เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเป็นวัสดุสังเคราะห์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่ง (ชนิดอื่นๆ หมายถึง โฟมโพลียูรีเทน กาวโพลียูรีเทน สารเคลือบโพลียูรีเทน และเส้นใยโพลียูรีเทน) และอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกเป็นหนึ่งในสามประเภทของอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทน ผู้คนมักเรียกกันว่า TPU (อีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนอีกสองประเภทหลักคืออีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนหล่อ เรียกย่อๆ ว่า CPU และอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนผสม เรียกย่อๆ ว่า MPU)

TPU เป็นอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้เป็นพลาสติกได้โดยการให้ความร้อนและละลายด้วยตัวทำละลาย เมื่อเทียบกับ CPU และ MPU แล้ว TPU มีพันธะเคมีน้อยมากหรือแทบไม่มีเลยในโครงสร้างทางเคมี โซ่โมเลกุลของ TPU มีลักษณะเป็นเส้นตรง แต่มีพันธะทางกายภาพอยู่บ้าง นี่คือเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ที่มีโครงสร้างเฉพาะตัวมาก

โครงสร้างและการจำแนกประเภทของ TPU

เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นแบบบล็อก (AB) A หมายถึงพอลิเมอร์โพลีออล (เอสเทอร์หรือโพลีอีเทอร์ น้ำหนักโมเลกุล 1,000-6,000) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง เรียกว่าสายยาว B หมายถึงไดออลที่มีอะตอมคาร์บอนเป็นสายตรง 2-12 อะตอม เรียกว่าสายสั้น

ในโครงสร้างของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ ส่วน A เรียกว่าส่วนอ่อน ซึ่งมีคุณสมบัติยืดหยุ่นและอ่อนนุ่ม ทำให้ TPU มีความยืดหยุ่น ส่วนโซ่ยูรีเทนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างส่วน B และไอโซไซยาเนต เรียกว่าส่วนแข็ง ซึ่งมีคุณสมบัติทั้งแข็งและแข็ง ด้วยการปรับอัตราส่วนของส่วน A และส่วน B ผลิตภัณฑ์ TPU จึงมีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่แตกต่างกัน

เมื่อพิจารณาโครงสร้างส่วนอ่อน สามารถแบ่งได้เป็นประเภทโพลีเอสเตอร์ ประเภทโพลีอีเทอร์ และประเภทบิวทาไดอีน ซึ่งมีหมู่เอสเทอร์ กลุ่มอีเทอร์ หรือกลุ่มบิวทีนตามลำดับ เมื่อพิจารณาโครงสร้างส่วนแข็ง สามารถแบ่งได้เป็นประเภทยูรีเทนและประเภทยูรีเทนยูเรีย ซึ่งได้มาจากสารขยายสายโซ่เอทิลีนไกลคอลหรือสารขยายสายโซ่ไดอะมีนตามลำดับ โดยทั่วไปจะแบ่งได้เป็นประเภทโพลีเอสเตอร์และประเภทโพลีอีเทอร์

วัตถุดิบในการสังเคราะห์ TPU มีอะไรบ้าง?

(1) โพลิเมอร์ไดออล

ไดออลโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 500 ถึง 4,000 และหมู่ไบฟังก์ชันที่มีเนื้อหา 50% ถึง 80% ในอีลาสโตเมอร์ TPU มีบทบาทสำคัญต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของ TPU

พอลิเมอร์ไดออลที่เหมาะสำหรับอีลาสโตเมอร์ TPU สามารถแบ่งได้เป็นโพลีเอสเตอร์และโพลีเอเทอร์ โพลีเอสเตอร์ประกอบด้วยโพลีเตตระเมทิลีน อะดิปิกแอซิดไกลคอล (PBA) ε PCL, PHC โพลีเอเทอร์ประกอบด้วยโพลีออกซีโพรพิลีนอีเทอร์ไกลคอล (PPG) เตตระไฮโดรฟิวแรนโพลีอีเทอร์ไกลคอล (PTMG) เป็นต้น

(2) ไดไอโซไซยาเนต

แม้น้ำหนักโมเลกุลจะเล็ก แต่คุณสมบัติที่โดดเด่นของ TPU ไม่เพียงแต่ช่วยเชื่อมต่อส่วนอ่อนและส่วนแข็งเข้าด้วยกันเท่านั้น แต่ยังช่วยให้ TPU มีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่ดีหลายประการอีกด้วย ไดไอโซไซยาเนตที่สามารถนำมาใช้กับ TPU ได้ ได้แก่ เมทิลีนไดฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (MDI), เมทิลีนบิส (-4-ไซโคลเฮกซิลไอโซไซยาเนต) (HMDI), พารา-ฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (PPDI), 1,5-แนฟทาลีนไดไอโซไซยาเนต (NDI), พารา-ฟีนิลไดเมทิลไดไอโซไซยาเนต (PXDI) เป็นต้น

(3) ตัวต่อโซ่

สารขยายสายโซ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 100~350 เป็นไดออลโมเลกุลขนาดเล็ก น้ำหนักโมเลกุลต่ำ โครงสร้างสายโซ่เปิด และไม่มีหมู่แทนที่ เอื้อต่อการได้ TPU ที่มีความแข็งสูงและน้ำหนักสเกลาร์สูง สารขยายสายโซ่ที่เหมาะสำหรับ TPU ได้แก่ 1,4-บิวเทนไดออล (BDO), 1,4-บิส (2-ไฮดรอกซีเอทอกซี) เบนซีน (HQEE), 1,4-ไซโคลเฮกเซนไดเมทานอล (CHDM), พารา-ฟีนิลไดเมทิลไกลคอล (PXG) เป็นต้น

การปรับเปลี่ยนการใช้ TPU เป็นสารเพิ่มความเหนียว

เพื่อลดต้นทุนผลิตภัณฑ์และได้รับประสิทธิภาพเพิ่มเติม อีลาสโตเมอร์เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนสามารถใช้เป็นสารเพิ่มความเหนียวที่ใช้กันทั่วไปในการเพิ่มความเหนียวให้กับวัสดุเทอร์โมพลาสติกและยางที่ดัดแปลงต่างๆ

เนื่องจากมีขั้วสูง โพลียูรีเทนจึงสามารถเข้ากันได้กับเรซินหรือยางที่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีนคลอรีน (CPE) ซึ่งสามารถใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ได้ การผสมกับ ABS สามารถแทนที่เทอร์โมพลาสติกทางวิศวกรรมสำหรับการใช้งานได้ เมื่อใช้ร่วมกับโพลีคาร์บอเนต (PC) จะมีคุณสมบัติเช่น ทนน้ำมัน ทนเชื้อเพลิง และทนต่อแรงกระแทก และสามารถใช้ในการผลิตตัวรถยนต์ได้ เมื่อผสมกับโพลีเอสเตอร์ ความเหนียวก็สามารถปรับปรุงได้ นอกจากนี้ ยังสามารถเข้ากันได้ดีกับ PVC, โพลีออกซีเมทิลีน หรือ PVDC โพลีเอสเตอร์โพลียูรีเทนสามารถเข้ากันได้ดีกับยางไนไตรล์ 15% หรือส่วนผสมยางไนไตรล์/PVC 40% โพลีอีเธอร์โพลียูรีเทนยังสามารถเข้ากันได้ดีกับกาวผสมยางไนไตรล์/โพลีไวนิลคลอไรด์ 40% ได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังสามารถเข้ากันได้ดีกับโคพอลิเมอร์อะคริโลไนไตรล์สไตรีน (SAN) อีกด้วย สามารถสร้างโครงสร้างเครือข่ายแทรกซึม (IPN) ได้ด้วยโพลีซิโลเซนที่ทำปฏิกิริยาได้ กาวผสมที่กล่าวถึงข้างต้นส่วนใหญ่ได้รับการผลิตอย่างเป็นทางการแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการวิจัยเกี่ยวกับการเพิ่มความเหนียวของ POM ด้วย TPU ในประเทศจีนเพิ่มมากขึ้น การผสม TPU และ POM ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและคุณสมบัติเชิงกลของ TPU เท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความเหนียวของ POM อย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย นักวิจัยบางท่านแสดงให้เห็นว่าในการทดสอบการแตกหักแบบดึง เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ POM โลหะผสม POM ที่มี TPU ได้เปลี่ยนจากการแตกหักแบบเปราะไปเป็นการแตกหักแบบเหนียว การเติม TPU ยังทำให้ POM มีประสิทธิภาพในการจดจำรูปร่างอีกด้วย บริเวณผลึกของ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสคงที่ของโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่าง ในขณะที่บริเวณอะมอร์ฟัสของ TPU อะมอร์ฟัสและ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสแบบกลับคืนได้ เมื่ออุณหภูมิตอบสนองการคืนตัวอยู่ที่ 165 องศาเซลเซียส และเวลาคืนตัวอยู่ที่ 120 วินาที อัตราการคืนตัวของโลหะผสมจะสูงกว่า 95% และให้ประสิทธิภาพการคืนตัวที่ดีที่สุด

TPU เข้ากันได้ยากกับวัสดุพอลิเมอร์ที่ไม่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีน โพลีโพรพิลีน ยางเอทิลีนโพรพิลีน ยางบิวทาไดอีน ยางไอโซพรีน หรือผงยางเสีย และไม่สามารถใช้ผลิตวัสดุผสมที่มีประสิทธิภาพดีได้ ดังนั้นจึงมักใช้วิธีการปรับสภาพพื้นผิว เช่น พลาสมา โคโรนา เคมีแบบเปียก ไพรเมอร์ เปลวไฟ หรือก๊าซรีแอคทีฟสำหรับวัสดุผสม ตัวอย่างเช่น บริษัท American Air Products and Chemicals ได้ดำเนินการปรับสภาพพื้นผิวด้วยก๊าซแอคทีฟ F2/O2 บนผงละเอียดโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษที่มีน้ำหนักโมเลกุล 3-5 ล้าน และเติมลงในโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ในอัตราส่วน 10% ซึ่งสามารถเพิ่มโมดูลัสการดัด แรงดึง และความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ การปรับสภาพพื้นผิวด้วยก๊าซแอคทีฟ F2/O2 ยังสามารถใช้กับเส้นใยสั้นที่มีความยาว 6-35 มม. ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งและความเหนียวในการฉีกขาดของวัสดุผสม

TPU ครอบคลุมการประยุกต์ใช้ในด้านใดบ้าง?

ในปี พ.ศ. 2501 บริษัท กู๊ดริช เคมิคอล (ปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น ลูบริซอล) ได้จดทะเบียนแบรนด์ TPU เป็นครั้งแรก คือ Estane ตลอดระยะเวลา 40 ปีที่ผ่านมา มีแบรนด์มากกว่า 20 แบรนด์ทั่วโลก และแต่ละแบรนด์มีผลิตภัณฑ์หลากหลายรุ่น ปัจจุบัน ผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU รายใหญ่ของโลก ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding และอื่นๆ

TPU เป็นอีลาสโตเมอร์คุณภาพสูง จึงมีผลิตภัณฑ์ปลายน้ำหลากหลายประเภท ซึ่งนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในสินค้าจำเป็นในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และอื่นๆ ด้านล่างนี้คือตัวอย่างบางส่วน

① วัสดุรองเท้า

TPU ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุหลักสำหรับรองเท้า เนื่องจากมีความยืดหยุ่นและทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์รองเท้าที่มีส่วนผสมของ TPU สวมใส่สบายกว่าผลิตภัณฑ์รองเท้าทั่วไปมาก จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์รองเท้าระดับไฮเอนด์ โดยเฉพาะรองเท้ากีฬาและรองเท้าลำลองบางประเภท

② ท่อยาง

เนื่องจากความอ่อนนุ่ม ความแข็งแรงแรงดึงที่ดี ความแข็งแรงต่อแรงกระแทก และความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ท่อ TPU จึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนในฐานะท่อแก๊สและน้ำมันสำหรับอุปกรณ์เครื่องกล เช่น เครื่องบิน รถถัง รถยนต์ มอเตอร์ไซค์ และเครื่องมือกล

③ สายเคเบิล

TPU มีคุณสมบัติต้านทานการฉีกขาด ต้านทานการสึกหรอ และมีคุณสมบัติการดัดงอ โดยความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิล ดังนั้นในตลาดจีน สายเคเบิลขั้นสูง เช่น สายควบคุมและสายไฟฟ้า จึงใช้ TPU เพื่อปกป้องวัสดุเคลือบของสายเคเบิลที่มีการออกแบบที่ซับซ้อน และการประยุกต์ใช้งานก็แพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ

④ อุปกรณ์ทางการแพทย์

TPU เป็นวัสดุทดแทน PVC ที่ปลอดภัย มีเสถียรภาพ และมีคุณภาพสูง ซึ่งไม่มีส่วนผสมของพทาเลตและสารเคมีอันตรายอื่นๆ และสามารถแพร่กระจายไปยังเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ในสายสวนหรือถุงทางการแพทย์ ทำให้เกิดผลข้างเคียงได้ นอกจากนี้ TPU เกรดอัดรีดและเกรดฉีดที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษยังสามารถใช้งานได้ง่าย เพียงแค่แก้ไขข้อบกพร่องเล็กน้อยในอุปกรณ์ PVC ที่มีอยู่

⑤ ยานพาหนะและยานพาหนะอื่น ๆ

โดยการอัดและเคลือบผ้าไนลอนทั้งสองด้านด้วยอีลาสโตเมอร์เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน จึงสามารถสร้างแพโจมตีการต่อสู้แบบพองลมและแพลาดตระเวนที่บรรทุกคนได้ 3-15 คน ได้อย่างมีประสิทธิภาพดีกว่าแพยางแบบวัลคาไนซ์มาก อีลาสโตเมอร์เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนที่เสริมด้วยไฟเบอร์กลาสสามารถนำไปใช้ผลิตส่วนประกอบของตัวถังรถ เช่น ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปทั้งสองด้านของตัวรถ แผงประตู กันชน แถบกันเสียดทาน และกระจังหน้า