什么是热塑性聚氨酯弹性体？

什么是热塑性聚氨酯弹性体？

聚氨酯弹性体是多种聚氨酯合成材料（其他种类包括聚氨酯泡沫、聚氨酯粘合剂、聚氨酯涂料和聚氨酯纤维），热塑性聚氨酯弹性体是三种聚氨酯弹性体之一，人们通常称之为TPU（另外两种主要的聚氨酯弹性体是浇铸聚氨酯弹性体，简称CPU，和混合聚氨酯弹性体，简称MPU）。

热塑性聚氨酯（TPU）是一种可通过加热增塑、溶剂溶解的聚氨酯弹性体。与CPU和MPU相比，TPU的化学结构中几乎没有化学交联。其分子链基本呈线性，但存在一定量的物理交联。这是热塑性聚氨酯弹性体结构上非常独特的特征。

TPU的结构和分类

热塑性聚氨酯弹性体是一种(AB)嵌段线性聚合物。A代表高分子量的聚合物多元醇（酯或聚醚，分子量为1000~6000），称为长链；B代表含有2-12个直链碳原子的二醇，称为短链。

在热塑性聚氨酯弹性体的结构中，A段被称为软段，具有柔韧性和柔软性，使TPU具有延展性；B段与异氰酸酯反应生成的氨基甲酸酯链被称为硬段，兼具刚性和硬度。通过调节A段和B段的比例，可以制备出具有不同物理和机械性能的TPU产品。

根据软段结构，可将其分为聚酯型、聚醚型和丁二烯型，分别含有酯基、醚基或丁烯基。根据硬段结构，可将其分为氨基甲酸酯型和氨基甲酸酯脲型，分别由乙二醇扩链剂或二胺扩链剂制得。常用分类为聚酯型和聚醚型。

TPU合成的原材料有哪些？

（1）聚合物二醇

分子量范围为 500 至 4000 且含有双官能团的大分子二醇，在 TPU 弹性体中的含量为 50% 至 80%，对 TPU 的物理和化学性质起着决定性作用。

适用于TPU弹性体的聚合物二醇可分为聚酯和聚醚：聚酯包括聚四亚甲基己二酸二醇（PBA）、ε-聚己内酯（PCL）、聚己内酯（PHC）；聚醚包括聚氧丙烯醚二醇（PPG）、四氢呋喃聚醚二醇（PTMG）等。

（2）二异氰酸酯

该二异氰酸酯分子量虽小，但功能优异，不仅起到连接软段和硬段的作用，而且赋予TPU多种优异的物理和机械性能。适用于TPU的二异氰酸酯包括：亚甲基二苯基二异氰酸酯（MDI）、亚甲基双（-4-环己基异氰酸酯）（HMDI）、对苯基二异氰酸酯（PPDI）、1,5-萘二异氰酸酯（NDI）、对苯基二甲基二异氰酸酯（PXDI）等。

（3）链条延长器

分子量为100~350的小分子二醇类扩链剂，具有小分子量、开链结构且无取代基等特点，有利于获得高硬度和高标称重量的TPU。适用于TPU的扩链剂包括1,4-丁二醇（BDO）、1,4-双（2-羟基乙氧基）苯（HQEE）、1,4-环己烷二甲醇（CHDM）、对苯基二甲基乙二醇（PXG）等。

TPU改性作为增韧剂的应用

为了降低产品成本并获得额外的性能，聚氨酯热塑性弹性体可用作常用的增韧剂，以增强各种热塑性橡胶和改性橡胶材料的韧性。

由于其高极性，聚氨酯可与极性树脂或橡胶（例如氯化聚乙烯 (CPE)）相容，后者可用于制造医疗产品；与ABS共混可替代工程热塑性塑料；与聚碳酸酯 (PC) 复合使用时，具有耐油、耐燃料和抗冲击等性能，可用于制造汽车车身；与聚酯复合可提高其韧性；此外，它与PVC、聚甲醛或PVDC具有良好的相容性；聚酯型聚氨酯与15%丁腈橡胶或40%丁腈橡胶/PVC共混物具有良好的相容性；聚醚型聚氨酯也与40%丁腈橡胶/聚氯乙烯共混粘合剂具有良好的相容性；它还可与丙烯腈-苯乙烯 (SAN) 共聚物相容；它可与反应性聚硅氧烷形成互穿网络 (IPN) 结构。上述绝大多数共混粘合剂已正式生产。

近年来，国内对TPU增韧POM的研究日益增多。TPU与POM的共混不仅提高了TPU的耐高温性能和力学性能，而且显著增强了POM的韧性。一些研究表明，在拉伸断裂试验中，与POM基体相比，POM与TPU的合金断裂行为由脆性断裂转变为韧性断裂。TPU的加入还赋予了POM形状记忆性能。POM的结晶区作为形状记忆合金的固定相，而非晶态TPU和POM的非晶区则作为可逆相。当回复温度为165℃，回复时间为120秒时，合金的回复率可达95%以上，回复效果最佳。

TPU难以与聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶或废橡胶粉等非极性聚合物材料相容，因此无法用于制备性能优异的复合材料。为此，通常采用等离子、电晕、湿化学、底涂、火焰或活性气体等表面处理方法。例如，美国空气产品公司（Air Products and Chemicals Company）对分子量为300万至500万的超高分子量聚乙烯细粉进行了F2/O2活性气体表面处理，并将其以10%的比例添加到聚氨酯弹性体中，显著提高了其弯曲模量、拉伸强度和耐磨性。此外，F2/O2活性气体表面处理也可应用于长度为6-35mm的定向拉伸短纤维，从而提高复合材料的刚度和撕裂韧性。

TPU有哪些应用领域？

1958年，古德里奇化学公司（现已更名为路博润）首次注册了TPU品牌“Estane”。40多年来，全球已出现20多个TPU品牌，每个品牌下又有多个系列产品。目前，全球主要的TPU原料生产商有：巴斯夫、科思创、路博润、亨斯迈、麦肯锡、高丁等。

作为一种优良的弹性体，TPU拥有广泛的下游产品，广泛应用于日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域。以下是一些示例。

① 鞋材

TPU因其优异的弹性和耐磨性，主要用于鞋材。含有TPU的鞋类产品比普通鞋类产品穿着更加舒适，因此在高档鞋类产品中得到更广泛的应用，尤其是在一些运动鞋和休闲鞋中。

②软管

由于其柔软性、良好的拉伸强度、冲击强度以及耐高低温性能，TPU软管在中国被广泛用作飞机、坦克、汽车、摩托车和机床等机械设备的气体和油管。

③ 电缆

TPU具有优异的抗撕裂性、耐磨性和抗弯曲性，其耐高低温性能是电缆性能的关键。因此，在中国市场，控制电缆、电力电缆等先进电缆采用TPU来保护复杂电缆结构的涂层材料，其应用范围日益广泛。

④ 医疗器械

TPU是一种安全、稳定、优质的PVC替代材料，不含邻苯二甲酸酯等有害化学物质，不会迁移到医用导管或医用袋中的血液或其他液体中引起副作用。此外，特制的挤出级和注塑级TPU只需稍加调试即可轻松应用于现有的PVC设备。

⑤ 车辆及其他交通工具

通过在尼龙织物的两面挤出并涂覆聚氨酯热塑性弹性体，可以制造出可搭载 3-15 人的充气式战斗攻击筏和侦察筏，其性能比硫化橡胶充气筏好得多；用玻璃纤维增​​强的聚氨酯热塑性弹性体可用于制造车身部件，例如汽车两侧的模制部件、车门蒙皮、保险杠、防摩擦条和格栅。