Che cosa è l'elastomero poliuretanico termoplastico?

Che cosa è l'elastomero poliuretanico termoplastico?

L'elastomero poliuretanico è una varietà di materiali sintetici poliuretanici (altre varietà si riferiscono a schiuma di poliuretano, adesivo poliuretanico, rivestimento in poliuretano e fibra di poliuretano) e l'elastomero poliuretanico termoplastico è uno dei tre tipi di elastomero poliuretanico, comunemente chiamato TPU (gli altri due tipi principali di elastomeri poliuretanici sono gli elastomeri poliuretanici fusi, abbreviati in CPU, e gli elastomeri poliuretanici misti, abbreviati in MPU).

Il TPU è un tipo di elastomero poliuretanico che può essere plastificato mediante riscaldamento e dissolto con solvente. Rispetto a CPU e MPU, il TPU presenta una reticolazione chimica scarsa o nulla nella sua struttura chimica. La sua catena molecolare è sostanzialmente lineare, ma presenta una certa quantità di reticolazione fisica. Questo è l'elastomero poliuretanico termoplastico, la cui struttura è molto caratteristica.

Struttura e classificazione del TPU

L'elastomero poliuretanico termoplastico è un polimero lineare a blocchi (AB). A rappresenta un poliolo polimerico (estere o polietere, peso molecolare 1000~6000) ad alto peso molecolare, definito a catena lunga; B rappresenta un diolo contenente 2-12 atomi di carbonio a catena lineare, definito a catena corta.

Nella struttura dell'elastomero poliuretanico termoplastico, il segmento A è chiamato segmento morbido, che presenta le caratteristiche di flessibilità e morbidezza, conferendo al TPU l'estensibilità; la catena uretanica generata dalla reazione tra il segmento B e l'isocianato è chiamata segmento duro, che presenta sia proprietà rigide che dure. Regolando il rapporto tra i segmenti A e B, si ottengono prodotti in TPU con diverse proprietà fisiche e meccaniche.

In base alla struttura del segmento morbido, può essere suddiviso in poliestere, polietere e butadiene, che contengono rispettivamente un gruppo estere, un gruppo etere o un gruppo butene. In base alla struttura del segmento duro, può essere suddiviso in uretano e uretano-urea, che si ottengono rispettivamente da estensori di catena a base di glicole etilenico o diammina. La classificazione comune prevede la suddivisione in poliestere e polietere.

Quali sono le materie prime per la sintesi del TPU?

(1) Diolo polimerico

Il diolo macromolecolare con peso molecolare compreso tra 500 e 4000 e gruppi bifunzionali, con un contenuto dal 50% all'80% nell'elastomero TPU, gioca un ruolo decisivo nelle proprietà fisiche e chimiche del TPU.

Il polimero Diol adatto per l'elastomero TPU può essere suddiviso in poliestere e polietere: il poliestere comprende politetrametilene glicole dell'acido adipico (PBA) ε PCL, PHC; i polieteri comprendono poliossipropilene etere glicole (PPG), tetraidrofurano polietere glicole (PTMG), ecc.

(2) Diisocianato

Il peso molecolare è ridotto, ma la sua funzione è eccezionale, non solo perché svolge il ruolo di collegamento tra il segmento morbido e quello duro, ma anche perché conferisce al TPU diverse buone proprietà fisiche e meccaniche. I diisocianati applicabili al TPU sono: metilendifenildiisocianato (MDI), metilenbis(-4-cicloesile isocianato) (HMDI), p-fenildiisocianato (PPDI), 1,5-naftalendiisocianato (NDI), p-fenildimetildiisocianato (PXDI), ecc.

(3) Estensione della catena

L'estensore di catena con un peso molecolare di 100~350, appartenente al diolo a basso peso molecolare, a struttura a catena aperta e senza gruppo sostituente, favorisce l'ottenimento di elevata durezza e alto peso scalare del TPU. Gli estensori di catena adatti per il TPU includono 1,4-butandiolo (BDO), 1,4-bis(2-idrossietossi)benzene (HQEE), 1,4-cicloesandimetanolo (CHDM), p-fenildimetilglicole (PXG), ecc.

Applicazione di modifica del TPU come agente indurente

Per ridurre i costi del prodotto e ottenere prestazioni aggiuntive, gli elastomeri termoplastici poliuretanici possono essere utilizzati come agenti tenacizzati comunemente utilizzati per rinforzare vari materiali termoplastici e in gomma modificata.

Grazie alla sua elevata polarità, il poliuretano può essere compatibile con resine o gomme polari, come il polietilene clorurato (CPE), che può essere utilizzato per realizzare prodotti medicali; La miscelazione con ABS può sostituire i termoplastici tecnici per l'uso; Se utilizzato in combinazione con policarbonato (PC), presenta proprietà come resistenza agli oli, ai carburanti e agli urti e può essere utilizzato per realizzare carrozzerie di automobili; Se combinato con poliestere, la sua tenacità può essere migliorata; Inoltre, può essere ben compatibile con PVC, poliossimetilene o PVDC; Il poliuretano poliestere può essere ben compatibile con gomma nitrilica al 15% o una miscela di gomma nitrilica al 40%/PVC; Il poliuretano polietere può anche essere ben compatibile con adesivi a base di miscela di gomma nitrilica al 40%/cloruro di polivinile; Può anche essere cocompatibile con copolimeri di acrilonitrile-stirene (SAN); Può formare strutture a rete interpenetrante (IPN) con polisilossani reattivi. La stragrande maggioranza degli adesivi miscelati sopra menzionati è già stata prodotta ufficialmente.

Negli ultimi anni, in Cina si è sviluppata una crescente ricerca sulla tempra del POM mediante TPU. La miscela di TPU e POM non solo migliora la resistenza alle alte temperature e le proprietà meccaniche del TPU, ma aumenta anche significativamente la tempra del POM. Alcuni ricercatori hanno dimostrato che nei test di frattura a trazione, rispetto alla matrice in POM, la lega POM con TPU è passata da frattura fragile a frattura duttile. L'aggiunta di TPU conferisce inoltre al POM prestazioni a memoria di forma. La regione cristallina del POM funge da fase fissa della lega a memoria di forma, mentre la regione amorfa del TPU amorfo e del POM funge da fase reversibile. Quando la temperatura di risposta al recupero è di 165 °C e il tempo di recupero è di 120 secondi, il tasso di recupero della lega supera il 95% e l'effetto di recupero è ottimale.

Il TPU è difficilmente compatibile con materiali polimerici apolari come polietilene, polipropilene, gomma etilene propilene, gomma butadiene, gomma isoprene o polvere di gomma di scarto, e non può essere utilizzato per produrre compositi con buone prestazioni. Pertanto, per questi ultimi, vengono spesso utilizzati metodi di trattamento superficiale come plasma, corona, chimica umida, primer, fiamma o gas reattivo. Ad esempio, l'American Air Products and Chemicals Company ha eseguito un trattamento superficiale con gas attivo F₂/O₂ su polvere fine di polietilene ad altissimo peso molecolare (PEM) con un peso molecolare di 3-5 milioni, aggiungendola a un elastomero poliuretanico in una percentuale del 10%, il che può migliorarne significativamente il modulo di flessione, la resistenza alla trazione e la resistenza all'usura. Il trattamento superficiale con gas attivo F₂/O₂ può essere applicato anche a fibre corte allungate direzionalmente con una lunghezza di 6-35 mm, il che può migliorare la rigidità e la tenacità del materiale composito.

Quali sono i campi di applicazione del TPU?

Nel 1958, Goodrich Chemical Company (ora ribattezzata Lubrizol) registrò per la prima volta il marchio TPU Estane. Negli ultimi 40 anni, sono stati registrati più di 20 marchi in tutto il mondo, ognuno dei quali comprende diverse linee di prodotti. Attualmente, i principali produttori di materie prime TPU al mondo sono: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, ecc.

Essendo un eccellente elastomero, il TPU ha un'ampia gamma di prodotti finali, ampiamente utilizzati in articoli di uso quotidiano, articoli sportivi, giocattoli, materiali decorativi e altri settori. Di seguito alcuni esempi.

① Materiali delle scarpe

Il TPU viene utilizzato principalmente per i materiali delle calzature grazie alla sua eccellente elasticità e resistenza all'usura. Le calzature contenenti TPU sono molto più comode da indossare rispetto alle calzature tradizionali, quindi sono ampiamente utilizzate nei prodotti di alta gamma, in particolare in alcune scarpe sportive e casual.

2 Tubi flessibili

Grazie alla loro morbidezza, alla buona resistenza alla trazione, alla resistenza agli urti e alla resistenza alle alte e basse temperature, i tubi in TPU sono ampiamente utilizzati in Cina come tubi per gas e petrolio per apparecchiature meccaniche quali aerei, carri armati, automobili, motociclette e macchine utensili.

3 Cavo

Il TPU offre resistenza allo strappo, all'usura e alla flessione, con la resistenza alle alte e basse temperature come fattore chiave per le prestazioni dei cavi. Pertanto, nel mercato cinese, cavi avanzati come cavi di controllo e cavi di alimentazione utilizzano il TPU per proteggere i materiali di rivestimento di cavi dal design complesso, e le loro applicazioni stanno diventando sempre più diffuse.

④ Dispositivi medici

Il TPU è un materiale sostitutivo del PVC sicuro, stabile e di alta qualità, privo di ftalati e altre sostanze chimiche nocive, che non possono migrare nel sangue o in altri liquidi presenti nel catetere o nella sacca medicale, causando effetti collaterali. Inoltre, il TPU di grado estrusione e iniezione appositamente sviluppato può essere facilmente utilizzato con un minimo di debug nelle apparecchiature in PVC esistenti.

⑤ Veicoli e altri mezzi di trasporto

Estrudendo e rivestendo entrambi i lati del tessuto di nylon con elastomero termoplastico poliuretanico, è possibile realizzare zattere da combattimento e da ricognizione gonfiabili, in grado di trasportare da 3 a 15 persone, con prestazioni decisamente migliori rispetto alle zattere gonfiabili in gomma vulcanizzata; l'elastomero termoplastico poliuretanico rinforzato con fibra di vetro può essere utilizzato per realizzare componenti della carrozzeria, come parti stampate su entrambi i lati dell'auto stessa, rivestimenti delle portiere, paraurti, strisce anti-attrito e griglie.