TPU结构及聚酯TPU聚醚TPU两种类型对比

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时间: 2021-07-20

TPU(thermoplastic polyurethane)是热塑性聚氨酯弹性体的简称,是一种性能优良的热塑性弹性体,兼具塑料的机械强度及橡胶的弹性,可采用传统的加工方式进行加工,如挤出,注塑,吹塑,流延,吹膜,压延等,其应用领域也呈现多样化的趋势,如鞋材,管材,薄膜,线缆,滚轮,合成革,胶黏剂,消费电子,智能可穿戴设备,生物医疗器材等。随着科学技术的发展,TPU的应用领域逐步扩大,市场前景也更为广阔。

一、TPU的分子结构

合成TPU的主要原料分为三种:聚合物二元醇(Polyol),二异氰酸酯(diisocyanate),小分子二元醇扩链剂(chain extender),三种原料之间反应生成软硬段相间的嵌段共聚物,其中polyol为软段相,赋予材料良好的柔顺性和高弹性,diisocyanate与chain extender形成的硬段相,赋予材料良好的力学性能。



二、 TPU的微相结构

TPU之所以兼具力学强度和高弹性,与其微相结构有着密不可分的关系。由于分子间作用力(包括氢键)作用,硬段之间由于氢键的作用倾向于聚集形成类似于结晶的有序结构,而这种有序结构在材料中起到物理交联点的作用,由于软硬段极性的差异,造成了TPU材料软段相和硬段相的微相分离,硬段赋予材料良好的力学强度,软段赋予材料极佳的弹性,正是这种独特的结构使材料具有良好的性能,且软硬段极性差异越大,微相分离越完全,材料的性能也相对越好;同时这种物理交联又不同于橡胶分子间的化学交联,这种交联结构是可逆的,当TPU材料熔融后硬段聚集态结构解除,而冷却过程中又再次形成这种结构,因此TPU生产和加工中微相分离程度的控制对产品质量有着至关重要的影响。


三、 聚酯型TPU和聚醚型TPU对比

根据合成TPU所用Polyol的不同,TPU大致可分为聚酯型TPU和聚醚型TPU,聚酯型TPU所用polyol一般为分子量为1000-3000的己二酸系二元醇,聚醚型TPU所用polyol一般为分子量为1000或2000的聚四氢呋喃二醇(PTMEG)。两种类型TPU在以下几个方面也表现出明显的差异。

机械强度

相对于聚醚型TPU,由聚酯型polyol合成的TPU分子含极性大的酯基,这种聚氨酯内部硬段之间不仅能够形成氢键,而且软段上的极性基团也能部分地与硬段上的极性基团形成氢键,使硬相能更均匀地分布于软相中,起到物理交联点的作用。因此相对而言,聚酯型TPU的力学强度更高;另外在原料化学配比一定的情况下,改变polyol的分子量对TPU力学强度的影响也不相同。对于聚醚型TPU来说,增加polyol的分子量相当于减少硬段比例,由于醚键内聚能较低,键的旋转位垒较小,随着聚醚相对分子质量的增加,链更柔顺,软段比例增加,故强度下降,弹性增加;对于聚酯型二元醇来说,polyol分子量的增加对强度影响则不明显,这是由于分子中存在极性酯基,聚酯软段的分子量增加,酯基也增加,这在一定程度上抵消了软段增加、硬段减少对强度的负面影响。

低温柔顺性

相对于酯基来说,由于醚键内聚能较低,易于旋转,故聚醚型TPU具有更好的耐低温性能。

耐水解

聚酯型TPU易受水分子的侵袭而发生分子断裂,且水解生成的酸又能催化其进一步的水解,这在高温条件下表现的尤其明显。虽然在聚酯TPU生产配方中加入(聚)碳化二亚胺抗水解剂可大幅度提高聚酯型TPU的耐水解性能,但总体来说聚醚型TPU具有更好的耐水解性,尤其是耐高温水解性。

耐热氧老化性能

醚基邻位亚甲基上的α氢比较活泼,在空气中受热极易氧化使制品变黄,所以聚酯型TPU的耐热氧老化性能更好。而聚醚型TPU在配方中往往添加受阻酚类或亚磷酸酯类等抗氧剂以提高产品的耐氧化性能。

耐油性及耐生物降解性

由于聚酯型TPU分子软段的极性与油脂极性差异更大,所以相对来说其耐油性要比聚醚型更好,但是聚酯型TPU与微生物长期接触,会被微生物侵蚀,而聚醚型TPU则很难受到微生物的侵蚀,故聚醚型TPU的耐生物降解性能更好。

价格

鉴于生产原料价格及其它方面的因素,聚醚型TPU的价格要高于聚酯型TPU。

总体上说,聚酯型TPU价格相对较低,具有更好的力学性能,耐热氧老化性和耐油性,聚醚型TPU价格较高,耐低温性,耐水解性及耐生物降解性更好。


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