Chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo là gì?

Chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo là gì?

Chất đàn hồi polyurethane là một loại vật liệu tổng hợp polyurethane (các loại khác bao gồm bọt polyurethane, chất kết dính polyurethane, lớp phủ polyurethane và sợi polyurethane), và chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo là một trong ba loại chất đàn hồi polyurethane. Người ta thường gọi nó là TPU (hai loại chất đàn hồi polyurethane chính khác là chất đàn hồi polyurethane đúc, viết tắt là CPU, và chất đàn hồi polyurethane hỗn hợp, viết tắt là MPU).

TPU là một loại chất đàn hồi polyurethane có thể được làm dẻo bằng cách đun nóng và hòa tan bằng dung môi. So với CPU và MPU, TPU có rất ít hoặc không có liên kết ngang hóa học trong cấu trúc hóa học của nó. Chuỗi phân tử của nó về cơ bản là tuyến tính, nhưng có một lượng nhất định các liên kết ngang vật lý. Đây là chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo có cấu trúc rất đặc trưng.

Cấu trúc và phân loại TPU

Chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo là một polyme mạch thẳng khối (AB). A đại diện cho một polyol polyme (este hoặc polyete, trọng lượng phân tử từ 1000 đến 6000) có trọng lượng phân tử cao, được gọi là mạch dài; B đại diện cho một diol chứa 2-12 nguyên tử cacbon mạch thẳng, được gọi là mạch ngắn.

Trong cấu trúc của chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo (TPU), đoạn A được gọi là đoạn mềm, có đặc tính dẻo và mềm mại, giúp TPU có khả năng kéo giãn; chuỗi urethane được tạo ra bởi phản ứng giữa đoạn B và isocyanate được gọi là đoạn cứng, có cả tính chất cứng và chắc. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ của đoạn A và B, người ta tạo ra các sản phẩm TPU với các tính chất vật lý và cơ học khác nhau.

Theo cấu trúc đoạn mềm, nó có thể được chia thành loại polyester, loại polyether và loại butadiene, tương ứng chứa nhóm ester, nhóm ether hoặc nhóm butene. Theo cấu trúc đoạn cứng, nó có thể được chia thành loại urethane và loại urethane urea, tương ứng thu được từ chất kéo dài chuỗi ethylene glycol hoặc chất kéo dài chuỗi diamine. Phân loại phổ biến được chia thành loại polyester và loại polyether.

Nguyên liệu thô để tổng hợp TPU là gì?

(1) Diol polyme

Diol phân tử lớn với khối lượng phân tử từ 500 đến 4000 và các nhóm chức kép, với hàm lượng từ 50% đến 80% trong chất đàn hồi TPU, đóng vai trò quyết định đến các tính chất vật lý và hóa học của TPU.

Polyme Diol thích hợp cho chất đàn hồi TPU có thể được chia thành polyester và polyether: polyester bao gồm polytetramethylene, axit adipic glycol (PBA), PCL, PHC; polyether bao gồm polyoxypropylene ether glycol (PPG), tetrahydrofuran polyether glycol (PTMG), v.v.

(2) Diisocyanat

Khối lượng phân tử nhỏ nhưng chức năng lại nổi bật, không chỉ đóng vai trò liên kết giữa đoạn mềm và đoạn cứng mà còn mang lại cho TPU nhiều tính chất vật lý và cơ học tốt. Các diisocyanat có thể áp dụng cho TPU bao gồm: Methylene diphenyl diisocyanate (MDI), methylene bis (-4-cyclohexyl isocyanate) (HMDI), p-phenyldiisocyanate (PPDI), 1,5-naphthalene diisocyanate (NDI), p-phenyldimethyl diisocyanate (PXDI), v.v.

(3) Bộ nối dài chuỗi

Chất kéo dài mạch có trọng lượng phân tử từ 100 đến 350, thuộc nhóm Diol phân tử nhỏ, có cấu trúc mạch hở và không có nhóm thế, rất có lợi cho việc đạt được độ cứng cao và trọng lượng riêng cao của TPU. Các chất kéo dài mạch phù hợp cho TPU bao gồm 1,4-butanediol (BDO), 1,4-bis (2-hydroxyethoxy) benzene (HQEE), 1,4-cyclohexanedimethanol (CHDM), p-phenyldimethylglycol (PXG), v.v.

Ứng dụng cải tiến của TPU như một chất làm tăng độ bền

Để giảm chi phí sản phẩm và đạt được hiệu suất cao hơn, chất đàn hồi nhiệt dẻo polyurethane có thể được sử dụng như chất làm tăng độ bền thông thường để tăng cường độ bền cho nhiều loại vật liệu cao su nhiệt dẻo và cao su biến tính.

Do tính phân cực cao, polyurethane có thể tương thích với các loại nhựa hoặc cao su phân cực, chẳng hạn như polyetylen clo hóa (CPE), có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm y tế; Khi pha trộn với ABS có thể thay thế nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật; Khi sử dụng kết hợp với polycarbonat (PC), nó có các đặc tính như chống dầu, chống nhiên liệu và chống va đập, và có thể được sử dụng để làm thân xe ô tô; Khi kết hợp với polyester, độ dẻo dai của nó có thể được cải thiện; Ngoài ra, nó có thể tương thích tốt với PVC, polyoxymetyl hoặc PVDC; Polyurethane polyester có thể tương thích tốt với cao su nitrile 15% hoặc hỗn hợp cao su nitrile/PVC 40%; Polyurethane polyete cũng có thể tương thích tốt với chất kết dính hỗn hợp cao su nitrile/polyvinyl clorua 40%; Nó cũng có thể tương thích với các copolyme acrylonitrile styren (SAN); Nó có thể tạo thành cấu trúc mạng lưới xuyên thấu (IPN) với polysiloxan phản ứng. Phần lớn các chất kết dính hỗn hợp nêu trên đã được sản xuất chính thức.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về việc tăng cường độ bền của POM bằng TPU ở Trung Quốc ngày càng được chú trọng. Việc pha trộn TPU và POM không chỉ cải thiện khả năng chịu nhiệt và tính chất cơ học của TPU mà còn làm tăng đáng kể độ bền của POM. Một số nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong các thử nghiệm độ bền kéo, so với ma trận POM, hợp kim POM với TPU đã chuyển từ gãy giòn sang gãy dẻo. Việc bổ sung TPU cũng mang lại cho POM khả năng nhớ hình dạng. Vùng tinh thể của POM đóng vai trò là pha cố định của hợp kim nhớ hình dạng, trong khi vùng vô định hình của TPU và POM vô định hình đóng vai trò là pha thuận nghịch. Khi nhiệt độ phản ứng phục hồi là 165 ℃ và thời gian phục hồi là 120 giây, tỷ lệ phục hồi của hợp kim đạt trên 95%, và hiệu quả phục hồi là tốt nhất.

TPU khó tương thích với các vật liệu polymer không phân cực như polyetylen, polypropylen, cao su etylen propylene, cao su butadien, cao su isopren hoặc bột cao su phế thải, và không thể được sử dụng để sản xuất vật liệu composite có hiệu suất tốt. Do đó, các phương pháp xử lý bề mặt như plasma, corona, hóa học ướt, lớp sơn lót, ngọn lửa hoặc khí phản ứng thường được sử dụng cho các vật liệu này. Ví dụ, Công ty American Air Products and Chemicals đã thực hiện xử lý bề mặt bằng khí hoạt tính F2/O2 trên bột mịn polyetylen có trọng lượng phân tử cực cao với trọng lượng phân tử từ 3-5 triệu, và thêm nó vào chất đàn hồi polyurethane với tỷ lệ 10%, có thể cải thiện đáng kể mô đun uốn, độ bền kéo và khả năng chống mài mòn. Và xử lý bề mặt bằng khí hoạt tính F2/O2 cũng có thể được áp dụng cho các sợi ngắn kéo dài theo hướng có chiều dài từ 6-35mm, có thể cải thiện độ cứng và độ dai xé của vật liệu composite.

TPU có những lĩnh vực ứng dụng nào?

Năm 1958, Công ty Hóa chất Goodrich (nay đổi tên thành Lubrizol) lần đầu tiên đăng ký nhãn hiệu TPU Estane. Trong hơn 40 năm qua, đã có hơn 20 nhãn hiệu trên toàn thế giới, và mỗi nhãn hiệu đều có nhiều dòng sản phẩm. Hiện nay, các nhà sản xuất nguyên liệu TPU chính trên thế giới bao gồm: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, v.v.

Là một chất đàn hồi tuyệt vời, TPU có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm, được sử dụng phổ biến trong các mặt hàng thiết yếu hàng ngày, đồ thể thao, đồ chơi, vật liệu trang trí và nhiều lĩnh vực khác. Dưới đây là một vài ví dụ.

① Chất liệu giày

TPU chủ yếu được sử dụng làm vật liệu giày dép nhờ độ đàn hồi và khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Các sản phẩm giày dép có chứa TPU mang lại cảm giác thoải mái hơn nhiều so với các sản phẩm giày dép thông thường, vì vậy chúng được sử dụng rộng rãi hơn trong các sản phẩm giày dép cao cấp, đặc biệt là một số loại giày thể thao và giày thường ngày.

② Ống dẫn

Nhờ đặc tính mềm dẻo, độ bền kéo, độ bền va đập tốt và khả năng chịu được nhiệt độ cao và thấp, ống TPU được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc làm ống dẫn khí và dầu cho các thiết bị cơ khí như máy bay, xe tăng, ô tô, xe máy và máy công cụ.

③ Cáp

TPU có khả năng chống rách, chống mài mòn và uốn cong, trong đó khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất của cáp. Vì vậy, tại thị trường Trung Quốc, các loại cáp tiên tiến như cáp điều khiển và cáp điện sử dụng TPU để bảo vệ lớp phủ của các thiết kế cáp phức tạp, và ứng dụng của chúng ngày càng được sử dụng rộng rãi.

④ Thiết bị y tế

TPU là vật liệu thay thế PVC an toàn, ổn định và chất lượng cao, không chứa Phthalate và các chất hóa học độc hại khác, không di chuyển vào máu hoặc các chất lỏng khác trong ống thông y tế hoặc túi y tế gây ra tác dụng phụ. Hơn nữa, TPU loại ép đùn và loại ép phun được phát triển đặc biệt có thể dễ dàng sử dụng với một chút hiệu chỉnh trong các thiết bị PVC hiện có.

⑤ Xe cộ và các phương tiện vận chuyển khác

Bằng cách ép đùn và phủ cả hai mặt vải nylon bằng chất đàn hồi nhiệt dẻo polyurethane, có thể chế tạo các loại bè tấn công và bè trinh sát bơm hơi chở được 3-15 người, với hiệu suất tốt hơn nhiều so với bè bơm hơi bằng cao su lưu hóa; Chất đàn hồi nhiệt dẻo polyurethane được gia cường bằng sợi thủy tinh có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận thân xe như các bộ phận đúc ở hai bên thân xe, vỏ cửa, cản trước, dải chống ma sát và lưới tản nhiệt.