เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์คืออะไร?

โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นวัสดุสังเคราะห์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่ง (ชนิดอื่นๆ ได้แก่ โพลียูรีเทนโฟม โพลียูรีเทนกาว โพลียูรีเทนเคลือบ และโพลียูรีเทนไฟเบอร์) และเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นหนึ่งในสามประเภทของโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ โดยทั่วไปมักเรียกกันว่า TPU (อีกสองประเภทหลักของโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ ได้แก่ โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์แบบหล่อ ซึ่งย่อว่า CPU และโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์แบบผสม ซึ่งย่อว่า MPU)

TPU เป็นอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้อ่อนตัวได้ด้วยความร้อนและละลายได้ด้วยตัวทำละลาย เมื่อเปรียบเทียบกับ CPU และ MPU แล้ว TPU มีการเชื่อมโยงทางเคมีในโครงสร้างทางเคมีน้อยมากหรือไม่มีเลย สายโซ่โมเลกุลของมันโดยพื้นฐานแล้วเป็นเส้นตรง แต่มีการเชื่อมโยงทางกายภาพอยู่บ้าง นี่คืออีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกที่มีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์มาก

โครงสร้างและการจำแนกประเภทของ TPU

เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์เป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นแบบบล็อก (AB) โดยที่ A แทนพอลิเมอร์โพลีออล (เอสเทอร์หรือโพลีอีเทอร์ น้ำหนักโมเลกุล 1000~6000) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง เรียกว่าโซ่ยาว และ B แทนไดออลที่มีอะตอมคาร์บอนแบบโซ่ตรง 2-12 อะตอม เรียกว่าโซ่สั้น

ในโครงสร้างของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ ส่วน A เรียกว่าส่วนอ่อน ซึ่งมีคุณสมบัติยืดหยุ่นและอ่อนนุ่ม ทำให้ TPU มีความยืดหยุ่นได้ ส่วนโซ่ยูรีเทนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างส่วน B กับไอโซไซยาเนต เรียกว่าส่วนแข็ง ซึ่งมีคุณสมบัติทั้งแข็งและยืดหยุ่น การปรับอัตราส่วนของส่วน A และส่วน B ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ TPU ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลแตกต่างกัน

ตามโครงสร้างของส่วนอ่อน สามารถแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์ ประเภทโพลีอีเทอร์ และประเภทบิวทาไดอีน ซึ่งประกอบด้วยหมู่เอสเทอร์ หมู่อีเทอร์ และหมู่บิวทีน ตามลำดับ ส่วนตามโครงสร้างของส่วนแข็ง สามารถแบ่งออกเป็นประเภทยูรีเทน และประเภทยูรีเทนยูเรีย ซึ่งได้มาจากสารเพิ่มความยาวโซ่เอทิลีนไกลคอล หรือสารเพิ่มความยาวโซ่ไดอะมีน ตามลำดับ โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์และประเภทโพลีอีเทอร์

วัตถุดิบหลักในการสังเคราะห์ TPU คืออะไร?

(1) โพลิเมอร์ไดออล

ไดออลโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 500 ถึง 4000 และหมู่ฟังก์ชันคู่ ซึ่งมีปริมาณ 50% ถึง 80% ในยางยืด TPU มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของ TPU

พอลิเมอร์ไดออลที่เหมาะสมสำหรับอีลาสโตเมอร์ TPU สามารถแบ่งออกเป็นโพลีเอสเตอร์และโพลีอีเทอร์: โพลีเอสเตอร์ ได้แก่ โพลีเตตระเมทิลีนอะดิปิกแอซิดไกลคอล (PBA) ε PCL, PHC; โพลีอีเทอร์ ได้แก่ โพลีออกซีโพรพิลีนอีเทอร์ไกลคอล (PPG), เตตระไฮโดรฟิวแรนโพลีอีเทอร์ไกลคอล (PTMG) เป็นต้น

(2) ไดไอโซไซยาเนต

โมเลกุลมีน้ำหนักน้อยแต่มีฟังก์ชันการทำงานที่โดดเด่น ซึ่งไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เชื่อมต่อส่วนอ่อนและส่วนแข็งเท่านั้น แต่ยังทำให้ TPU มีคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่ดีต่างๆ อีกด้วย ไดไอโซไซยาเนตที่สามารถนำไปใช้กับ TPU ได้ ได้แก่ เมทิลีนไดฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (MDI), เมทิลีนบิส (-4-ไซโคลเฮกซิลไอโซไซยาเนต) (HMDI), พี-ฟีนิลไดไอโซไซยาเนต (PPDI), 1,5-แนฟทาลีนไดไอโซไซยาเนต (NDI), พี-ฟีนิลไดเมทิลไดไอโซไซยาเนต (PXDI) เป็นต้น

(3) ตัวต่อโซ่

สารเพิ่มความยาวโซ่ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 100-350 จัดอยู่ในกลุ่มไดออลโมเลกุลเล็ก มีน้ำหนักโมเลกุลน้อย โครงสร้างแบบโซ่เปิด และไม่มีหมู่แทนที่ เหมาะสำหรับการผลิต TPU ที่มีความแข็งสูงและน้ำหนักต่อปริมาตรสูง สารเพิ่มความยาวโซ่ที่เหมาะสมสำหรับ TPU ได้แก่ 1,4-บิวเทนไดออล (BDO), 1,4-บิส(2-ไฮดรอกซีเอทอกซี)เบนซีน (HQEE), 1,4-ไซโคลเฮกเซนไดเมทานอล (CHDM), พี-ฟีนิลไดเมทิลไกลคอล (PXG) เป็นต้น

การประยุกต์ใช้งานดัดแปลงของ TPU ในฐานะสารเพิ่มความแข็งแรง

เพื่อลดต้นทุนการผลิตและเพิ่มประสิทธิภาพ สามารถใช้โพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์เป็นสารเพิ่มความแข็งแรงที่ใช้กันทั่วไป เพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัสดุเทอร์โมพลาสติกและยางดัดแปลงต่างๆ

เนื่องจากมีขั้วสูง โพลียูรีเทนจึงสามารถเข้ากันได้กับเรซินหรือยางที่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีนคลอริเนต (CPE) ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ได้ การผสมกับ ABS สามารถใช้แทนเทอร์โมพลาสติกทางวิศวกรรมได้ เมื่อใช้ร่วมกับโพลีคาร์บอเนต (PC) จะมีคุณสมบัติ เช่น ทนต่อน้ำมัน ทนต่อเชื้อเพลิง และทนต่อแรงกระแทก และสามารถใช้ในการผลิตตัวถังรถยนต์ได้ เมื่อผสมกับโพลีเอสเตอร์ ความเหนียวของมันจะดีขึ้น นอกจากนี้ยังเข้ากันได้ดีกับ PVC, โพลีออกซีเมทิลีน หรือ PVDC โพลีเอสเตอร์โพลียูรีเทนสามารถเข้ากันได้ดีกับยางไนไตรล์ 15% หรือส่วนผสมของยางไนไตรล์ 40% กับ PVC โพลีอีเทอร์โพลียูรีเทนยังสามารถเข้ากันได้ดีกับกาวผสมยางไนไตรล์ 40% กับโพลีไวนิลคลอไรด์ นอกจากนี้ยังสามารถเข้ากันได้กับโคพอลิเมอร์อะคริโลไนไตรล์สไตรีน (SAN) และสามารถสร้างโครงสร้างเครือข่ายแทรกซึม (IPN) กับโพลีไซล็อกเซนที่ทำปฏิกิริยาได้ กาวผสมชนิดต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้นส่วนใหญ่ได้รับการผลิตอย่างเป็นทางการแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการวิจัยเพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับการเสริมความแข็งแรงของ POM ด้วย TPU ในประเทศจีน การผสม TPU กับ POM ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและคุณสมบัติทางกลของ TPU เท่านั้น แต่ยังช่วยเสริมความแข็งแรงของ POM อย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย นักวิจัยบางกลุ่มได้แสดงให้เห็นว่า ในการทดสอบการแตกหักจากการดึง เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ POM แล้ว โลหะผสม POM กับ TPU จะเปลี่ยนจากการแตกหักแบบเปราะเป็นการแตกหักแบบยืดหยุ่น การเติม TPU ยังทำให้ POM มีคุณสมบัติการจดจำรูปร่าง บริเวณผลึกของ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสคงที่ของโลหะผสมการจดจำรูปร่าง ในขณะที่บริเวณอสัณฐานของ TPU และ POM ทำหน้าที่เป็นเฟสที่กลับคืนสภาพได้ เมื่ออุณหภูมิการตอบสนองการคืนสภาพอยู่ที่ 165 ℃ และเวลาการคืนสภาพอยู่ที่ 120 วินาที อัตราการคืนสภาพของโลหะผสมจะสูงกว่า 95% และผลการคืนสภาพจะดีที่สุด

TPU เป็นวัสดุที่เข้ากันได้ยากกับวัสดุพอลิเมอร์ที่ไม่มีขั้ว เช่น โพลีเอทิลีน โพลีโพรพีลีน ยางเอทิลีนโพรพีลีน ยางบิวทาไดอีน ยางไอโซพรีน หรือผงยางเหลือใช้ และไม่สามารถนำไปใช้ผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพดีได้ ดังนั้นจึงมักใช้กรรมวิธีปรับสภาพพื้นผิว เช่น พลาสมา โคโรนา เคมีเปียก ไพรเมอร์ เปลวไฟ หรือก๊าซที่ทำปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น บริษัท Air Products and Chemicals ของสหรัฐอเมริกา ได้ทำการปรับสภาพพื้นผิวด้วยก๊าซ F2/O2 กับผงละเอียดโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก (3-5 ล้าน) และเติมลงในอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนในอัตราส่วน 10% ซึ่งสามารถปรับปรุงโมดูลัสการดัดงอ ความแข็งแรงดึง และความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมีนัยสำคัญ และการปรับสภาพพื้นผิวด้วยก๊าซ F2/O2 ยังสามารถนำไปใช้กับเส้นใยสั้นที่ยืดตัวในทิศทางเดียวที่มีความยาว 6-35 มม. ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งและความทนทานต่อการฉีกขาดของวัสดุคอมโพสิตได้

TPU มีการใช้งานในด้านใดบ้าง?

ในปี 1958 บริษัท Goodrich Chemical Company (ปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น Lubrizol) ได้จดทะเบียนเครื่องหมายการค้า TPU ชื่อ Estane เป็นครั้งแรก ตลอด 40 ปีที่ผ่านมา มีชื่อแบรนด์มากกว่า 20 ชื่อทั่วโลก และแต่ละแบรนด์ก็มีผลิตภัณฑ์หลายซีรีส์ ปัจจุบัน ผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU รายหลักของโลก ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding เป็นต้น

TPU เป็นวัสดุอีลาสโตเมอร์ที่ยอดเยี่ยม มีผลิตภัณฑ์ต่อยอดหลากหลายประเภท ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และอื่นๆ ตัวอย่างบางส่วนมีดังต่อไปนี้

① วัสดุที่ใช้ทำรองเท้า

TPU ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตรองเท้าเนื่องจากมีความยืดหยุ่นและทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์รองเท้าที่ทำจาก TPU สวมใส่สบายกว่ารองเท้าทั่วไปมาก จึงนิยมใช้ในรองเท้าคุณภาพสูง โดยเฉพาะรองเท้ากีฬาและรองเท้าลำลองบางรุ่น

② ท่อ

เนื่องจากความอ่อนนุ่ม ความแข็งแรงดึงสูง ความแข็งแรงต่อแรงกระแทก และทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ท่อ TPU จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนในฐานะท่อส่งก๊าซและน้ำมันสำหรับอุปกรณ์เครื่องจักรกล เช่น เครื่องบิน รถถัง รถยนต์ รถจักรยานยนต์ และเครื่องมือกล

③ สายเคเบิล

TPU มีคุณสมบัติทนทานต่อการฉีกขาด การสึกหรอ และการดัดงอ โดยความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำเป็นกุญแจสำคัญต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิล ดังนั้นในตลาดจีน สายเคเบิลขั้นสูง เช่น สายควบคุมและสายไฟ จึงใช้ TPU เพื่อปกป้องวัสดุเคลือบของสายเคเบิลที่มีโครงสร้างซับซ้อน และการใช้งานก็แพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ

④ อุปกรณ์ทางการแพทย์

TPU เป็นวัสดุทดแทน PVC ที่ปลอดภัย เสถียร และมีคุณภาพสูง ซึ่งปราศจากสารพทาเลตและสารเคมีอันตรายอื่นๆ และจะไม่ปนเปื้อนกับเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ในสายสวนทางการแพทย์หรือถุงทางการแพทย์จนก่อให้เกิดผลข้างเคียง นอกจากนี้ TPU เกรดสำหรับการอัดขึ้นรูปและการฉีดขึ้นรูปที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษ ยังสามารถใช้งานได้ง่ายกับอุปกรณ์ PVC ที่มีอยู่เดิม โดยต้องมีการปรับแต่งเล็กน้อย

⑤ ยานพาหนะและวิธีการขนส่งอื่นๆ

ด้วยการอัดขึ้นรูปและเคลือบผ้าไนลอนทั้งสองด้านด้วยเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทน ทำให้สามารถผลิตแพยางสำหรับโจมตีและลาดตระเวนที่บรรทุกผู้คนได้ 3-15 คน ซึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่าแพยางที่ทำจากยางวัลคาไนซ์มาก นอกจากนี้ เทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์โพลียูรีเทนเสริมด้วยใยแก้วยังสามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนตัวถัง เช่น ชิ้นส่วนขึ้นรูปบนด้านข้างของตัวรถ แผ่นปิดประตู กันชน แถบกันลื่น และกระจังหน้า