เทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์ คืออะไร?

เทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์ คืออะไร?

โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นวัสดุสังเคราะห์โพลียูรีเทนหลากหลายชนิด (พันธุ์อื่น ๆ หมายถึงโฟมโพลียูรีเทน, กาวโพลียูรีเทน, การเคลือบโพลียูรีเทนและเส้นใยโพลียูรีเทน) และเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นหนึ่งในสามประเภทของโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ คนทั่วไปเรียกมันว่า TPU ( โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์หลักอีกสองประเภทคือ โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์แบบหล่อ เรียกย่อว่า CPU และแบบผสม โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์ เรียกย่อว่า MPU)

TPU เป็นโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถขึ้นรูปเป็นพลาสติกได้โดยการให้ความร้อนและละลายด้วยตัวทำละลาย เมื่อเปรียบเทียบกับ CPU และ MPU แล้ว TPU มีการเชื่อมโยงข้ามทางเคมีเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในโครงสร้างทางเคมี สายโซ่โมเลกุลโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นเส้นตรง แต่มีการเชื่อมโยงข้ามทางกายภาพจำนวนหนึ่ง นี่คือเทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์ที่มีโครงสร้างโดดเด่นมาก

โครงสร้างและการจำแนกประเภทของ TPU

เทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์เป็นโพลีเมอร์เชิงเส้นแบบบล็อก (AB) A หมายถึงโพลีออลโพลีออล (เอสเทอร์หรือโพลีเอเทอร์ น้ำหนักโมเลกุล 1,000~6,000) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง เรียกว่าโซ่ยาว B หมายถึงไดออลที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนสายตรง 2-12 อะตอม เรียกว่าสายโซ่สั้น

ในโครงสร้างของเทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน อีลาสโตเมอร์ ส่วน A เรียกว่า ส่วนอ่อน ซึ่งมีลักษณะความยืดหยุ่นและความนุ่มนวล ทำให้ TPU มีความสามารถในการยืดตัวได้ สายโซ่ยูรีเทนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างส่วน B และไอโซไซยาเนตเรียกว่าส่วนที่แข็ง ซึ่งมีทั้งคุณสมบัติแข็งและแข็ง ด้วยการปรับอัตราส่วนของกลุ่ม A และ B ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ TPU ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่แตกต่างกัน

ตามโครงสร้างส่วนที่อ่อนนุ่ม สามารถแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์ ประเภทโพลีเอเทอร์ และประเภทบิวทาไดอีน ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มเอสเทอร์ กลุ่มอีเทอร์ หรือกลุ่มบิวทีนตามลำดับ ตามโครงสร้างส่วนที่แข็ง สามารถแบ่งออกเป็นประเภทยูรีเทนและประเภทยูเรียยูเรีย ซึ่งได้มาจากตัวขยายสายโซ่เอทิลีนไกลคอลหรือตัวขยายสายโซ่ไดเอมีนตามลำดับ การจำแนกประเภททั่วไปแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์และประเภทโพลีเอเทอร์

วัตถุดิบสำหรับการสังเคราะห์ TPU คืออะไร?

(1) โพลีเมอร์ไดออล

ไดออลโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 500 ถึง 4000 และหมู่สองฟังก์ชันซึ่งมีปริมาณ 50% ถึง 80% ในอีลาสโตเมอร์ TPU มีบทบาทสำคัญในคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของ TPU

โพลีเมอร์ไดออลที่เหมาะสำหรับยาง TPU สามารถแบ่งออกเป็นโพลีเอสเตอร์และโพลีอีเทอร์: โพลีเอสเตอร์ประกอบด้วย polytetramethylene Adipic acid glycol (PBA) ε PCL, PHC; โพลีอีเทอร์ประกอบด้วยโพลีออกซีโพรพิลีนอีเทอร์ไกลคอล (PPG), โพลีเอเทอร์ไกลคอลเตตระไฮโดรฟูแรน (PTMG) เป็นต้น

(2) ไดไอโซไซยาเนต

น้ำหนักโมเลกุลมีขนาดเล็กแต่มีฟังก์ชันที่โดดเด่น ซึ่งไม่เพียงแต่มีบทบาทในการเชื่อมต่อส่วนที่อ่อนและส่วนที่แข็งเท่านั้น แต่ยังทำให้ TPU มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดีต่างๆ ไดไอโซไซยาเนตที่ใช้กับ TPU ได้แก่: เมทิลีน ไดฟีนิล ไดไอโซไซยาเนต (MDI), เมทิลีน บิส (-4-ไซโคลเฮกซิล ไอโซไซยาเนต) (HMDI), พี-ฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (PPDI), 1,5-แนฟทาลีน ไดไอโซไซยาเนต (NDI), พี-ฟีนิลไดเมทิล ไดไอโซไซยาเนต ( PXDI) ฯลฯ

(3) ส่วนต่อขยายโซ่

ตัวขยายโซ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 100 ~ 350 ซึ่งเป็นของไดออลโมเลกุลขนาดเล็ก น้ำหนักโมเลกุลขนาดเล็ก โครงสร้างโซ่เปิดและไม่มีกลุ่มส่วนประกอบใด ๆ เอื้อต่อการได้รับความแข็งสูงและน้ำหนักสเกลาร์สูงของ TPU สารขยายสายโซ่ที่เหมาะสมสำหรับ TPU รวมถึง 1,4-บิวเทนไดออล (BDO), 1,4-บิส (2-ไฮดรอกซีเอทอกซี) เบนซีน (HQEE), 1,4-ไซโคลเฮกซาเนดิมทานอล (CHDM), p-ฟีนิลไดเมทิลไกลคอล (PXG) เป็นต้น

การปรับเปลี่ยนการประยุกต์ใช้ TPU เป็นตัวแทนการแข็งตัว

เพื่อลดต้นทุนผลิตภัณฑ์และได้รับประสิทธิภาพเพิ่มเติม โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์สามารถใช้เป็นสารเพิ่มความแกร่งที่ใช้กันทั่วไปในการทำให้วัสดุเทอร์โมพลาสติกและยางดัดแปลงต่างๆ แข็งตัวได้

เนื่องจากมีขั้วสูง โพลียูรีเทนจึงสามารถเข้ากันได้กับโพลาร์เรซินหรือยาง เช่น คลอรีนโพลิเอทิลีน (CPE) ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ได้ การผสมด้วย ABS สามารถทดแทนเทอร์โมพลาสติกทางวิศวกรรมสำหรับการใช้งานได้ เมื่อใช้ร่วมกับโพลีคาร์บอเนต (PC) จะมีคุณสมบัติต่างๆ เช่น ทนน้ำมัน ทนน้ำมันเชื้อเพลิง และทนแรงกระแทก และสามารถนำไปใช้สร้างตัวถังรถยนต์ได้ เมื่อรวมกับโพลีเอสเตอร์ จะสามารถปรับปรุงความเหนียวได้ นอกจากนี้ยังสามารถเข้ากันได้กับ PVC, Polyoxymethylene หรือ PVDC ได้เป็นอย่างดี โพลียูรีเทนโพลีเอสเตอร์สามารถเข้ากันได้ดีกับยางไนไตรล์ 15% หรือยางไนไตรล์ 40%/ส่วนผสม PVC; โพลียูรีเทนโพลียูรีเทนสามารถเข้ากันได้ดีกับกาวผสมยางไนไตรล์/โพลีไวนิลคลอไรด์ 40% นอกจากนี้ยังสามารถเข้ากันได้กับโคโพลีเมอร์อะคริโลไนไตรล์สไตรีน (SAN) อีกด้วย มันสามารถสร้างโครงสร้างเครือข่ายแทรกซึม (IPN) ด้วยโพลีไซลอกเซนที่ทำปฏิกิริยาได้ กาวผสมที่กล่าวมาข้างต้นส่วนใหญ่ได้รับการผลิตอย่างเป็นทางการแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการวิจัยเพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการทำให้ POM แข็งแกร่งขึ้นด้วย TPU ในประเทศจีน การผสม TPU และ POM ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและคุณสมบัติทางกลของ TPU เท่านั้น แต่ยังทำให้ POM แข็งแกร่งขึ้นอย่างมากอีกด้วย นักวิจัยบางคนได้แสดงให้เห็นว่าในการทดสอบการแตกหักของแรงดึง เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ POM โลหะผสม POM กับ TPU ได้เปลี่ยนจากการแตกหักแบบเปราะเป็นการแตกหักแบบยืดหยุ่น การเพิ่ม TPU ยังช่วยให้ POM มีประสิทธิภาพหน่วยความจำรูปร่างอีกด้วย บริเวณผลึกของ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสคงที่ของโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง ในขณะที่บริเวณอสัณฐานของ TPU และ POM ที่ไม่เป็นรูปสัณฐานทำหน้าที่เป็นเฟสที่ผันกลับได้ เมื่ออุณหภูมิตอบสนองการฟื้นตัวคือ 165 ℃ และเวลาในการฟื้นตัวคือ 120 วินาที อัตราการฟื้นตัวของโลหะผสมจะสูงกว่า 95% และผลการฟื้นตัวจะดีที่สุด

TPU เข้ากันได้ยากกับวัสดุโพลีเมอร์ที่ไม่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีน โพลีโพรพีลีน ยางเอทิลีนโพรพิลีน ยางบิวทาไดอีน ยางไอโซพรีน หรือผงยางเสีย และไม่สามารถใช้ในการผลิตคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพดีได้ ดังนั้นวิธีการรักษาพื้นผิว เช่น พลาสมา, โคโรนา, เคมีเปียก, ไพรเมอร์, เปลวไฟ หรือก๊าซปฏิกิริยา จึงมักใช้สำหรับวิธีหลัง ตัวอย่างเช่น บริษัท American Air Products and Chemicals ได้ทำการบำบัดพื้นผิวก๊าซแอคทีฟ F2/O2 บนผงละเอียดโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษที่มีน้ำหนักโมเลกุล 3-5 ล้าน และเติมลงในโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ในอัตราส่วน 10 % ซึ่งสามารถปรับปรุงโมดูลัสแรงดัดงอ ความต้านทานแรงดึง และความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมีนัยสำคัญ และการบำบัดพื้นผิวแก๊สแอคทีฟ F2/O2 ยังสามารถนำไปใช้กับเส้นใยสั้นที่ยืดออกในทิศทางที่มีความยาว 6-35 มม. ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งและความเหนียวของการฉีกขาดของวัสดุคอมโพสิตได้

TPU มีขอบเขตการใช้งานอะไรบ้าง?

ในปี พ.ศ. 2501 บริษัท Goodrich Chemical (ปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น Lubrizol) ได้จดทะเบียนแบรนด์ TPU Estane เป็นครั้งแรก ตลอด 40 ปีที่ผ่านมา มีแบรนด์สินค้ามากกว่า 20 แบรนด์ทั่วโลก และแต่ละแบรนด์ก็มีผลิตภัณฑ์หลายชุด ปัจจุบันผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU หลักในโลก ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding เป็นต้น

เนื่องจากเป็นอีลาสโตเมอร์ที่ดีเยี่ยม TPU มีผลิตภัณฑ์ปลายน้ำหลายประเภท ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในสิ่งของจำเป็นในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างบางส่วน

1 วัสดุรองเท้า

TPU ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับวัสดุรองเท้าเนื่องจากมีความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมและทนต่อการสึกหรอ ผลิตภัณฑ์รองเท้าที่มี TPU สวมใส่สบายกว่าผลิตภัณฑ์รองเท้าทั่วไปมาก ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์รองเท้าระดับไฮเอนด์ โดยเฉพาะรองเท้ากีฬาและรองเท้าลำลองบางประเภท

② ท่อ

เนื่องจากความนุ่มนวล แรงดึงที่ดี แรงกระแทก และความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ท่อ TPU จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนเป็นท่อก๊าซและน้ำมันสำหรับอุปกรณ์เครื่องจักรกล เช่น เครื่องบิน รถถัง รถยนต์ รถจักรยานยนต์ และเครื่องมือกล

3. สายเคเบิล

TPU ให้ความต้านทานการฉีกขาด ความต้านทานการสึกหรอ และการดัดงอ โดยความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำเป็นกุญแจสำคัญในประสิทธิภาพของสายเคเบิล ดังนั้นในตลาดจีน สายเคเบิลขั้นสูง เช่น สายเคเบิลควบคุมและสายไฟ จึงใช้ TPU เพื่อปกป้องวัสดุเคลือบของการออกแบบสายเคเบิลที่ซับซ้อน และการใช้งานของสายเคเบิลเหล่านี้ก็เริ่มแพร่หลายมากขึ้น

④ อุปกรณ์การแพทย์

TPU เป็นวัสดุทดแทน PVC ที่ปลอดภัย เสถียร และมีคุณภาพสูง ซึ่งไม่มีสารพาทาเลทและสารเคมีอันตรายอื่นๆ และจะซึมเข้าสู่กระแสเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ในสายสวนทางการแพทย์หรือถุงทางการแพทย์เพื่อทำให้เกิดผลข้างเคียง นอกจากนี้ เกรดการอัดขึ้นรูปและเกรดการฉีดที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษ TPU ยังสามารถใช้งานได้ง่ายด้วยการดีบักเล็กน้อยในอุปกรณ์ PVC ที่มีอยู่

⑤ ยานพาหนะและวิธีการขนส่งอื่น ๆ

โดยการอัดรีดและเคลือบผ้าไนลอนทั้งสองด้านด้วยโพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ สามารถสร้างแพโจมตีแบบพองได้และแพลาดตระเวนที่บรรทุกคนได้ 3-15 คน โดยมีประสิทธิภาพที่ดีกว่าแพพองยางวัลคาไนซ์มาก โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์เสริมแรงด้วยใยแก้วสามารถนำมาใช้สร้างส่วนประกอบต่างๆ ของตัวรถได้ เช่น ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปทั้งสองด้านของตัวรถ เปลือกประตู กันชน แถบกันการเสียดสี และกระจังหน้า