Che cos'è un elastomero poliuretanico termoplastico?

Che cos'è un elastomero poliuretanico termoplastico?

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

Il TPU è un tipo di elastomero poliuretanico che può essere plastificato tramite riscaldamento e disciolto in solventi. Rispetto al CPU e all'MPU, il TPU presenta una reticolazione chimica minima o nulla nella sua struttura. La sua catena molecolare è sostanzialmente lineare, ma è presente una certa quantità di reticolazione fisica. Questo lo rende un elastomero poliuretanico termoplastico dalle caratteristiche strutturali molto peculiari.

Struttura e classificazione delle TPU

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

Nella struttura dell'elastomero poliuretanico termoplastico (TPU), il segmento A è chiamato segmento morbido, che presenta 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 possiede sia proprietà di rigidità che di durezza. 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 tipo poliestere, tipo polieterico e tipo butadiene, che contengono rispettivamente un gruppo estere, un gruppo etere o un gruppo butene. In base alla struttura del segmento rigido, può essere suddiviso in tipo uretanico e tipo uretano-urea, ottenuti rispettivamente da estensori di catena di glicole etilenico o estensori di catena di diammina. La classificazione comune è suddivisa in tipo poliestere e tipo polieterico.

Quali sono le materie prime per la sintesi del TPU?

(1) Polimero diolo

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

Il polimero Diol adatto per l'elastomero TPU può essere suddiviso in poliesteri e polieteri: i poliesteri includono il politetrametilenglicole (PBA), il PCL e il PHC; i polieteri includono il poliossipropilenglicole (PPG), il tetraidrofurano polietereglicole (PTMG), ecc.

(2) Diisocianato

Il peso molecolare è basso, ma la funzione è eccezionale: non solo funge da collegamento tra il segmento morbido e quello rigido, ma conferisce anche al TPU diverse ottime proprietà fisiche e meccaniche. I diisocianati applicabili al TPU sono: metilene difenil diisocianato (MDI), metilene bis(-4-cicloesil isocianato) (HMDI), p-fenildiisocianato (PPDI), 1,5-naftalene diisocianato (NDI), p-fenildimetil diisocianato (PXDI), ecc.

(3) Prolunga catena

L'estensore di catena con un peso molecolare di 100~350, appartenente alla classe dei dioli a basso peso molecolare, con struttura a catena aperta e senza gruppi sostituenti, è utile per ottenere 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 della modifica del TPU come agente rinforzante

Al fine di ridurre i costi di produzione e ottenere prestazioni superiori, gli elastomeri termoplastici poliuretanici possono essere utilizzati come agenti rinforzanti comunemente impiegati per indurire diversi materiali termoplastici e gomme modificate.

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 dispositivi medici; la miscelazione con ABS può sostituire i termoplastici tecnici; se utilizzato in combinazione con il policarbonato (PC), presenta proprietà quali resistenza agli oli, ai carburanti e agli urti, e può essere utilizzato per realizzare carrozzerie per auto; se combinato con il 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 la gomma nitrilica al 15% o con la miscela di gomma nitrilica/PVC al 40%; il poliuretano polieterico può essere ben compatibile anche con l'adesivo a base di miscela di gomma nitrilica/cloruro di polivinile al 40%; può essere anche cocompatibile con i 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 ufficialmente prodotta.

Negli ultimi anni, in Cina si è assistito a un crescente interesse nella ricerca sul rinforzo del POM mediante TPU. La miscelazione di TPU e POM non solo migliora la resistenza alle alte temperature e le proprietà meccaniche del TPU, ma aumenta anche significativamente la tenacità del POM. Alcuni ricercatori hanno dimostrato che, nei test di frattura a trazione, rispetto alla matrice di POM, la lega di POM con TPU presenta una transizione da frattura fragile a frattura duttile. L'aggiunta di TPU conferisce inoltre al POM proprietà di 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 raggiunge oltre il 95%, con un effetto di recupero ottimale.

Il TPU è difficilmente compatibile con materiali polimerici non polari come polietilene, polipropilene, gomma etilene-propilene, gomma butadiene, gomma isoprenica o polvere di gomma di scarto, e non può essere utilizzato per produrre compositi con buone prestazioni. Pertanto, per questi ultimi si utilizzano spesso metodi di trattamento superficiale come plasma, effetto corona, chimica in soluzione, primer, fiamma o gas reattivi. Ad esempio, la American Air Products and Chemicals Company ha effettuato un trattamento superficiale con gas attivo F2/O2 su polvere fine di polietilene ad altissimo peso molecolare con un peso molecolare di 3-5 milioni, aggiungendola a un elastomero di poliuretano in una percentuale del 10%, il che può migliorare 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, migliorando la rigidità e la tenacità allo strappo del materiale composito.

Quali sono i campi di applicazione del TPU?

Nel 1958, la Goodrich Chemical Company (ora rinominata Lubrizol) registrò per la prima volta il marchio Estane per il TPU. Negli ultimi 40 anni, sono stati creati oltre 20 marchi in tutto il mondo, ognuno con diverse serie di prodotti. Attualmente, i principali produttori mondiali di materie prime per TPU sono: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, ecc.

Essendo un elastomero eccellente, il TPU ha una vasta gamma di prodotti derivati, 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 è utilizzato principalmente nei materiali per calzature grazie alla sua eccellente elasticità e resistenza all'usura. Le calzature che contengono TPU sono molto più comode da indossare rispetto alle calzature tradizionali, pertanto il loro impiego è più diffuso nei prodotti di alta gamma, in particolare in alcune scarpe sportive e casual.

② Tubi flessibili

Grazie alla sua morbidezza, all'elevata 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 olio in apparecchiature meccaniche quali aerei, serbatoi, automobili, motociclette e macchine utensili.

③ Cavo

Il TPU offre resistenza allo strappo, all'usura e caratteristiche di flessione, con la resistenza alle alte e basse temperature che rappresenta la chiave per le prestazioni dei cavi. Pertanto, nel mercato cinese, i cavi avanzati, come i cavi di controllo e i cavi di alimentazione, utilizzano il TPU per proteggere i materiali di rivestimento di cavi con design complessi, e le loro applicazioni si stanno diffondendo sempre di più.

④ Dispositivi medici

Il TPU è un materiale sostitutivo del PVC sicuro, stabile e di alta qualità, che non contiene ftalati o altre sostanze chimiche nocive che potrebbero migrare nel sangue o in altri liquidi presenti nei cateteri o nelle sacche mediche, causando effetti collaterali. Inoltre, il TPU, appositamente sviluppato per estrusione e stampaggio a iniezione, può essere facilmente utilizzato, con poche modifiche, nelle apparecchiature in PVC esistenti.

⑤ Veicoli e altri mezzi di trasporto

Estrudendo e rivestendo entrambi i lati del tessuto di nylon con un elastomero termoplastico di poliuretano, è possibile realizzare gommoni da combattimento e da ricognizione gonfiabili in grado di trasportare da 3 a 15 persone, con prestazioni di gran lunga superiori rispetto ai gommoni gonfiabili in gomma vulcanizzata; l'elastomero termoplastico di poliuretano rinforzato con fibra di vetro può essere utilizzato per realizzare componenti della carrozzeria come parti stampate su entrambi i lati dell'auto stessa, pannelli delle portiere, paraurti, strisce antiattrito e griglie.