen integrieren.

⑤ Fahrzeuge und andere Transportmittel

Durch Extrudieren und Beschichten beider Seiten eines Nylongewebes mit thermoplastischem Polyurethan-Elastomer können aufblasbare Kampf- und Aufklärungsflöße für 3 bis 15 Personen hergestellt werden, die eine viel 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.