מהו אלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי?

מהו אלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי?

אלסטומר פוליאוריטן הוא מגוון של חומרים סינתטיים מפוליאוריטן (סוגים אחרים מתייחסים לקצף פוליאוריטן, דבק פוליאוריטן, ציפוי פוליאוריטן וסיב פוליאוריטן), ואלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי הוא אחד משלושת הסוגים של אלסטומר פוליאוריטן. אנשים מתייחסים אליו בדרך כלל כ-TPU (שני הסוגים העיקריים האחרים של אלסטומרים מפוליאוריטן הם אלסטומרים מפוליאוריטן יצוקים, המכונים בקיצור CPU, ואלסטומרים מפוליאוריטן מעורבים, המכונים בקיצור MPU).

TPU הוא סוג של אלסטומר פוליאוריטן שניתן לפלסטי אותו על ידי חימום ולהמיס אותו באמצעות ממס. בהשוואה ל-CPU ול-MPU, ל-TPU יש מעט מאוד קישורים כימיים או ללא קישורים צולבים במבנה הכימי שלו. השרשרת המולקולרית שלו היא בעיקרה ליניארית, אך ישנה כמות מסוימת של קישורים צולבים פיזיקליים. זהו אלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי בעל מבנה אופייני מאוד.

מבנה וסיווג של TPU

אלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי הוא פולימר ליניארי מסוג בלוק (AB). A מייצג פולימר פולימרי (אסטר או פוליאתר, משקל מולקולרי של 1000~6000) בעל משקל מולקולרי גבוה, הנקרא שרשרת ארוכה; B מייצג דיול המכיל 2-12 אטומי פחמן ישרים, הנקרא שרשרת קצרה.

במבנה של אלסטומר פוליאוריטן תרמופלסטי, מקטע A נקרא מקטע רך, בעל מאפייני גמישות ורכות, מה שהופך את ה-TPU לגמיש; שרשרת האורתן הנוצרת מהתגובה בין מקטע B לאיזוציאנט נקראת מקטע קשה, בעלת תכונות נוקשות וקשות כאחד. על ידי התאמת היחס בין מקטעי A ו-B, מיוצרים מוצרי TPU בעלי תכונות פיזיקליות ומכניות שונות.

לפי מבנה המקטע הרך, ניתן לחלק אותו לסוג פוליאסטר, סוג פוליאתר וסוג בוטאדיאן, המכילים בהתאמה קבוצת אסטר, קבוצת אתר או קבוצת בוטן. לפי מבנה המקטע הקשה, ניתן לחלק אותו לסוג אוריתן וסוג אוריאה, המתקבלים בהתאמה ממאריכי שרשרת אתילן גליקול או ממאריכי שרשרת דיאמין. הסיווג הנפוץ מחולק לסוג פוליאסטר וסוג פוליאתר.

מהם חומרי הגלם לסינתזת TPU?

(1) פולימר דיול

דיול מקרומולקולרי בעל משקל מולקולרי הנע בין 500 ל-4000 וקבוצות דו-פונקציונליות, עם תכולה של 50% עד 80% באלסטומר TPU, ממלא תפקיד מכריע בתכונות הפיזיקליות והכימיות של TPU.

ניתן לחלק את הפולימר דיול המתאים לאלסטומר TPU לפוליאסטר ופוליאתר: פוליאסטר כולל פוליטטרמתילן, חומצה אדיפית גליקול (PBA), ε PCL ו-PHC; פוליאתרים כוללים פוליאוקסיפרופילן אתר גליקול (PPG), טטרהידרופוראן פוליאתר גליקול (PTMG) ועוד.

(2) דיאיזוציאנט

המשקל המולקולרי קטן אך הפונקציה יוצאת דופן, אשר לא רק ממלאת את התפקיד של חיבור הקטע הרך והקטע הקשה, אלא גם מקנה ל-TPU תכונות פיזיקליות ומכניות טובות שונות. הדיאיזוציאנטים החלים על TPU הם: מתילן דיפניל דיאיזוציאנט (MDI), מתילן ביס (-4-ציקלוהקסיל איזוציאנט) (HMDI), p-פנילדיאיזוציאנט (PPDI), 1,5-נפתלין דיאיזוציאנט (NDI), p-פנילדימתיל דיאיזוציאנט (PXDI) וכו'.

(3) מאריך שרשרת

מאריך שרשרת בעל משקל מולקולרי של 100~350, השייך לדיול מולקולרי קטן, משקל מולקולרי קטן, מבנה שרשרת פתוח וללא קבוצת תחליפים, תורם להשגת קשיות גבוהה ומשקל סקלרי גבוה של TPU. מאריכי שרשרת המתאימים ל-TPU כוללים 1,4-בוטנדיול (BDO), 1,4-ביס (2-הידרוקסיאתוקסי) בנזן (HQEE), 1,4-ציקלוהקסנדימתנול (CHDM), p-פנילדימתילגליקול (PXG) וכו'.

יישום שינוי של TPU כחומר הקשחה

על מנת להפחית את עלויות המוצר ולהשיג ביצועים נוספים, ניתן להשתמש באלסטומרים תרמופלסטיים מפוליאוריטן כחומרי הקשחה נפוצים להקשיח מגוון חומרים תרמופלסטיים וחומרי גומי שעברו שינוי ותפעול.

בשל הקוטביות הגבוהה שלו, פוליאוריטן יכול להיות תואם לשרפים או גומי פולאריים, כגון פוליאתילן כלורי (CPE), בהם ניתן להשתמש לייצור מוצרים רפואיים; ערבוב עם ABS יכול להחליף תרמופלסטים הנדסיים; כאשר משתמשים בו בשילוב עם פוליקרבונט (PC), יש לו תכונות כמו עמידות לשמן, עמידות לדלק ועמידות בפני פגיעות, וניתן להשתמש בו לייצור מרכבי מכוניות; כאשר משולבים עם פוליאסטר, ניתן לשפר את קשיחותו; בנוסף, הוא יכול להיות תואם היטב ל-PVC, פוליאוקסימתילן או PVDC; פוליאוריטן פוליאסטר יכול להיות תואם היטב לתערובת של 15% גומי ניטריל או 40% גומי ניטריל/PVC; פוליאוריטן פוליאתרי יכול להיות תואם היטב גם לדבק תערובת של 40% גומי ניטריל/פוליוויניל כלוריד; הוא יכול להיות תואם גם לקופולימרים של אקרילוניטריל סטירן (SAN); הוא יכול ליצור מבני רשת חודרת (IPN) עם פוליסילוקסנים ריאקטיביים. הרוב המכריע של הדבקים המעורבבים שהוזכרו לעיל כבר יוצרו רשמית.

בשנים האחרונות, גובר המחקר על הקשחת POM על ידי TPU בסין. ערבוב TPU ו-POM לא רק משפר את העמידות בטמפרטורה גבוהה ואת התכונות המכניות של TPU, אלא גם מקשה משמעותית את ה-POM. כמה חוקרים הראו שבבדיקות שבר מתיחה, בהשוואה למטריצת POM, סגסוגת ה-POM עם TPU עברה משבר שביר לשבר גמיש. הוספת TPU גם מעניקה ל-POM ביצועי זיכרון צורה. האזור הגבישי של POM משמש כפאזה קבועה של סגסוגת זיכרון הצורה, בעוד שהאזור האמורפי של TPU ו-POM אמורפי משמש כפאזה הפיכה. כאשר טמפרטורת תגובת ההתאוששות היא 165 ℃ וזמן ההתאוששות הוא 120 שניות, קצב ההתאוששות של הסגסוגת מגיע ליותר מ-95%, ואפקט ההתאוששות הוא הטוב ביותר.

קשה ל-TPU להיות תואם לחומרים פולימריים לא קוטביים כגון פוליאתילן, פוליפרופילן, גומי אתילן-פרופילן, גומי בוטאדיאן, גומי איזופרן או אבקת גומי פסולת, ולא ניתן להשתמש בו לייצור חומרים מרוכבים בעלי ביצועים טובים. לכן, שיטות טיפול פני שטח כגון פלזמה, קורונה, כימיה רטובה, פריימר, להבה או גז ריאקטיבי משמשות לעתים קרובות עבור האחרונים. לדוגמה, חברת American Air Products and Chemicals ביצעה טיפול פני שטח בגז פעיל F2/O2 על אבקת פוליאתילן דקה בעלת משקל מולקולרי גבוה במיוחד עם משקל מולקולרי של 3-5 מיליון, והוסיפה אותה לאלסטומר פוליאוריטן ביחס של 10%, מה שיכול לשפר משמעותית את מודול הכיפוף, חוזק המתיחה ועמידות בפני שחיקה. ניתן ליישם את טיפול פני השטח בגז פעיל F2/O2 גם על סיבים קצרים מוארכים באורך של 6-35 מ"מ, מה שיכול לשפר את הנוקשות וקשיחות הקריעה של החומר המרוכב.

מהם תחומי היישום של TPU?

בשנת 1958, חברת Goodrich Chemical (ששמה כיום Lubrizol) רשמה לראשונה את מותג ה-TPU Estane. במהלך 40 השנים האחרונות, היו יותר מ-20 מותגים ברחבי העולם, ולכל מותג מספר סדרות מוצרים. נכון לעכשיו, יצרני חומרי הגלם העיקריים של TPU בעולם הם: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding ועוד.

כאלסטומר מצוין, ל-TPU מגוון רחב של מוצרים בהמשך, הנמצאים בשימוש נרחב במוצרי צריכה יומיומיים, מוצרי ספורט, צעצועים, חומרי נוי ותחומים אחרים. להלן מספר דוגמאות.

① חומרי נעליים

TPU משמש בעיקר לחומרי נעליים בשל גמישותו המעולים ועמידותו בפני שחיקה. מוצרי הנעלה המכילים TPU נוחים הרבה יותר ללבישה מאשר מוצרי הנעלה רגילים, ולכן הם נמצאים בשימוש נרחב יותר במוצרי הנעלה יוקרתיים, במיוחד נעלי ספורט ונעלי קז'ואל מסוימות.

② צינורות

בשל רכותם, חוזק המתיחה הטוב, חוזק ההשפעה ועמידותם לטמפרטורות גבוהות ונמוכות, צינורות TPU נמצאים בשימוש נרחב בסין כצינורות גז ונפט עבור ציוד מכני כגון מטוסים, טנקים, מכוניות, אופנועים וכלי עבודה.

③ כבל

TPU מספק עמידות בפני קרעים, עמידות בפני שחיקה ומאפייני כיפוף, כאשר עמידות לטמפרטורות גבוהות ונמוכות היא המפתח לביצועי הכבל. לכן, בשוק הסיני, כבלים מתקדמים כמו כבלי בקרה וכבלי חשמל משתמשים ב-TPU כדי להגן על חומרי הציפוי של עיצובים מורכבים של כבלים, והיישומים שלהם הופכים נפוצים יותר ויותר.

④ מכשירים רפואיים

TPU הוא חומר תחליפי בטוח, יציב ואיכותי ל-PVC, שאינו מכיל פתלטים וחומרים כימיים מזיקים אחרים, ויעבור לדם או לנוזלים אחרים בקטטר הרפואי או בשקית הרפואית ויגרום לתופעות לוואי. יתר על כן, ניתן להשתמש בקלות ב-TPU שפותח במיוחד בדרגות שיחול ובדרגות הזרקה עם מעט ניפוי באגים בציוד PVC קיים.

⑤ כלי רכב ואמצעי תחבורה אחרים

על ידי עיבוד וציפוי משני צידי בד הניילון באלסטומר תרמופלסטי מפוליאוריתן, ניתן לייצר רפסודות מתנפחות לתקיפה קרבית ורפסודות סיור הנושאות 3-15 אנשים, עם ביצועים טובים בהרבה מאשר רפסודות מתנפחות מגומי מגופר; אלסטומר תרמופלסטי מפוליאוריתן מחוזק בסיבי זכוכית יכול לשמש לייצור רכיבי מרכב כגון חלקים יצוקים משני צידי המכונית עצמה, כיסויי דלתות, פגושים, רצועות נגד חיכוך וסורגים.