الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک چیست؟

الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک چیست؟

الاستومر پلی اورتان نوعی از مواد مصنوعی پلی اورتان است (انواع دیگر به فوم پلی اورتان، چسب پلی اورتان، پوشش پلی اورتان و فیبر پلی اورتان اشاره دارند) و الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک یکی از سه نوع الاستومر پلی اورتان است که معمولاً مردم آن را TPU می‌نامند (دو نوع اصلی دیگر الاستومر پلی اورتان، الاستومرهای پلی اورتان ریخته‌گری شده، به اختصار CPU، و الاستومرهای پلی اورتان مخلوط، به اختصار MPU هستند).

TPU نوعی الاستومر پلی اورتان است که می‌تواند با حرارت دادن نرم شده و توسط حلال حل شود. در مقایسه با CPU و MPU، TPU در ساختار شیمیایی خود پیوند عرضی شیمیایی کمی دارد یا اصلاً پیوند عرضی ندارد. زنجیره مولکولی آن اساساً خطی است، اما مقدار مشخصی پیوند عرضی فیزیکی وجود دارد. این الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک است که از نظر ساختاری بسیار خاص است.

ساختار و طبقه‌بندی TPU

الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک یک پلیمر خطی بلوکی (AB) است. A نشان دهنده یک پلی ال پلیمری (استر یا پلی اتر، وزن مولکولی 1000 تا 6000) با وزن مولکولی بالا است که به آن زنجیره بلند گفته می‌شود؛ B نشان دهنده یک دی ال حاوی 2 تا 12 اتم کربن با زنجیره مستقیم است که به آن زنجیره کوتاه گفته می‌شود.

در ساختار الاستومر پلی اورتان ترموپلاستیک، بخش A بخش نرم نامیده می‌شود که دارای ویژگی‌های انعطاف‌پذیری و نرمی است و باعث می‌شود TPU قابلیت کشش داشته باشد. زنجیره اورتان تولید شده توسط واکنش بین بخش B و ایزوسیانات، بخش سخت نامیده می‌شود که هم خواص سفت و هم سخت دارد. با تنظیم نسبت بخش‌های A و B، محصولات TPU با خواص فیزیکی و مکانیکی مختلف ساخته می‌شوند.

بر اساس ساختار قطعه نرم، می‌توان آن را به نوع پلی‌استر، نوع پلی‌اتر و نوع بوتادین تقسیم کرد که به ترتیب حاوی گروه استر، گروه اتر یا گروه بوتن هستند. بر اساس ساختار قطعه سخت، می‌توان آن را به نوع اورتان و نوع اورتان اوره تقسیم کرد که به ترتیب از تقویت‌کننده‌های زنجیره اتیلن گلیکول یا تقویت‌کننده‌های زنجیره دی‌آمین به دست می‌آیند. طبقه‌بندی رایج به نوع پلی‌استر و نوع پلی‌اتر تقسیم می‌شود.

مواد اولیه برای سنتز TPU چیست؟

(1) دیول پلیمری

دیول ماکرومولکولی با وزن مولکولی بین ۵۰۰ تا ۴۰۰۰ و گروه‌های دوعاملی، با محتوای ۵۰٪ تا ۸۰٪ در الاستومر TPU، نقش تعیین‌کننده‌ای در خواص فیزیکی و شیمیایی TPU ایفا می‌کند.

پلیمر دیول مناسب برای الاستومر TPU را می‌توان به پلی‌استر و پلی‌اتر تقسیم کرد: پلی‌استر شامل پلی‌تترامتیلن آدیپیک اسید گلیکول (PBA) ε PCL، PHC است؛ پلی‌اترها شامل پلی‌اکسی‌پروپیلن اتر گلیکول (PPG)، تتراهیدروفوران پلی‌اتر گلیکول (PTMG) و غیره هستند.

(2) دی ایزوسیانات

وزن مولکولی کم است اما عملکرد برجسته‌ای دارد که نه تنها نقش اتصال بخش نرم و بخش سخت را ایفا می‌کند، بلکه به TPU خواص فیزیکی و مکانیکی خوبی نیز می‌بخشد. دی ایزوسیانات‌های قابل استفاده در TPU عبارتند از: متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI)، متیلن بیس (-4-سیکلوهگزیل ایزوسیانات) (HMDI)، پارا-فنیل دی ایزوسیانات (PPDI)، 1،5-نفتالین دی ایزوسیانات (NDI)، پارا-فنیل دی متیل دی ایزوسیانات (PXDI) و غیره.

(3) افزایش دهنده زنجیره

افزایش‌دهنده زنجیره با وزن مولکولی ۱۰۰ تا ۳۵۰، متعلق به دی‌ال‌های مولکولی کوچک، وزن مولکولی کم، ساختار زنجیره باز و بدون گروه جانشینی، برای دستیابی به سختی و وزن اسکالر بالای TPU مفید است. افزایش‌دهنده‌های زنجیره مناسب برای TPU شامل ۱،۴-بوتاندیول (BDO)، ۱،۴-بیس (۲-هیدروکسی اتوکسی) بنزن (HQEE)، ۱،۴-سیکلوهگزان دی‌متانول (CHDM)، پارا-فنیل‌دی‌متیل‌گلیکول (PXG) و غیره هستند.

کاربرد اصلاحی TPU به عنوان عامل چقرمگی

به منظور کاهش هزینه‌های محصول و دستیابی به عملکرد بیشتر، الاستومرهای ترموپلاستیک پلی‌یورتان می‌توانند به عنوان عوامل سفت‌کننده رایج برای سفت کردن مواد مختلف ترموپلاستیک و لاستیک اصلاح‌شده استفاده شوند.

به دلیل قطبیت بالای آن، پلی اورتان می‌تواند با رزین‌ها یا لاستیک‌های قطبی مانند پلی اتیلن کلردار (CPE) که می‌توانند برای ساخت محصولات پزشکی استفاده شوند، سازگار باشد. ترکیب آن با ABS می‌تواند جایگزین ترموپلاستیک‌های مهندسی برای استفاده شود. هنگامی که در ترکیب با پلی کربنات (PC) استفاده می‌شود، خواصی مانند مقاومت در برابر روغن، مقاومت در برابر سوخت و مقاومت در برابر ضربه دارد و می‌تواند برای ساخت بدنه خودرو استفاده شود. هنگامی که با پلی استر ترکیب می‌شود، چقرمگی آن می‌تواند بهبود یابد. علاوه بر این، می‌تواند به خوبی با PVC، پلی اکسی متیلن یا PVDC سازگار باشد. پلی اورتان پلی استر می‌تواند به خوبی با 15٪ لاستیک نیتریل یا 40٪ لاستیک نیتریل/ترکیب PVC سازگار باشد. پلی اورتان پلی اتر نیز می‌تواند به خوبی با چسب ترکیبی 40٪ لاستیک نیتریل/پلی وینیل کلراید سازگار باشد. همچنین می‌تواند با کوپلیمرهای آکریلونیتریل استایرن (SAN) سازگار باشد. می‌تواند ساختارهای شبکه‌ای در هم تنیده (IPN) را با پلی سیلوکسان‌های واکنش‌پذیر تشکیل دهد. اکثر قریب به اتفاق چسب‌های ترکیبی فوق الذکر قبلاً رسماً تولید شده‌اند.

در سال‌های اخیر، تحقیقات فزاینده‌ای در مورد افزایش سختی POM توسط TPU در چین انجام شده است. ترکیب TPU و POM نه تنها مقاومت در برابر دمای بالا و خواص مکانیکی TPU را بهبود می‌بخشد، بلکه POM را نیز به طور قابل توجهی سخت می‌کند. برخی از محققان نشان داده‌اند که در آزمایش‌های شکست کششی، در مقایسه با ماتریس POM، آلیاژ POM با TPU از شکست ترد به شکست نرم تبدیل شده است. افزودن TPU همچنین به POM عملکرد حافظه شکلی می‌بخشد. ناحیه کریستالی POM به عنوان فاز ثابت آلیاژ حافظه شکلی عمل می‌کند، در حالی که ناحیه آمورف TPU آمورف و POM به عنوان فاز برگشت‌پذیر عمل می‌کند. هنگامی که دمای پاسخ بازیابی 165 درجه سانتیگراد و زمان بازیابی 120 ثانیه باشد، میزان بازیابی آلیاژ به بیش از 95 درصد می‌رسد و بهترین اثر بازیابی حاصل می‌شود.

سازگاری TPU با مواد پلیمری غیرقطبی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، لاستیک اتیلن پروپیلن، لاستیک بوتادین، لاستیک ایزوپرن یا پودر لاستیک ضایعاتی دشوار است و نمی‌توان از آن برای تولید کامپوزیت‌هایی با عملکرد خوب استفاده کرد. بنابراین، روش‌های عملیات سطحی مانند پلاسما، کرونا، شیمی تر، پرایمر، شعله یا گاز واکنش‌پذیر اغلب برای مورد دوم استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، شرکت American Air Products and Chemicals عملیات سطحی با گاز فعال F2/O2 را روی پودر ریز پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا با وزن مولکولی 3-5 میلیون انجام داده و آن را با نسبت 10٪ به الاستومر پلی‌اورتان اضافه کرده است که می‌تواند مدول خمشی، استحکام کششی و مقاومت در برابر سایش آن را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. و عملیات سطحی با گاز فعال F2/O2 را می‌توان روی الیاف کوتاه کشیده جهت‌دار با طول 6-35 میلی‌متر نیز اعمال کرد که می‌تواند سفتی و چقرمگی پارگی ماده کامپوزیت را بهبود بخشد.

زمینه‌های کاربرد TPU چیست؟

در سال ۱۹۵۸، شرکت شیمیایی گودریچ (که اکنون به لوبریزول تغییر نام داده است) برای اولین بار نام تجاری TPU Estane را ثبت کرد. در طول ۴۰ سال گذشته، بیش از ۲۰ نام تجاری در سراسر جهان وجود داشته است و هر برند دارای چندین سری محصول است. در حال حاضر، تولیدکنندگان اصلی مواد اولیه TPU در جهان عبارتند از: BASF، Covestro، Lubrizol، Huntsman Corporation، McKinsey، Golding و غیره.

TPU به عنوان یک الاستومر عالی، طیف گسترده‌ای از محصولات پایین‌دستی را در بر می‌گیرد که به طور گسترده در مایحتاج روزانه، کالاهای ورزشی، اسباب‌بازی‌ها، مواد تزئینی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر چند نمونه از آنها آورده شده است.

① مواد کفش

TPU به دلیل خاصیت ارتجاعی و مقاومت عالی در برابر سایش، عمدتاً برای مواد کفش استفاده می‌شود. محصولات کفش حاوی TPU بسیار راحت‌تر از محصولات کفش معمولی پوشیده می‌شوند، بنابراین در محصولات کفش سطح بالا، به ویژه برخی از کفش‌های ورزشی و کفش‌های راحتی، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

② شیلنگ‌ها

به دلیل نرمی، استحکام کششی خوب، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر دماهای بالا و پایین، شیلنگ‌های TPU به طور گسترده در چین به عنوان شیلنگ‌های گاز و روغن برای تجهیزات مکانیکی مانند هواپیما، تانک، خودرو، موتورسیکلت و ماشین ابزار استفاده می‌شوند.

③ کابل

TPU مقاومت در برابر پارگی، مقاومت در برابر سایش و ویژگی‌های خمشی را فراهم می‌کند و مقاومت در برابر دمای بالا و پایین کلید عملکرد کابل است. بنابراین در بازار چین، کابل‌های پیشرفته مانند کابل‌های کنترل و کابل‌های برق از TPU برای محافظت از مواد پوششی طرح‌های پیچیده کابل استفاده می‌کنند و کاربردهای آنها به طور فزاینده‌ای در حال گسترش است.

④ دستگاه‌های پزشکی

TPU یک ماده جایگزین PVC ایمن، پایدار و با کیفیت بالا است که حاوی فتالات و سایر مواد مضر شیمیایی نیست و به خون یا سایر مایعات موجود در سوند پزشکی یا کیسه پزشکی مهاجرت می‌کند و عوارض جانبی ایجاد می‌کند. علاوه بر این، TPU با درجه اکستروژن و درجه تزریق که به طور ویژه توسعه یافته است، می‌تواند به راحتی با کمی اشکال‌زدایی در تجهیزات PVC موجود استفاده شود.

⑤ وسایل نقلیه و سایر وسایل حمل و نقل

با اکسترود کردن و پوشش دادن دو طرف پارچه نایلونی با الاستومر ترموپلاستیک پلی اورتان، می‌توان قایق‌های تهاجمی رزمی بادی و قایق‌های شناسایی با ظرفیت حمل ۳ تا ۱۵ نفر ساخت که عملکرد بسیار بهتری نسبت به قایق‌های بادی لاستیکی ولکانیزه دارند؛ الاستومر ترموپلاستیک پلی اورتان تقویت شده با الیاف شیشه را می‌توان برای ساخت اجزای بدنه مانند قطعات قالب‌گیری شده در دو طرف خود خودرو، پوسته درها، سپرها، نوارهای ضد اصطکاک و جلوپنجره‌ها استفاده کرد.