TPU:热塑性聚氨酯弹性体简介及应用

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)简介及应用

聚氨酯弹性体是聚氨酯合成材料中的一个品种（其它品种是指聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯粘合剂、聚氨酯涂料和聚氨酯纤维 ）， 而热塑性聚氨酯弹性体又是聚氨酯弹性体的三大类型中的一种 ，人们习惯称它为TPU （另外两大类聚氨酯弹性体分别是浇注型聚氨酯弹性体简称CPU和混炼型聚氨酯弹性体简称MPU）。 

TPU是一类加热可以塑化、溶剂可以溶解的聚氨酯弹性体，与CPU和MPU相比较，TPU在化学结构上没有或很少有化学交联 ，其分子链基本上是线性的，然而却存在一定量的物理交联，这就是下面要介绍的在结构上很有特点的热塑性聚氨酯弹性体。

TPU的结构与分类

热塑性聚氨酯弹性体是一种 （AB）型嵌段线性聚合物，A代表高分子量的聚合物多元醇 聚（ 酯或聚醚，分子量为1000～6000），称为长链；B代表含2～12个直链碳原子二醇，称为短链。

在热塑性聚氨酯弹性体的结构中，A链段被称为软链段，具有柔韧与软的特性，使TPU具有延伸性；B链段与异氰酸酯反应生成的氨酯链被称为硬链段，具有刚性和硬的性质，人们通过调整A、B链段的比例，制成具有不同物理和力学性能的TPU制品。

按软段结构可分为聚酯型、聚醚型和丁二烯型，它们分别含有酯基、醚基或丁烯基。按硬段结构分为氨酯型和氨酯脲型，它们分别由二醇扩链剂或二胺扩链剂获得。普遍常见的划分是分为聚酯型和聚醚型。

TPU合成原料有哪些？

(1) 聚合物二元醇

分子量在500～4000范围内，具有双官能团的大分子二醇，它在TPU弹性体中的含量为50％～80％，对TPU的物理和化学性能起决定性作用。

适合TPU弹性体的聚合物二元醇有聚酯和聚醚两类：聚酯类的有聚四亚甲基己二酸酯二醇（PBA）、聚ε一己内酯二醇（PCL）、聚六亚甲基碳酸酯二醇 （PHC）；聚醚类的有聚氧化丙烯醚二醇（PPG）、四氢呋喃均聚醚二醇（PTMG）等。

(2) 二异氰酸酯

分子量较小但功能突出，既起到连接软段和硬段的作用，又赋予TPU各种良好的物理力学性能，适用于TPU的二异氰酸酯有：二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、亚甲基一双（一4一环己基异氰酸酯）（HMDI）、对苯基二异氰酸酯（PPDI）、1,5一萘二异氰酸酯（NDI）、对苯基二甲基二异氰酸酯 （PXDI）等。

(3) 扩链剂

分子量为 100～350，属于小分子二元醇，分子量小，开链结构又无取代基团的扩链剂有利于TPU获得高硬度和高标量。适用于TPU的扩链剂有：1,4丁二醇（BDO）、1,4一双（2一羟乙氧基）苯（HQEE）、1,4一环己烷二甲醇 （CHDM）、对一苯基二甲基二醇 （PXG）等。

TPU作为增韧剂的改性应用

为了降低产品成本和获得额外性能，聚氨酯热塑性弹性体作为常用增韧剂可用于增韧多种热塑性塑料及改性橡胶材料。

由于聚氨酯是一种高极性聚合物，故能与极性的树脂或橡胶相容：如与氯化聚乙烯(CPE)并用可制作医用产品；与ABS共混可代替工程热塑性塑料使用；与聚碳酸酯(PC)并用，有耐油、耐燃油、抗冲击等性能，可用来制作汽车本体；与聚酯并用可提高其坚韧性能；另外能与聚氯乙烯、聚甲醛(POM)或聚偏氯乙烯良好相容；聚酯聚氨酯可与l5%丁腈橡胶或与40%丁腈胶／聚氯乙烯共混胶良好相容；聚醚聚氨酯也能与40%丁腈胶／聚氯乙烯共混胶良好相容；另还可与丙烯腈一苯乙烯(SAN)共聚物共容；与反应性聚硅氧烷能形成互穿网络(IPN)结构等。绝大多数上述共混胶已有正式产品问世。

近年来，国内TPU对POM的增韧研究日益增多，TPU与POM的共混一方面POM改善了TPU的耐高温性能和力学性能，另一方面，TPU对POM起到了显著的增韧作用，有研究学者证明拉伸断裂试验中相对于POM基体而言，加入TPU 的POM合金由脆性断裂向韧性断裂转变。TPU 的加入还赋予了POM 的形状记忆性能，POM的结晶区作为形状记忆合金的固定相，无定形TPU 及POM的非晶区作为可逆相，当回复响应温度为165℃，回复时间为120 s 时，该合金的回复率达到95% 以上，回复效果佳。

TPU与聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶、丁二烯胶、异戊胶或废橡胶粉等非极性聚合物材料难以相容，不能制得性能良好的复合材料。故对于后者经常采用诸如等离子体、电晕、湿化学、底涂胶、火焰或反应性气体等的表面处理方法。如美国空气制品和化学品公司对分子量3～5百万的超高分子量聚乙烯细粉，进行F2／O2活性气体表面处理，且以10%配比添加于聚氨酯弹性体中，可显著提高其弯曲模量、拉仲强度和耐磨性能。且对上述长6～35mm定向伸长短纤维也进行F2／O2活性气体表面处理，可提高该复合材料的刚度和撕裂韧性。

TPU应用领域有哪些？

目前全球生产TPU原料厂家主要有：巴斯夫、科思创、路博润、亨斯迈、麦金沙、高鼎、弘华宝等等。

作为性能优良的弹性体，TPU的下游产品方向非常广泛，在日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域得到广泛应用，下面举几个例子。

①鞋材

TPU用于鞋材主要由于其优良的弹性和耐磨性。含TPU的鞋类产品穿着舒适度方面比普通鞋类产品优越得多，因此，在鞋类产品中较为广泛，尤其是一些运动鞋，休闲鞋。

②软管

由于TPU软管具有柔软，良好的抗张强度、冲击强度 耐高低温性，所以在中国TPU软管被广泛用作飞机、坦克、汽车、摩托车、机床等机械设备等的输气、输油软管。

③线缆

TPU提供了耐撕裂、耐磨与弯曲特征，耐高低温性更是电缆性能的关键。所以在中国市场上，高等电缆如控制电缆与电力电缆用TPU，用来保护设计复杂电缆的被覆材料，用途也日益广泛。

④医疗器械

TPU是一种安全、稳固、优质的PVC替代材料，不会有邻苯二甲酸酯等化学有害物质，迁移到医疗导管或医疗袋内的血液或其他液体中产生副作用，并且专门开发的挤出级和注塑级TPU，只需在现有PVC设备稍作调试便可轻松使用。

⑤汽车等交通工具

用尼龙织物两面挤塑涂复上聚氨酯热塑性弹性体，可制作乘载3～15人的充气作战攻击筏和侦察筏，其性能远优于硫化橡胶充气筏；用玻璃纤维增强的聚氨酯热塑性弹性体可用来制作汽车本身两侧模制件、车门外皮、保险杠、防擦条和隔栅等本体部件。