סינתזה, עיבוד, ביצועים ויישום של חומרי TPU

TPU (פוליאוריתן תרמופלסטי)הוא סוג של פוליאוריטן שניתן לפלסטי אותו על ידי חימום וניתן להמיס אותו על ידי ממסים. בהשוואה לפוליאוריטן מסוג ערבוב וסוג יציקה, לפוליאוריטן תרמופלסטי אין קישור כימי או שאין לו קישור כימי רב במבנה הכימי, והמולקולות שלו הן בעיקרון ליניאריות, אך ישנה כמות מסוימת של חילופי דברים פיזיקליים.
המושג "חילוף פיזיקלי", שהוצע לראשונה על ידי שולןברגר סי.אס. בשנת 1958, מתייחס לקיומן של "נקודות חיבור" הפיכות בין שרשראות מולקולריות ליניאריות של פוליאוריטן כאשר הן נחשפות לחום או לממסים. זה לא באמת קשר צולב כימי. אבל הוא פועל כקשר צולב כימי. כתוצאה מקישור צולב פיזי זה, הפוליאוריטן יוצר תיאוריית מבנה מורפולוגית הטרוגנית, וקשרי המימן של הפוליאוריטן מחזקים את המורפולוגיה שלו והופכים אותו לעמיד בפני לחות גבוהה יותר.

מהו הסיווג של TPU

עכשיו כשאנחנו יודעים מה זה TPU, מהם הסיווגים שלו? על פי סטנדרטים שונים של סיווג, ל-TPU יכולים להיות סיווגים רבים ושונים.

לדוגמה, לפי מבנה המקטע הרך, ניתן לחלק אותו לסוג פוליאסטר, סוג פוליאתר וסוג בוטאדיאן, המכילים קבוצת אסטר, קבוצת אתר או קבוצת בוטן בהתאמה. לפי מבנה המקטע הקשה, ניתן לחלק אותו לסוג אוריתן וסוג אוריתן אוריאה, המתקבלים בהתאמה ממאריכי שרשרת דיאול או ממאריכי שרשרת דיאמין. החלוקה הנפוצה היא לסוג פוליאסטר וסוג פוליאתר.
לפי נוכחות או היעדר קישור צולב, ניתן לחלק אותו לתרמופלסטי טהור ולתרמופלסטי חצי תרמופלסטי. הראשון הוא מבנה ליניארי טהור ללא קשרי קישור צולב; השני מכיל כמות קטנה של אלופנאט וקשרים צולבים אחרים. לפי השימוש במוצרים המוגמרים, ניתן לחלק אותו לחלקים בעלי צורה מיוחדת (חלקים מכניים שונים), צינורות (נדנים, פרופילי מוטות), סרטים (יריעות, יריעות), דבקים, ציפויים וסיבים.

כיצד מסונתז TPU

למרות שישנם סיווגים רבים של TPU, כולם שייכים לפוליאוריתן מבחינת המבנה המולקולרי. אז איך זה נוצר? על פי תהליכי סינתזה שונים, הוא מחולק בעיקר לפולימריזציה בתפזורת ופולימריזציה בתמיסה.

בפולימריזציה בתפזורת, ניתן לחלק אותה לשיטת קדם-פולימריזציה ושיטה חד-שלבית בהתאם לשאלה האם יש תגובה מוקדמת: שיטת קדם-פולימריזציה היא תגובה של דיאיזוציאנט עם דיול מקרומולקולרי למשך פרק זמן מסוים, ולאחר מכן הוספת הארכת שרשרת כדי לייצר TPU; דיולים מולקולריים, דיאיזואסטרים ומאריכי שרשרת מעורבבים בו זמנית ומגיבים ליצירת TPU.
פולימריזציה בתמיסה היא להמיס תחילה דיאיזוציאנט בממס, לאחר מכן להוסיף דיול מקרומולקולרי כדי לגרום לו להגיב למשך פרק זמן מסוים, ולבסוף להוסיף מאריך שרשרת ליצירת TPU.
סוג המקטע הרך, המשקל המולקולרי, תכולת המקטע הקשה או המקטע הרך ומצב הצבירה של ה-TPU ישפיעו על צפיפות ה-TPU. הצפיפות היא בין 1.10 ל-1.25, שאינה שונה באופן משמעותי מגומי ופלסטיק אחרים. באותה קשיות, צפיפות ה-TPU מפוליאתר נמוכה מזו של TPU מפוליאסטר.

כיצד מעובד TPU

יש לעבד שרף TPU כדי לייצר מוצרים מוגמרים, ו-TPU מעובד בעיקר בשיטת ההיתוך ובשיטת התמיסה. המבנה המולקולרי שלו הוא גוש קשיח המתקבל על ידי תגובה של דיפנילמתאן דיאיזוציאנט (MDI) או טולואן דיאיזוציאנט (TDI) עם מאריך שרשרת ודיאיזוציאנט כגון דיפנילמתאן דיאיזוציאנט (MDI) או טולואן דיאיזוציאנט (TDI). מולקולות ופוליולים מקרומולקולריים מגיבים לסירוגין ליצירת מקטעים גמישים.

עיבוד התכה הוא תהליך נפוץ בתעשיית הפלסטיק: כגון ערבוב, קלנדרינג, שיחול, יציקה בניפוח ויציקה (כולל הזרקה, דחיסה, העברה וצנטריפוגה וכו'). עיבוד תמיסה הוא המסת כדוריות בממסים או פילמור ישיר בממסים. לאחר הכנת תמיסה, מתבצעים ציפוי, ספינינג וכו'.
TPU מיוצר למוצר הסופי, שבדרך כלל אינו דורש גיפור ותגובת קישור צולב, מה שיכול לקצר את מחזור הייצור, וניתן למחזר ולעשות שימוש חוזר בחומרי פסולת.

ביצועי TPU

כמו פוליאוריטן יצוק (נוזלי) ופוליאוריטן מעורב (מוצק), ל-TPU יש מודולוס גבוה, חוזק גבוה, התארכות גבוהה וגמישות גבוהה, עמידות מעולה בפני שחיקה, עמידות לשמן, עמידות בטמפרטורות נמוכות ועמידות בפני הזדקנות. ביניהם, חוזק מתיחה גבוה, התארכות גבוהה ודחיסה נמוכה לטווח ארוך הם כולם יתרונות משמעותיים של TPU.

1. חוזק מתיחה גבוה והתארכות גבוהה
ל-TPU חוזק מתיחה והתארכות מצוינים. מהנתונים באיור למטה, ניתן לראות שחוזק המתיחה וההתארכות של TPU מפוליאתר טובים בהרבה מאלה של פלסטיק וגומי מפוליוויניל כלוריד.

בנוסף, TPU יכול לעמוד בדרישות תעשיית המזון מבלי להוסיף או להוסיף מעט תוספים בתהליך העיבוד, דבר שקשה עבור חומרים אחרים כמו PVC וגומי.

2. חוסן רגיש מאוד לטמפרטורה
גמישות ה-TPU מתייחסת למידת ההתאוששות המהירה לצורתו המקורית לאחר שחרור מאמץ העיוות, המתבטאת באנרגיית ההתאוששות, כלומר, היחס בין עבודת נסיגה של העיוות לעבודה הנדרשת לעיוות. זוהי פונקציה של מודול הדינמי והחיכוך הפנימי של האלסטומר והוא רגיש מאוד לטמפרטורה.

קפיצת החוזר פוחתת עם ירידת הטמפרטורה, עד לטמפרטורה מסוימת, הגמישות עולה שוב במהירות. טמפרטורה זו היא טמפרטורת הגיבוש של הקטע הרך, התלויה במבנה הדיאול המקרומולקולרי, ופוליאתר TPU נמוך יותר מפוליאסטר TPU. בטמפרטורות מתחת לטמפרטורת הגיבוש, האלסטומר מתקשה מאוד ומאבד מגמישותו, לכן, ריבאונד דומה לריבאונד ממשטח מתכת קשה.

3. טווח הקשיות הוא Shore A60 ~ D80
קשיות היא אינדיקטור ליכולתו של חומר לעמוד בפני עיוות, סדקים ושריטות.
ניתן לכוונן את קשיות ה-TPU על ידי התאמת היחס בין מקטעי השרשרת הרכים והקשים. לכן, ל-TPU טווח קשיות רחב יחסית. קשיותו נעה בין Shore A60 ל-D80, משתרעת על פני קשיות הגומי והפלסטיק, ויש לה טווח קשיות רחב בכל טווח הקשיות. גמישות גבוהה.
עם שינוי קשיות, חלק מהתכונות של TPU ישתנו. לדוגמה, אם קשיות ה-TPU עולה, יהיו שינויים בביצועים כגון עלייה במודול המתיחה ובחוזק הקריעה, עלייה בקשיחות ובמאמץ דחיסה (קיבולת עומס), ירידה בהארכה, עלייה בצפיפות וביצירת חום דינמית, ועמידות סביבתית מוגברת.

שדה יישום של TPU

TPU מסחר בהצלחה לראשונה על ידי חברת Goodrich Chemical Company האמריקאית (כיום Lubrizol) בשנת 1958, ומאז נחקר והורחב ברחבי העולם. כיום, יצרני חומרי הגלם של TPU כוללים בעיקר את BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical וכן הלאה.
כאלסטומר בעל ביצועים מצוינים, ל-TPU מגוון רחב של מוצרים בהמשך והוא נמצא בשימוש נרחב במוצרי צריכה יומיומיים, ציוד ספורט, צעצועים, חומרי נוי ותחומים אחרים. הנה כמה דוגמאות.
1. חומר הנעל
TPU משמש בחומרי נעליים בעיקר בזכות גמישותו ועמידותו בפני שחיקה מעולים. מוצרי הנעלה המכילים TPU עדיפים בהרבה בנוחות הלבישה בהשוואה למוצרי הנעלה רגילים, ולכן הם נמצאים בשימוש נרחב במוצרי הנעלה יוקרתיים, במיוחד נעלי ספורט ונעלי קז'ואל מסוימות.


2. צינור
מכיוון שלצינור TPU יש רכות, חוזק מתיחה טוב, חוזק פגיעה ועמידות בטמפרטורות גבוהות ונמוכות, צינור TPU נמצא בשימוש נרחב בסין להובלת גז ונפט של מטוסים, טנקים, מכוניות, אופנועים, כלי עבודה וציוד מכני אחר.



3. כֶּבֶל
TPU מספק עמידות בפני קרעים, עמידות בפני שחיקה ומאפייני כיפוף, ועמידות בטמפרטורות גבוהות ונמוכות היא המפתח לביצועי הכבלים. לכן, בשוק הסיני, TPU עבור כבלים יוקרתיים, כגון כבלי בקרה וכבלי חשמל, משמש להגנה על חומרי הציפוי של כבלים בעלי עיצובים מורכבים, והשימושים בו הולכים ונרחבים יותר ויותר.



4. ציוד רפואי
TPU הוא אלטרנטיבה בטוחה, יציבה ואיכותית ל-PVC. הוא לא יכיל חומרים כימיים מזיקים כגון פתלטים, ויעבור לדם או לנוזלים אחרים בצנתרים רפואיים או בשקיות רפואיות ויגרום לתופעות לוואי. ניתן להשתמש בקלות ב-TPU בדרגות שיחול והזרקה עם מעט התאמות בציוד PVC קיים.