سنتز، پردازش، عملکرد و کاربرد مواد TPU

TPU (پلی اورتان ترموپلاستیک)نوعی پلی اورتان است که با حرارت دادن قابل نرم شدن است و توسط حلال‌ها حل می‌شود. در مقایسه با پلی اورتان نوع مخلوط کردن و نوع ریخته‌گری، پلی اورتان ترموپلاستیک در ساختار شیمیایی خود پیوند عرضی شیمیایی ندارد یا پیوند عرضی کمی دارد و مولکول‌های آن اساساً خطی هستند، اما مقدار مشخصی تبادل فیزیکی وجود دارد.
مفهوم به اصطلاح تبادل فیزیکی، که اولین بار توسط شولنبرگر سی اس در سال ۱۹۵۸ مطرح شد، به وجود «نقاط اتصال» برگشت‌پذیر بین زنجیره‌های مولکولی خطی پلی‌یورتان هنگام قرار گرفتن در معرض گرما یا حلال‌ها اشاره دارد. در واقع این یک پیوند عرضی شیمیایی نیست. اما به عنوان یک پیوند عرضی شیمیایی عمل می‌کند. در نتیجه این پیوند عرضی فیزیکی، پلی‌یورتان یک ساختار مورفولوژیکی ناهمگن تشکیل می‌دهد و پیوند هیدروژنی پلی‌یورتان مورفولوژی آن را تقویت کرده و آن را در برابر رطوبت بالاتر مقاوم می‌کند.

طبقه بندی TPU چیست؟

حالا که می‌دانیم TPU چیست، طبقه‌بندی‌های آن چیست؟ طبق استانداردهای طبقه‌بندی مختلف، TPU می‌تواند طبقه‌بندی‌های بسیار متفاوتی داشته باشد.

برای مثال، بر اساس ساختار بخش 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 بخش سخت، می‌توان آن را به نوع اورتان و نوع اورتان اوره تقسیم کرد که به ترتیب از بسط‌دهنده‌های زنجیره دیول یا بسط‌دهنده‌های زنجیره دی‌آمین به دست می‌آیند. تقسیم‌بندی رایج به نوع پلی‌استر و نوع پلی‌اتر تقسیم می‌شود.
با توجه به وجود یا عدم وجود پیوند عرضی، می‌توان آن را به ترموپلاستیک خالص و نیمه ترموپلاستیک تقسیم کرد. اولی یک ساختار خطی خالص بدون پیوندهای عرضی است؛ دومی حاوی مقدار کمی آلوفانات و سایر پیوندهای عرضی است. با توجه به کاربرد محصولات نهایی، می‌توان آن را به قطعات با شکل خاص (قطعات مکانیکی مختلف)، لوله‌ها (غلاف‌ها، پروفیل‌های میله‌ای)، فیلم‌ها (ورق‌ها، صفحات)، چسب‌ها، پوشش‌ها و الیاف تقسیم کرد.

TPU چگونه سنتز می‌شود؟

اگرچه طبقه‌بندی‌های زیادی برای TPU وجود دارد، اما همه آنها از نظر ساختار مولکولی به پلی اورتان تعلق دارند. پس چگونه به وجود آمده است؟ بر اساس فرآیندهای سنتز مختلف، عمدتاً به پلیمریزاسیون توده‌ای و پلیمریزاسیون محلولی تقسیم می‌شود.

در پلیمریزاسیون توده‌ای، می‌توان آن را بر اساس وجود پیش‌واکنش به روش پیش‌پلیمریزاسیون و روش تک مرحله‌ای تقسیم کرد: روش پیش‌پلیمریزاسیون واکنش دی‌ایزوسیانات با دی‌ال ماکرومولکولی برای مدت زمان مشخصی است و سپس افزایش طول زنجیره برای تولید TPU اضافه می‌شود؛ دی‌ال‌های مولکولی، دی‌ایزواسترها و افزایش‌دهنده‌های طول زنجیره به طور همزمان مخلوط شده و واکنش می‌دهند تا TPU تشکیل شود.
پلیمریزاسیون محلولی به این صورت است که ابتدا دی ایزوسیانات را در حلال حل می‌کنند، سپس دیول ماکرومولکولی را اضافه می‌کنند تا برای مدت زمان مشخصی واکنش دهد و در نهایت برای تولید TPU، افزاینده زنجیره را اضافه می‌کنند.
نوع بخش نرم، وزن مولکولی، بخش سخت یا محتوای بخش نرم و حالت تجمع TPU در TPU بر چگالی TPU تأثیر می‌گذارد. چگالی بین ۱.۱۰ تا ۱.۲۵ است که تفاوت قابل توجهی با سایر لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها ندارد. در سختی یکسان، چگالی TPU پلی‌اتر کمتر از TPU پلی‌استر است.

TPU چگونه پردازش می‌شود؟

رزین TPU برای تولید محصولات نهایی نیاز به پردازش دارد و TPU عمدتاً با روش ذوب و روش محلول پردازش می‌شود. ساختار مولکولی آن یک بلوک سفت و سخت است که با واکنش دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI) یا تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) با یک افزایش دهنده زنجیره و دی ایزوسیانات مانند دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI) یا تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) به دست می‌آید. مولکول‌ها و پلی ال‌های ماکرومولکولی به طور متناوب واکنش نشان می‌دهند و بخش‌های انعطاف‌پذیری را تشکیل می‌دهند.

فرآوری مذاب فرآیندی است که معمولاً در صنعت پلاستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد: مانند مخلوط کردن، کلندرینگ، اکستروژن، قالب‌گیری دمشی و قالب‌گیری (شامل تزریق، فشرده‌سازی، انتقال و سانتریفیوژ و غیره). فرآوری محلول، انحلال گلوله‌ها در حلال‌ها یا پلیمریزاسیون مستقیم در حلال‌ها است. پس از تهیه محلول، پوشش‌دهی، ریسندگی و غیره انجام می‌شود.
TPU به محصول نهایی تبدیل می‌شود که عموماً نیازی به واکنش ولکانیزاسیون و اتصال عرضی ندارد، که می‌تواند چرخه تولید را کوتاه کند و مواد زائد را می‌توان بازیافت و دوباره استفاده کرد.

عملکرد TPU

مانند پلی اورتان ریخته‌گری شده (مایع) و پلی اورتان مخلوط (جامد)، TPU دارای مدول بالا، استحکام بالا، ازدیاد طول و الاستیسیته بالا، مقاومت عالی در برابر سایش، مقاومت در برابر روغن، مقاومت در برابر دمای پایین و مقاومت در برابر پیری است. از جمله آنها، استحکام کششی بالا، ازدیاد طول زیاد و مانایی کم در درازمدت، همگی از مزایای قابل توجه TPU هستند.

1. استحکام کششی بالا و ازدیاد طول زیاد
TPU استحکام کششی و ازدیاد طول بسیار خوبی دارد. از داده‌های شکل زیر، می‌توانیم ببینیم که استحکام کششی و ازدیاد طول TPU پلی‌اتر بسیار بهتر از پلاستیک و لاستیک پلی‌وینیل کلراید است.

علاوه بر این، TPU می‌تواند بدون افزودن یا اضافه کردن چند افزودنی در فرآیند پردازش، نیازهای صنایع غذایی را برآورده کند، که برای سایر مواد مانند PVC و لاستیک دشوار است.

۲. مقاومت به دما بسیار حساس است
خاصیت ارتجاعی TPU به میزان بازیابی سریع به شکل اولیه خود پس از آزاد شدن تنش تغییر شکل اشاره دارد که با انرژی بازیابی بیان می‌شود، یعنی نسبت کار انقباض تغییر شکل به کار مورد نیاز برای تغییر شکل. این تابعی از مدول دینامیکی و اصطکاک داخلی الاستومر است و به دما بسیار حساس است.

برگشت فنری با کاهش دما کاهش می‌یابد، تا زمانی که در دمای خاصی، الاستیسیته دوباره به سرعت افزایش یابد. این دما، دمای تبلور قطعه نرم است که به ساختار دی‌ال ماکرومولکولی بستگی دارد و TPU پلی‌اتر پایین‌تر از TPU پلی‌استر است. در دماهای پایین‌تر از دمای تبلور، الاستومر بسیار سخت می‌شود و خاصیت ارتجاعی خود را از دست می‌دهد، بنابراین، برگشت شبیه برگشت از سطح فلز سخت است.

3. محدوده سختی Shore A60 ~ D80 است
سختی شاخصی از توانایی یک ماده در مقاومت در برابر تغییر شکل، خراش و ساییدگی است.
سختی TPU را می‌توان با تنظیم نسبت بخش‌های زنجیره نرم و سخت تنظیم کرد. بنابراین، TPU محدوده سختی نسبتاً وسیعی دارد. سختی آن از Shore A60 تا D80 متغیر است که سختی لاستیک و پلاستیک را در بر می‌گیرد و در کل محدوده سختی، طیف وسیعی از سختی را داراست. خاصیت ارتجاعی بالا.
با تغییر سختی، برخی از خواص TPU تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال، اگر سختی TPU افزایش یابد، تغییرات عملکردی مانند افزایش مدول کششی و مقاومت پارگی، افزایش استحکام و تنش فشاری (ظرفیت بار)، کاهش ازدیاد طول، افزایش چگالی و تولید گرمای دینامیکی و افزایش مقاومت محیطی رخ خواهد داد.

زمینه کاربرد TPU

TPU برای اولین بار در سال ۱۹۵۸ توسط شرکت شیمیایی گودریچ آمریکا (که اکنون Lubrizol نام دارد) با موفقیت تجاری شد و از آن زمان تاکنون در سراسر جهان مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته است. در حال حاضر، تولیدکنندگان مواد اولیه TPU عمدتاً شامل BASF، Covestro، Lubrizol، Huntsman، Wanhua Chemical، Shanghai Hengan، Ruihua، Asahikawa Chemical و غیره هستند.
TPU به عنوان یک الاستومر با عملکرد عالی، طیف گسترده‌ای از محصولات پایین‌دستی را در بر می‌گیرد و به طور گسترده در مایحتاج روزانه، کالاهای ورزشی، اسباب‌بازی‌ها، مواد تزئینی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اینجا چند نمونه از آنها آورده شده است.
۱. جنس کفش
TPU عمدتاً به دلیل خاصیت ارتجاعی و مقاومت عالی در برابر سایش در مواد کفش استفاده می‌شود. محصولات کفش حاوی TPU از نظر راحتی پوشیدن بسیار برتر از محصولات کفش معمولی هستند، بنابراین به طور گسترده در محصولات کفش سطح بالا، به ویژه برخی از کفش‌های ورزشی و کفش‌های راحتی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.


2. شیلنگ
از آنجا که شلنگ TPU نرمی، استحکام کششی خوب، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر دمای بالا و پایین دارد، شلنگ TPU به طور گسترده در چین برای حمل و نقل گاز و نفت هواپیما، مخازن، اتومبیل، موتورسیکلت، ماشین آلات و سایر شیلنگ های تجهیزات مکانیکی استفاده می شود.



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، TPU برای کابل‌های رده بالا، مانند کابل‌های کنترل و کابل‌های برق، برای محافظت از مواد پوشش کابل‌هایی با طرح‌های پیچیده استفاده می‌شود و کاربردهای آن روز به روز گسترده‌تر می‌شود.



4. تجهیزات پزشکی
TPU یک جایگزین ایمن، پایدار و با کیفیت بالا برای PVC است. این ماده حاوی مواد شیمیایی مضر مانند فتالات نخواهد بود و به خون یا سایر مایعات موجود در کاتترهای پزشکی یا کیسه‌های پزشکی مهاجرت می‌کند و عوارض جانبی ایجاد می‌کند. TPU با درجه اکستروژن و درجه تزریق را می‌توان به راحتی با کمی تنظیم در تجهیزات PVC موجود استفاده کرد.