Was ist thermoplastisches Polyurethan-Elastomer?

Was ist thermoplastisches Polyurethan-Elastomer?

Polyurethan-Elastomer ist eine Vielfalt an synthetischen Polyurethan-Materialien (andere Varianten sind Polyurethanschaum, Polyurethan-Klebstoff, Polyurethan-Beschichtung und Polyurethanfaser). Thermoplastisches Polyurethan-Elastomer ist eine der drei Arten von Polyurethan-Elastomeren und wird üblicherweise 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 in Lösungsmitteln gelöst werden kann. Im Vergleich zu CPU und MPU weist TPU in seiner chemischen Struktur nur geringe oder gar keine chemische Vernetzung auf. Seine Molekülketten sind im Wesentlichen linear, es existieren jedoch gewisse physikalische Vernetzungen. Es handelt sich um ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer sehr charakteristischen Struktur.

Struktur und Klassifizierung von TPU

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

In der Struktur von thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren (TPU) wird das Segment A als Weichsegment bezeichnet. Es zeichnet sich durch Flexibilität und Weichheit aus und verleiht dem TPU seine Dehnbarkeit. Die durch die Reaktion zwischen dem Segment B und Isocyanat entstehende Urethankette wird als Hartsegment bezeichnet und besitzt sowohl Steifigkeit als auch Härte. Durch die Anpassung des Verhältnisses von A- und B-Segment lassen sich TPU-Produkte mit unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften herstellen.

Entsprechend ihrer Weichsegmentstruktur lassen sie sich in Polyester-, Polyether- und Butadientypen unterteilen, die jeweils Ester-, Ether- bzw. Butengruppen enthalten. Anhand ihrer Hartsegmentstruktur können sie in Urethan- und Urethan-Harnstoff-Typen unterteilt werden, die durch Kettenverlängerung mit Ethylenglykol bzw. Diamin entstehen. Üblicherweise werden sie in Polyester- und Polyethertypen unterteilt.

Welche Rohstoffe werden für die TPU-Synthese benötigt?

(1) Polymer Diol

Makromolekulare Diole mit einem Molekulargewicht von 500 bis 4000 und bifunktionellen Gruppen, die in TPU-Elastomeren einen Anteil von 50 bis 80 % aufweisen, spielen eine entscheidende Rolle für die physikalischen und chemischen Eigenschaften von TPU.

Die für TPU-Elastomere geeigneten Polymere Diol können in Polyester und Polyether unterteilt werden: Zu den Polyestern gehören Polytetramethylen-Adipinsäureglykol (PBA) ε PCL, PHC; zu den Polyethern gehören Polyoxypropylenetherglykol (PPG), Tetrahydrofuran-Polyetherglykol (PTMG) usw.

(2) Diisocyanat

Das Molekulargewicht ist gering, die Funktion jedoch herausragend. Es verbindet nicht nur die weichen und harten Segmente, sondern verleiht dem TPU auch diverse positive physikalische und mechanische Eigenschaften. Geeignete Diisocyanate für TPU sind beispielsweise Methylendiphenyldiisocyanat (MDI), Methylenbis(4-cyclohexylisocyanat) (HMDI), p-Phenyldiisocyanat (PPDI), 1,5-Naphthalindiisocyanat (NDI) und p-Phenyldimethyldiisocyanat (PXDI).

(3) Kettenverlängerer

Kettenverlängerer mit einem Molekulargewicht von 100–350, die zu den niedermolekularen Diolen gehören, ein niedriges Molekulargewicht aufweisen, eine offene Kettenstruktur besitzen und keine Substituentengruppen aufweisen, tragen 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.

Modifizierungsanwendung von TPU als Härtungsmittel

Um die Produktkosten zu senken und zusätzliche Leistung zu erzielen, können thermoplastische Polyurethan-Elastomere als gängige Zähigkeitsmittel zur Verbesserung der Zähigkeit verschiedener thermoplastischer und modifizierter Gummimaterialien eingesetzt werden.

Aufgrund seiner hohen Polarität ist Polyurethan mit polaren Harzen oder Kautschuken wie chloriertem Polyethylen (CPE) kompatibel, das zur Herstellung von Medizinprodukten verwendet werden kann. Durch die Mischung mit ABS kann es technische Thermoplaste ersetzen. In Kombination mit Polycarbonat (PC) weist es Eigenschaften wie Öl-, Kraftstoff- und Schlagfestigkeit auf und eignet sich für den Bau von Karosserien. Die Kombination mit Polyester verbessert die Zähigkeit. Darüber hinaus ist es gut mit PVC, Polyoxymethylen oder PVDC kompatibel. Polyester-Polyurethan ist gut mit 15 % Nitrilkautschuk oder einer 40 % Nitrilkautschuk/PVC-Mischung kompatibel. Polyether-Polyurethan ist ebenfalls gut mit einem 40 % Nitrilkautschuk/Polyvinylchlorid-Klebstoffgemisch kompatibel. Es ist außerdem mit Acrylnitril-Styrol (SAN)-Copolymeren co-kompatibel. Mit reaktiven Polysiloxanen bildet es interpenetrierende Netzwerkstrukturen (IPN). Die meisten der oben genannten Mischklebstoffe sind bereits auf dem Markt erhältlich.

In den letzten Jahren wurde in China verstärkt an der Verbesserung der Zähigkeit von POM durch TPU geforscht. Die Mischung von TPU und POM verbessert nicht nur die Hochtemperaturbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften von TPU, sondern erhöht auch die Zähigkeit von POM signifikant. Einige Forscher konnten zeigen, dass die POM-Legierung mit TPU im Vergleich zur reinen POM-Matrix in Zugversuchen ein duktiles Bruchverhalten aufweist. Die Zugabe von TPU verleiht POM zudem Formgedächtniseigenschaften. Die kristallinen Bereiche des POM bilden die feste Phase der Formgedächtnislegierung, während die amorphen Bereiche von amorphem TPU und POM die reversible Phase darstellen. Bei einer Rückstelltemperatur von 165 °C und einer Rückstellzeit von 120 Sekunden erreicht die Legierung eine Rückstellrate von über 95 % und erzielt damit den besten Rückstelleffekt.

TPU ist schwer mit unpolaren Polymermaterialien wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk oder Altgummipulver zu kombinieren und eignet sich daher nicht zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit guten Eigenschaften. Aus diesem Grund werden häufig Oberflächenbehandlungsverfahren wie Plasma-, Corona-, Nasschemie-, Primer-, Flammen- oder Reaktionsgasbehandlungen eingesetzt. Beispielsweise hat die amerikanische Firma Air Products and Chemicals eine F₂/O₂-Aktivgas-Oberflächenbehandlung an ultrahochmolekularem Polyethylen-Feinpulver mit einem Molekulargewicht von 3–5 Millionen durchgeführt und dieses in einem Verhältnis von 10 % zu Polyurethan-Elastomer hinzugefügt. Dadurch konnten Biegemodul, Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit deutlich verbessert werden. Die F₂/O₂-Aktivgas-Oberflächenbehandlung kann auch auf gerichtet gestreckte Kurzfasern mit einer Länge von 6–35 mm angewendet werden, wodurch die Steifigkeit und Reißfestigkeit des Verbundwerkstoffs erhöht werden.

In welchen Bereichen findet TPU Anwendung?

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 weltweit führenden Herstellern von TPU-Rohstoffen zählen derzeit BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding u. a.

Als hervorragendes Elastomer findet TPU in einer Vielzahl von Folgeprodukten Anwendung, darunter Alltagsgegenstände, Sportartikel, Spielzeug, Dekorationsmaterialien und weitere Bereiche. Nachfolgend einige Beispiele.

① 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.

② Schläuche

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.

③ 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.

④ 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 in medizinischen Kathetern oder Beuteln übergeht, um Nebenwirkungen zu verursachen. Darüber hinaus lässt sich das speziell entwickelte extrusions- und spritzgussgeeignete TPU mit geringfügigen Anpassungen problemlos in bestehende PVC-Anlagen integrieren.

⑤ Fahrzeuge und andere Transportmittel

Durch Extrudieren und beidseitiges Beschichten von Nylongewebe mit thermoplastischem Polyurethan-Elastomer lassen sich aufblasbare Kampf- und Aufklärungsflöße für 3-15 Personen herstellen, die eine deutlich bessere Leistung als aufblasbare Flöße aus vulkanisiertem Gummi aufweisen. Mit Glasfasern verstärktes thermoplastisches Polyurethan-Elastomer kann zur Herstellung von Karosserieteilen wie Formteilen an beiden Seiten des Fahrzeugs, Türverkleidungen, Stoßfängern, Antifriktionsleisten und Kühlergrills verwendet werden.