一、TPU是什么  

TPU就是熱塑性聚氨酯，是一類加熱可以塑化、溶劑可以溶解的聚氨酯。熱塑性聚氨酯與混煉型和澆注型聚氨酯比較，化學(xué)結(jié)構(gòu)上沒有或很少有化學(xué)交聯(lián)，其分子基本上是線性的，然而卻存在一定量的物理交換。

所謂物理交換的概念，在1958年由SchollenbergeC.S.首先提出，是指在線性聚氨酯分子鏈之間，存在著遇熱或溶劑呈可逆性的“連接點”，它實際上不是化學(xué)交聯(lián)，但起化學(xué)交聯(lián)的作用。由于這種物理交聯(lián)的作用，聚氨酯形成了多相形態(tài)結(jié)構(gòu)理論，聚氨酯的氫鍵對其形態(tài)起了強(qiáng)化作用，并使其耐受更高的濕度。

  二、TPU有什么分類  

既然知道了TPU是什么，那它有哪些分類呢？按劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同，TPU可以有很多不同的分類。

圖 路博潤TPU材料

比如，按軟段結(jié)構(gòu)可分為聚酯型、聚醚型和丁二烯型，它們分別含有酯基、醚基或丁烯基。按硬段結(jié)構(gòu)分為氨酯型和氨酯脲型，它們分別由二醇擴(kuò)鏈劑或二胺擴(kuò)鏈劑獲得。普遍常見的劃分是分為聚酯型和聚醚型。

按有無交聯(lián)可分為純熱塑性和半熱塑性。前者是純線性結(jié)構(gòu)，無交聯(lián)鍵；后者是含有少量脲基甲酸酯等交聯(lián)鍵。按制成品用途可分為異型件（各種機(jī)械零件）、管材（護(hù)套、棒型材）和薄膜（薄片、薄板）以及膠粘劑、涂料和纖維等。

  三、TPU是怎么合成的  

TPU雖然有很多分類，但從分子結(jié)構(gòu)上來說，都是屬于聚氨酯。那么，它是怎么聚合而成的呢？按合成工藝的不同，主要分為本體聚合和溶液聚合。

圖 生成氨酯基的反應(yīng)

在本體聚合中，又可按有無預(yù)反應(yīng)分為預(yù)聚法和一步法：預(yù)聚法是將二異氰酸酯與大分子二醇先行反應(yīng)一定時間，再加入擴(kuò)鏈生產(chǎn)TPU；一步法是將大分子二醇、二異酸酯和擴(kuò)鏈劑同時混合反應(yīng)成TPU。

溶液聚合是將二異氰酸酯先溶于溶劑中，再加入大分子二醇令其反應(yīng)一定時間，最后加入擴(kuò)鏈劑生成TPU。

TPU的軟段種類、分子量、硬段或軟段含量以及TPU聚集態(tài)會影響TPU的密度，密度大約在1.10～1.25之間，與其他橡膠和塑料無顯著差異。在同等硬度時聚醚型TPU密度比聚酯型TPU低。

  四、TPU是如何加工的  

合成出來的TPU粒子需要進(jìn)行各種各樣的加工才能形成最終的制品，主要采用熔融法和溶液法進(jìn)行TPU的加工。

圖 TPU包膠在電動工具外殼的應(yīng)用  

熔融加工是用塑料工業(yè)常用的工藝：如混煉、壓延、擠出、吹塑和模塑（包括注射、壓縮、傳遞和離心等）；溶液加工是粒料溶于溶劑或直接在溶劑中聚合而制成溶液再進(jìn)行涂覆、紡絲等。

TPU制成最終產(chǎn)品，一般不需要進(jìn)行硫化交聯(lián)反應(yīng)，可以縮短生產(chǎn)周期，廢棄物料能夠回收重新加以利用。

  五、TPU性能怎么樣  

一個材料被大量應(yīng)用，肯定是因為其有著非常好的性能，TPU也不例外。

像澆注型聚氨酯（液體）和混煉型聚氨酯（固體）一樣，TPU具有高模量、高強(qiáng)度、高伸長和高彈性、優(yōu)良的耐磨、耐油、耐低溫、耐老化性能。其中拉伸強(qiáng)度高、伸長率大，長期壓縮永久變形率低等都是TPU的顯著優(yōu)點。

圖 聯(lián)景可發(fā)泡TPU

下面將主要從拉伸強(qiáng)度和伸長率、回彈性、硬度等方面闡述一下TPU的力學(xué)性能。

1、拉伸強(qiáng)度高、伸長率大

TPU的拉伸強(qiáng)度和伸長率都非常優(yōu)異。從下圖的數(shù)據(jù)我們可以看到，聚醚型TPU的拉伸強(qiáng)度和伸長率遠(yuǎn)優(yōu)于聚氯乙烯塑料和橡膠。

圖 TPU與其他材料拉伸強(qiáng)度的比較

此外TPU在加工過程不加或加入很少助劑，能滿足食品工業(yè)要求，這也是其他材料如PVC、橡膠等難以辦到的。

2、回彈性對溫度非常敏感

TPU的回彈性是指形變應(yīng)力解除后迅速恢復(fù)其原狀的程度，用恢復(fù)能表示，即形變回縮功與產(chǎn)生形變所需要的功之比。它是彈性體動態(tài)模量和內(nèi)摩擦的函數(shù)，并對溫度非常敏感。

圖 TPU回彈性與室溫以下溫度的關(guān)系

TPU軟段為PTMG、PCL、PBA，相對分子質(zhì)量分別為1000和2000；硬段為MDI-BDO，硬段含量分別為48.2%（PCL-1250為42.7%）和31.7%，r0=1.05預(yù)聚法合成。

正如所預(yù)期的那樣，回彈隨溫度的下降而降低，直到某一溫度，彈性又迅速增加。這個溫度是軟段結(jié)晶溫度，決定于大分子二醇的結(jié)構(gòu)，聚醚型TPU較聚酯型TPU低。在結(jié)晶溫度以下的溫度，彈性體變得很硬且失去了它的彈性，因此，回彈性是類似于離開硬金屬表面的反彈。

3、硬度范圍為邵爾A60~D80

硬度是材料抵抗變形、刻痕和劃傷能力的一種指標(biāo)。

TPU硬度通常用邵爾A型和邵爾D型硬度計測定，邵爾A用于較軟的TPU，邵爾D用于較硬的TPU。

圖  邵爾A與邵爾D之間的關(guān)系

由于可以通過調(diào)整軟硬鏈段的比例，來調(diào)整TPU的硬度高低，因此TPU有著比較寬的硬度范圍，其硬度從邵爾A60~D80，跨越了橡膠和塑料的硬度，并且在整個硬度范圍內(nèi)具有高彈性。

隨硬度的變化，TPU的一些性能會發(fā)生變化。比如，提高TPU的硬度，會出現(xiàn)拉伸模量和撕裂強(qiáng)度增加、剛性和壓縮應(yīng)力(負(fù)荷能力)增加、伸長率降低、密度和動態(tài)生熱增加、耐環(huán)境性能增加的性能變化。

  六、TPU可以用在哪里  

1958年美國Goodrich化學(xué)公司（現(xiàn)在更名為路博潤）首次登記了TPU商品牌號Estane，之后40年來全世界有20余個商品牌號問世，每一個牌號有幾個系列產(chǎn)品。目前有生產(chǎn)TPU原料廠家主要有巴斯夫、科思創(chuàng)、路博潤、亨斯邁、萬華化學(xué)、上海恒安、瑞華、旭川化學(xué)等等。

作為性能優(yōu)良的彈性體，TPU的下游產(chǎn)品方向非常廣泛，在日用品、體育用品、玩具、裝飾材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，下面舉幾個例子。

1、鞋材

TPU用于鞋材主要由于其優(yōu)良的彈性和耐磨性。含TPU的鞋類產(chǎn)品穿著舒適度方面比普通鞋類產(chǎn)品優(yōu)越得多，因此，在高檔鞋類產(chǎn)品中較為廣泛，尤其是一些運動鞋，休閑鞋。

圖 TPU鞋中底

圖 TPU鞋材

2、軟管

由于TPU軟管具有柔軟，良好的抗張強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度 耐高低溫性，所以在中國TPU軟管被廣泛用作飛機(jī)、坦克、汽車、摩托車、機(jī)床等機(jī)械設(shè)備等的輸氣、輸油軟管。

圖 TPU輸送軟管

圖 TPU管材

3、線纜

TPU提供了耐撕裂、耐磨與彎曲特征，耐高低溫性更是電纜性能的關(guān)鍵。所以在中國市場上，高等電纜如控制電纜與電力電纜用TPU，用來保護(hù)設(shè)計復(fù)雜電纜的被覆材料，用途也日益廣泛。

圖 TPU線纜材料

圖 TPU線纜

4、醫(yī)療器械

TPU是一種安全、穩(wěn)固、優(yōu)質(zhì)的PVC替代材料，不會有鄰苯二甲酸酯等化學(xué)有害物質(zhì)，遷移到醫(yī)療導(dǎo)管或醫(yī)療袋內(nèi)的血液或其他液體中產(chǎn)生副作用，并且專門開發(fā)的擠出級和注塑級TPU，只需在現(xiàn)有PVC設(shè)備稍作調(diào)試便可輕松使用。

圖 路博潤TPU醫(yī)療牙套

圖 TPU粉末SLS打印心臟模型

5、汽車漆面保護(hù)膜、改色膜

汽車漆面保護(hù)膜是一種以脂肪族TPU薄膜為基材的防護(hù)用品，具有高透明性、柔韌拉伸性、耐黃變等優(yōu)異性能，是汽車漆面防護(hù)技術(shù)的高端熱門產(chǎn)品。

TPU車衣，攝于和和新材

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感謝以下企業(yè)對本次會議的贊助與支持！

中威車飾

路博潤

上海納爾實業(yè)股份有限公司

河北舒萊美德塑料薄膜材料科技有限公司

浙江凱陽新材料股份有限公司

南通納科達(dá)聚氨酯科技有限公司

廣東邦固化學(xué)科技有限公司

江蘇膜雷士新材料科技有限公司

威海海朝機(jī)械有限公司

廣州市銳聚化工科技有限公司

蘇州金緯片板膜智能裝備有限公司

三芳化學(xué)工業(yè)股份有限公司

奇鈦（上海）化學(xué)科技有限公司

弘埔技術(shù)（香港）有限公司-巖崎電氣株式會社

埃萬特

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦高分子）：TPU材料多方位剖析（合成、加工、性能及應(yīng)用）