เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเป็นวัสดุสังเคราะห์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่ง (อีกชนิดหนึ่งเรียกว่า โฟมโพลียูรีเทน กาวโพลียูรีเทน สารเคลือบโพลียูรีเทน และเส้นใยโพลียูรีเทน) และอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกเป็นหนึ่งในสามประเภทของอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทน ผู้คนมักเรียกกันว่า TPU (อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนอีกสองประเภทหลักคือ อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนหล่อ เรียกย่อๆ ว่า CPU และอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนผสม เรียกย่อๆ ว่า MPU)

TPU เป็นอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้เป็นพลาสติกได้โดยการให้ความร้อนและละลายด้วยตัวทำละลาย เมื่อเปรียบเทียบกับ CPU และ MPU แล้ว TPU แทบจะไม่มีการเชื่อมโยงทางเคมีในโครงสร้างทางเคมีเลย โซ่โมเลกุลของ TPU นั้นเป็นเส้นตรงโดยพื้นฐาน แต่มีการเชื่อมโยงทางกายภาพในระดับหนึ่ง นี่คืออีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกที่มีโครงสร้างเฉพาะตัวมาก

โครงสร้างและการจำแนกประเภทของ TPU

อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกเป็นโพลิเมอร์เชิงเส้นแบบบล็อก (AB) A แทนโพลีออลโพลิเมอร์ (เอสเทอร์หรือโพลีอีเธอร์ น้ำหนักโมเลกุล 1,000~6,000) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง เรียกว่าสายยาว B แทนไดออลที่มีอะตอมคาร์บอนสายตรง 2-12 อะตอม เรียกว่าสายสั้น

ในโครงสร้างของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ ส่วน A เรียกว่าส่วนอ่อน ซึ่งมีลักษณะยืดหยุ่นและนุ่ม ทำให้ TPU มีความยืดหยุ่นได้ โซ่ยูรีเทนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างส่วน B กับไอโซไซยาเนตเรียกว่าส่วนแข็ง ซึ่งมีคุณสมบัติทั้งแข็งและแข็ง โดยการปรับอัตราส่วนของส่วน A และ B ผลิตภัณฑ์ TPU ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่แตกต่างกันจึงถูกสร้างขึ้น

ตามโครงสร้างส่วนที่อ่อนสามารถแบ่งได้เป็นประเภทโพลีเอสเตอร์ ประเภทโพลีเอเธอร์ และประเภทบิวทาไดอีน ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มเอสเทอร์ กลุ่มอีเธอร์ หรือกลุ่มบิวทีนตามลำดับ ตามโครงสร้างส่วนที่แข็งสามารถแบ่งได้เป็นประเภทยูรีเทนและประเภทยูรีเทนยูเรีย ซึ่งได้มาจากตัวขยายโซ่เอทิลีนไกลคอลหรือตัวขยายโซ่ไดอะมีนตามลำดับ การจำแนกประเภททั่วไปจะแบ่งเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์และประเภทโพลีเอเธอร์

วัตถุดิบในการสังเคราะห์ TPU มีอะไรบ้าง?

(1) โพลิเมอร์ไดออล

ไดออลโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีมวลโมเลกุลตั้งแต่ 500 ถึง 4,000 และกลุ่มไบฟังก์ชัน ซึ่งมีปริมาณ 50% ถึง 80% ในอีลาสโตเมอร์ TPU มีบทบาทสำคัญต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของ TPU

พอลิเมอร์ไดออลที่เหมาะสำหรับอีลาสโตเมอร์ TPU สามารถแบ่งออกเป็นโพลีเอสเตอร์และโพลีเอเธอร์ โดยโพลีเอสเตอร์ประกอบด้วยโพลีเตตระเมทิลีน กรดอะดิปิกไกลคอล (PBA) ε PCL, PHC ส่วนโพลีเอเธอร์ประกอบด้วยโพลีออกซีโพรพิลีนอีเธอร์ไกลคอล (PPG) โพลีเอเธอร์ไกลคอล (PTMG) เป็นต้น

(2) ไดไอโซไซยาเนต

น้ำหนักโมเลกุลมีขนาดเล็กแต่มีฟังก์ชันที่โดดเด่นซึ่งไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เชื่อมต่อส่วนที่นิ่มและส่วนที่แข็งเท่านั้น แต่ยังมอบคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดีต่างๆ ให้กับ TPU อีกด้วย ไดไอโซไซยาเนตที่ใช้ได้กับ TPU ได้แก่ เมทิลีนไดฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (MDI), เมทิลีนบิส (-4-ไซโคลเฮกซิลไอโซไซยาเนต) (HMDI), พีฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (PPDI), 1,5-แนฟทาลีนไดไอโซไซยาเนต (NDI), พีฟีนิลไดเมทิลไดไอโซไซยาเนต (PXDI) เป็นต้น

(3) ตัวต่อโซ่

สารขยายสายโซ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 100~350 เป็นไดออลโมเลกุลเล็ก น้ำหนักโมเลกุลเล็ก โครงสร้างสายโซ่เปิด และไม่มีกลุ่มแทนที่ ช่วยให้ได้ TPU ที่มีความแข็งสูงและน้ำหนักสเกลาร์สูง สารขยายสายโซ่ที่เหมาะสำหรับ TPU ได้แก่ 1,4-บิวทานไดออล (BDO), 1,4-บิส (2-ไฮดรอกซีเอทอกซี) เบนซิน (HQEE), 1,4-ไซโคลเฮกเซนไดเมทานอล (CHDM), พี-ฟีนิลไดเมทิลไกลคอล (PXG) เป็นต้น

การปรับเปลี่ยนการใช้ TPU เป็นสารเพิ่มความแกร่ง

เพื่อลดต้นทุนผลิตภัณฑ์และได้รับประสิทธิภาพเพิ่มเติม อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกสามารถใช้เป็นสารเพิ่มความเหนียวที่ใช้กันทั่วไปในการเพิ่มความเหนียวให้กับวัสดุเทอร์โมพลาสติกและยางที่ดัดแปลงต่างๆ

เนื่องจากมีขั้วสูง โพลียูรีเทนจึงสามารถเข้ากันได้กับเรซินหรือยางที่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีนคลอรีน (CPE) ซึ่งสามารถใช้ทำผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ได้ การผสมกับ ABS สามารถทดแทนเทอร์โมพลาสติกทางวิศวกรรมได้ เมื่อใช้ร่วมกับโพลีคาร์บอเนต (PC) จะมีคุณสมบัติ เช่น ทนน้ำมัน ทนเชื้อเพลิง ทนต่อแรงกระแทก และสามารถใช้ทำตัวรถยนต์ได้ เมื่อผสมกับโพลีเอสเตอร์ ความเหนียวก็จะดีขึ้น นอกจากนี้ ยังเข้ากันได้ดีกับ PVC โพลีออกซีเมทิลีนหรือ PVDC อีกด้วย โพลีเอสเตอร์โพลียูรีเทนสามารถเข้ากันได้ดีกับยางไนไตรล์ 15% หรือส่วนผสมยางไนไตรล์/PVC 40% โพลีอีเธอร์โพลียูรีเทนยังสามารถเข้ากันได้ดีกับกาวผสมยางไนไตรล์/โพลีไวนิลคลอไรด์ 40% ได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังสามารถเข้ากันได้ร่วมกับโคพอลิเมอร์อะคริโลไนไตรล์สไตรีน (SAN) ได้อีกด้วย สามารถสร้างโครงสร้างเครือข่ายแทรกซึม (IPN) ร่วมกับโพลีซิโลเซนที่มีปฏิกิริยาได้ กาวผสมที่กล่าวมาข้างต้นส่วนใหญ่ได้รับการผลิตอย่างเป็นทางการแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการวิจัยเกี่ยวกับการทำให้ POM แข็งแกร่งขึ้นด้วย TPU ในประเทศจีนเพิ่มมากขึ้น การผสม TPU และ POM ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและคุณสมบัติเชิงกลของ TPU เท่านั้น แต่ยังทำให้ POM แข็งแกร่งขึ้นอย่างมากอีกด้วย นักวิจัยบางคนได้แสดงให้เห็นว่าในการทดสอบการแตกแบบดึง เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ POM โลหะผสม POM กับ TPU ได้เปลี่ยนจากการแตกแบบเปราะไปเป็นการแตกแบบเหนียว การเติม TPU ยังทำให้ POM มีประสิทธิภาพในการจดจำรูปร่างอีกด้วย บริเวณผลึกของ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสคงที่ของโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่าง ในขณะที่บริเวณอะมอร์ฟัสของ TPU อะมอร์ฟัสและ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสที่กลับคืนได้ เมื่ออุณหภูมิตอบสนองการฟื้นตัวอยู่ที่ 165 ℃ และเวลาฟื้นตัวอยู่ที่ 120 วินาที อัตราการกู้คืนของโลหะผสมจะสูงถึงมากกว่า 95% และผลการกู้คืนจะดีที่สุด

TPU ยากที่จะเข้ากันได้กับวัสดุโพลีเมอร์ที่ไม่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีน โพลิโพรพิลีน ยางเอทิลีนโพรพิลีน ยางบิวทาไดอีน ยางไอโซพรีน หรือผงยางเสีย และไม่สามารถใช้ผลิตคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพดีได้ ดังนั้น จึงมักใช้วิธีการบำบัดพื้นผิว เช่น พลาสมา โคโรนา เคมีเปียก ไพรเมอร์ เปลวไฟ หรือก๊าซที่มีปฏิกิริยา สำหรับอย่างหลัง ตัวอย่างเช่น บริษัท American Air Products and Chemicals ได้ดำเนินการบำบัดพื้นผิวด้วยก๊าซแอคทีฟ F2/O2 บนผงละเอียดโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากที่มีน้ำหนักโมเลกุล 3-5 ล้าน และเติมลงในอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนในอัตราส่วน 10% ซึ่งสามารถปรับปรุงโมดูลัสการดัดงอ ความแข็งแรงแรงดึง และความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ การบำบัดพื้นผิวด้วยก๊าซแอคทีฟ F2/O2 ยังสามารถนำไปใช้กับเส้นใยสั้นที่ยืดออกตามทิศทางที่มีความยาว 6-35 มม. ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งและความเหนียวในการฉีกขาดของวัสดุคอมโพสิตได้

TPU ครอบคลุมการใช้งานในด้านใดบ้าง?

ในปี 1958 บริษัท Goodrich Chemical (ปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น Lubrizol) ได้จดทะเบียนแบรนด์ TPU Estane เป็นครั้งแรก ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา มีชื่อแบรนด์มากกว่า 20 ชื่อทั่วโลก และแต่ละแบรนด์มีผลิตภัณฑ์หลายซีรีส์ ปัจจุบัน ผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU รายใหญ่ในโลก ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding เป็นต้น

TPU เป็นอีลาสโตเมอร์คุณภาพเยี่ยม จึงมีผลิตภัณฑ์ปลายน้ำหลากหลายประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสิ่งของจำเป็นในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างบางส่วน

① วัสดุของรองเท้า

TPU มักใช้สำหรับวัสดุรองเท้าเนื่องจากมีความยืดหยุ่นและทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์รองเท้าที่มีส่วนผสมของ TPU สวมใส่สบายกว่าผลิตภัณฑ์รองเท้าทั่วไปมาก จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์รองเท้าระดับไฮเอนด์ โดยเฉพาะรองเท้ากีฬาและรองเท้าลำลองบางประเภท

② ท่อยาง

เนื่องจากความอ่อนนุ่ม ความแข็งแรงในการดึง ความแข็งแรงต่อแรงกระแทก ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ท่อ TPU จึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนในฐานะท่อยางแก๊สและน้ำมันสำหรับอุปกรณ์เครื่องกล เช่น เครื่องบิน รถถัง รถยนต์ มอเตอร์ไซค์ และเครื่องมือกล

③ สายเคเบิล

TPU มีคุณสมบัติทนทานต่อการฉีกขาด ทนทานต่อการสึกหรอ และมีคุณสมบัติในการดัดงอ โดยคุณสมบัติที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำถือเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิล ดังนั้น ในตลาดจีน สายเคเบิลขั้นสูง เช่น สายควบคุมและสายไฟฟ้าจึงใช้ TPU เพื่อปกป้องวัสดุเคลือบของสายเคเบิลที่มีการออกแบบซับซ้อน และการใช้งานของ TPU ก็แพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ

④ อุปกรณ์ทางการแพทย์

TPU เป็นวัสดุทดแทน PVC ที่ปลอดภัย มีเสถียรภาพ และมีคุณภาพสูง ซึ่งจะไม่ประกอบด้วย Phthalate และสารเคมีอันตรายอื่นๆ และจะแพร่กระจายไปยังเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ในสายสวนทางการแพทย์หรือถุงทางการแพทย์ซึ่งอาจทำให้เกิดผลข้างเคียง นอกจากนี้ TPU เกรดการอัดรีดและเกรดการฉีดที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษยังสามารถใช้งานได้ง่ายโดยแก้ไขข้อบกพร่องเล็กน้อยในอุปกรณ์ PVC ที่มีอยู่

⑤ ยานพาหนะและยานพาหนะอื่น ๆ

การอัดและเคลือบผ้าไนลอนทั้งสองด้านด้วยอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติก จึงสามารถสร้างแพโจมตีการต่อสู้แบบพองลมและแพลาดตระเวนที่บรรทุกคนได้ 3-15 คน ได้อย่างมีประสิทธิภาพดีกว่าแพยางแบบวัลคาไนซ์มาก อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกเสริมด้วยไฟเบอร์กลาสสามารถนำไปใช้ทำส่วนประกอบของตัวถัง เช่น ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปทั้งสองด้านของตัวรถเอง แผงประตู กันชน แถบลดแรงเสียดทาน และกระจังหน้า