什么是热塑性聚氨酯弹性体？

什么是热塑性聚氨酯弹性体？

聚氨酯弹性体是聚氨酯合成材料的一个品种（其他品种指聚氨酯泡沫、聚氨酯胶粘剂、聚氨酯涂料和聚氨酯纤维），而热塑性聚氨酯弹性体是聚氨酯弹性体的三大类型之一，人们通常简称为TPU（聚氨酯弹性体的另外两大类是浇铸型聚氨酯弹性体，简称CPU；混合型聚氨酯弹性体，简称MPU）。

TPU是一种可加热塑化、可用溶剂溶解的聚氨酯弹性体。与CPU、MPU相比，TPU在化学结构中几乎没有或完全没有化学交联，其分子链基本为线性，但存在一定量的物理交联。这是结构上非常有特点的热塑性聚氨酯弹性体。

TPU的结构及分类

热塑性聚氨酯弹性体是一种（AB）嵌段线型聚合物。A代表分子量较高的聚合物多元醇（酯或聚醚，分子量为1000~6000），称为长链；B代表含有2~12个碳原子的直链二元醇，称为短链。

热塑性聚氨酯弹性体的结构中，A链段称为软链段，具有柔韧性和柔软性，使TPU具有延展性；B链段与异氰酸酯反应生成的氨基甲酸酯链段称为硬链段，兼具刚性和硬性。通过调节A、B链段的比例，可以制成不同物理机械性能的TPU制品。

根据软段结构可分为聚酯型、聚醚型、丁二烯型，分别含有酯基、醚基、丁烯基；根据硬段结构可分为聚氨酯型、聚氨酯脲型，分别由乙二醇扩链剂或二胺扩链剂制得。常见的分类为聚酯型和聚醚型。

TPU合成的原料有哪些？

(1) 聚合物二醇

分子量在500~4000之间，含有双功能基团的大分子二醇，在TPU弹性体中的含量为50%~80%，对TPU的物理和化学性能起着决定性的作用。

适用于TPU弹性体的聚合物二醇可分为聚酯和聚醚两大类：聚酯包括聚四亚甲基己二酸二醇酯（PBA）εPCL、PHC等；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

分子量小，但功能突出，不仅起到连接软段和硬段的作用，还赋予TPU各种良好的物理机械性能。适用于TPU的二异氰酸酯有：二苯基甲烷二异氰酸酯（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）扩链剂

分子量在100~350之间的扩链剂，属于小分子二醇，分子量小、链结构开通、无取代基，有利于TPU获得较高的硬度和较高的分子量。适用于TPU的扩链剂有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作为增韧剂的改性应用

为了降低产品成本并获得附加性能，聚氨酯热塑性弹性体可以作为常用的增韧剂来增韧各种热塑性和改性橡胶材料。

聚氨酯由于极性较大，能与极性树脂或橡胶相容，如氯化聚乙烯（CPE），可用于制造医疗产品；与ABS共混可替代工程热塑性塑料使用；与聚碳酸酯（PC）并用，具有耐油、耐燃料、抗冲击等性能，可用于制造汽车车身；与聚酯共混可提高其韧性；此外，它与PVC、聚甲醛或PVDC有很好的相容性；聚酯型聚氨酯与15%丁腈橡胶或40%丁腈橡胶/PVC共混物有很好的相容性；聚醚型聚氨酯与40%丁腈橡胶/聚氯乙烯共混胶也具有很好的相容性；还可与丙烯腈-苯乙烯（SAN）共聚物共混；可与反应性聚硅氧烷形成互穿网络（IPN）结构。上述共混胶粘剂绝大多数已正式生产。

近年来，国内关于TPU增韧POM的研究日益增多。TPU与POM共混不仅提高了TPU的耐高温性能和力学性能，而且显著增韧了POM。有研究表明，在拉伸断裂试验中，与POM基体相比，TPU改性POM合金由脆性断裂转变为延性断裂。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与POM的非晶态区作为可逆相。当回复响应温度为165℃，回复时间为120s时，合金的回复率可达95%以上，回复效果最佳。

TPU与聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶、丁二烯橡胶、异戊橡胶等非极性高分子材料或废橡胶粉相容性较差，不能制备性能优良的复合材料，因此对后者常采用等离子、电晕、湿化学、底涂、火焰或反应气体等表面处理方法。例如美国空气产品与化学公司对分子量为300-500万的超高分子量聚乙烯细粉进行了F2/O2活性气体表面处理，并以10%的比例添加到聚氨酯弹性体中，可显著提高其弯曲模量、拉伸强度和耐磨性。而且对长度为6-35mm的定向拉长的短纤维也可进行F2/O2活性气体表面处理，可提高复合材料的刚度和撕裂韧性。

TPU的应用领域有哪些？

1958年，古德里奇化学公司（现更名为路博润公司）首次注册了TPU品牌Estane。40多年来，全球已拥有超过20个品牌名称，每个品牌下又包含多个系列产品。目前，全球主要的TPU原料生产商有：巴斯夫、科思创、路博润、亨斯迈公司、麦肯锡、戈尔丁等。

TPU作为一种性能优异的弹性体，其下游产品种类繁多，广泛应用于日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域。以下列举几个例子。

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舒适度要高得多，因此在高端鞋类产品中得到更广泛的应用，尤其是一些运动鞋和休闲鞋。

② 软管

TPU软管由于其柔软性、良好的拉伸强度、冲击强度、耐高低温等性能，在国内被广泛用作飞机、坦克、汽车、摩托车、机床等机械设备的气、油软管。

③ 电缆

TPU具有抗撕裂、耐磨和弯曲的特性，而耐高低温性能是电缆性能的关键。因此，在中国市场，控制电缆和电力电缆等高端电缆采用TPU来保护复杂电缆设计的涂层材料，其应用范围也日益广泛。

④ 医疗器械

TPU是一种安全、稳定、优质的PVC替代材料，不会含有邻苯二甲酸酯（Phthalate）等化学有害物质，不会迁移到医用导管或医用袋中的血液或其他液体中而引起副作用。此外，我们专门开发的挤出级和注塑级TPU，只需在现有的PVC设备上进行少量调试即可轻松使用。

⑤车辆及其他交通工具

采用聚氨酯热塑性弹性体在尼龙织物两面挤出涂覆，可制成载客3-15人的充气式战斗攻击筏、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，如汽车本身两侧的成型件、车门蒙皮、保险杠、防擦条、格栅等。