TPU材料的发展历程

TPU材料的发展历程TPU中文名称热塑性聚氨酯弹性体，是由二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或甲苯二异氰酸酯（TDI）等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇（扩链剂）共同反应聚合而成的高分子化合物。

TPU可加热塑化，化学结构上没有或很少交联，其分子基本是线性的，然而却存在一定的物理交联，主要有聚酯型和聚醚型之分，是一种新型的有机高分子化合物材料。

它硬度范围宽（60HA-85HD）、耐磨、耐油，透明，弹性好，是一种各项性能优异，可以代替橡胶，软性聚氯乙烯PVC材料。

它优异的物理性能，例如耐磨性、回弹力都好过普通聚氨酯、PVC，耐老化性好过橡胶，是介于橡胶和塑料的一类高分子材料，在日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域得到广泛应用，可以说是替代PVC 和PU，以满足越来越多领域的环保要求的最理想的材料。

被国际上称为新型环保聚合物材料。

一、 TPU的起源TPU首次由德国Bayer公司开发成功并开始工业生产，随后其他各大公司也开始相继生产，至今已经有50多年历史了。

在亚洲，日本是第一个引进了德国的TPU生产技术的地区，随后在20世纪八十年代，台湾从日本又引进了这种技术，并且开始工业化生产。

我们大陆地区从上世纪七八十年代通过“七五攻关”，初步掌握了TPU双螺杆法连续生产合成技术，但是由于TPU生产技术门槛高，特别是设备要求和生产管理水平要求高。

所以我们大陆的生产一直在低水平徘徊，研究也没取得太大的进展，研发和生产水平一直落后与外资企业和台资企业。

本世纪后，随着各大台湾企业的登陆，大陆的TPU生产才得到了大力的发展。

二、技术与应用的发展TPU的结构式由两部分构成，一部分是由二异氰酸酯分子与扩链剂反应得到的刚性嵌段，另一部分是由二异氰酸酯分子与大分子多元醇反应得到的柔性段。

两部分相互交替镶嵌构成了TPU整体。

TPU材料具有具有很强的高张力、高拉力、强韧和耐老化特性，并且，它可以用一般塑料加工方法生产出各种制品，废料可回收利用，可广泛使用助剂和填料，以改善某些物理性能、加工性能或降低成本，是一种实用度很广的环保型新型材料。

目前，TPU已经运用到了医疗卫生、电子电器、工业及体育等方面，其具有其他塑料材料所不能及的高强度、强韧性、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐气候变化的特性，同时，其也具有高防水性透湿性、防风、防寒、抗菌、防霉、保暖、抗紫外线以及能量释放登许多优异的功能。

TPU按软段结构可主要分为聚酯型和聚醚型。

聚酯型含有内聚能较高的酯基，产品的机械性能较高，成本适中，但是耐水性能较差。

聚醚型没有酯基，而且含有可自由放置的醚键，表现出较好的低温柔顺性和耐水性，但是机械强度和耐热性能比较差。

聚乙内酯型介于聚酯和聚醚之间，综合性能较好，但是价格比较高。

我们生产应用根据自己需要，可以改变配方构型，制作出需要性能的TPU。

现有的生产TPU技术发展迅速，对原有的TPU原料进行各种改性，使之应用范围越来越广。

TPU材料的合成反应比较复杂，但是合成TPU的最基本反应是由多元醇和异氰酸酯反应生成氨酯基。

由含有氨酯基的结构链段为重复单元，再加上长链多元醇和短链多元醇组合成硬段软段相间的分子链结构，就是TPU的基本结构。

大分子多元醇与异氰酸酯连接形成长分子链，因为分子链较长，表现为柔性，就成了整个分子链中的软段结构。

短链二元醇和异氰酸酯连接成短链结构，同理，也就成了分子链中的硬段结构。

这样硬软相间的特殊结构赋予了TPU既有弹性又有不错的机械性能且可热塑加工的特殊性能。

由此可知，对于不同的大分子多元醇，扩链剂和多异氰酸的选择可制取出品种繁多性能各异的TPU产品。

现有的TPU材料的生产、改进的方向多是原料、配比的差异、或者是一些辅料的添加差异。

目前生产普通TPU材料最佳的方法是一步法用双螺杆挤压机生产。

用一步法制得的TPU，基本上是属于一种嵌段线性聚合物。

其工艺步骤是由原料预备、计量输送、混合反应、挤出造粒四个部分组成。

这种方法的优点就是原料配比计量精确、混合均匀、反应温度均一及物料在机内停留时间均匀等。

在生产过程中，对原料水分的控制、计量的精度、输送、温度分布以及切粒技术都要严格控制把关的。

同时，根据需要，通过配方的调整，就可以得到需要物性的TPU。

现在对原有TPU技术的改良主要考虑是TPU材料的物理机械性能、各项耐性、环保和节省成本上面。

TPU材料的物理机械性能和原材料的质量、配比有着直接的联系，原料在进行高温熔融之前，要保证原材料的纯度、温度、干燥度、混合度均匀、比例、合成的硬软段含量，这些对生产的机械设计要求很高。

除此之外，各种助剂的添加，也是改进TPU材料性能的重要技术手段。

催化剂的选择对TPU 材料的性能影响巨大，选用的催化剂种类不同，加入的量不同，加入时间、温度不同，已经被证明了对TPU的性能影响是巨大的。

还各种其他的填充剂，也会对TPU的性能造成巨大的影响。

随着TPU生产技术的不断发展，市场对TPU产品的成本控制、外型方面要求会越来越高，对性能的要求也会越来越高，这也使TPU 生产技术不断发展。

TPU生产技术的发展，生产技术的成熟，TPU性能的不断完善，使之在不同的领域等到了应用。

而后，由于PVC等聚氯乙烯聚合物被欧盟等发达国家禁止使用，TPU作为性能优良，环保无污染的替代品，得到了更大的应用市场。

TPU材料的应用几乎渗透到了各个工业领域，如建筑、汽车制造、防震缓冲材料、铺装材料、制革、医疗卫生等，而且还有许多潜在的领域有待开发。

TPU材料主要有以下几方面的应用：1、薄膜与片材聚氨酯薄膜主要采用挤压、压延和吹塑等工艺来制备，厚度从几微米到几毫米，并且可以通过加入颜料制得各种颜色的产品。

由于聚氨酯分子结构的特点，人们可以通过调节聚氨酯嵌段成分比例，改变其弹性、硬度和亲水性，因此聚氨酯薄膜同聚氨酯弹性体一样具有卓越的高张力、高拉力、强韧性和耐老化性能，同时又具有优异的生物和血液相容性以及耐化学药品性，广泛应用与医疗卫生、高档纺织面料、工业等多个领域。

聚醚型TPU还可以用来生产防水透湿透气薄膜，具有环保、透气、防水等功能。

TPU薄膜厚度有从几微米到几毫米，有高、中、低透湿膜，广泛应用于包装、服装贴合、肩带和鞋材等各种领域。

如运动鞋、登山鞋、雪鞋、高尔夫球鞋、溜冰鞋等鞋类的面料和内里材料，TPU薄膜的透气透湿性及低温柔韧性，可以赋予鞋类其他材料无法比拟的舒适感。

医疗卫生领域主要使用热塑性聚氨酯薄膜，如手术衣、医疗手套、医疗用褥垫、冰袋、绷带、血浆带、避孕套、伤口敷药、人工器官等方面。

防水透气的聚氨酯医用手套能提供优良水蒸气渗透性、防菌性和舒适性。

传统伤口敷料具有很多缺点，而采用聚氨酯微孔及亲水膜可以使伤口敷料有良好透气、吸收功能，聚氨酯的良好生物相容性也可用作经皮肤给药敷料，既能有效阻隔药物中活性组分不必要的扩散，又可以保证活性成分按一定速率作用于皮肤，目前国外已经在大良使用了，预计我们以后会有巨大的市场。

聚氨酯薄膜具有光学透明、手感柔软、高伸展性、耐久易加工和防水透气性，作为高档或者特殊纺织面料在日常生活中应用十分广泛。

采用聚氨酯薄膜作为医疗服装面料，具备透气、防菌、防液体透过、长期洗涤和蒸汽杀菌条件下不会降解和价格合理等优点。

最早聚氨酯薄膜及涂层首先应用于从事农业、建筑业、林业、登山和海洋及空中救援等户外工作人员的服装，后逐渐拓展到鞋类。

目前，聚氨酯在鞋类上应用极为广泛，如各类鞋子尤其是运动鞋或者是特殊功能鞋类面料及内里材料等；近年来，聚氨酯薄膜越来越多的运用到成衣和时装的制作，采用透气的聚氨酯薄膜材料制成的服装不仅具有呼吸功能，还能够抗静电。

专用TPU还可以满足德国健康委员会对于食品接触材料的要求，以及美国食品医药管理局的相关要求。

2、TPU复合革聚氨酯薄膜用于生产复合织物，作为居家服饰面料，在室温下可以起到保护的作用，在室温以上可以有良好的透湿性能。

在工业领域聚氨酯复合革常被用来做防火、隔热、隔音材料、飞机零部件及装潢、汽车零部件及防水贴条、压缩封条、传送皮带、绝缘板、安全防弹玻璃。

如美国将之做成汽车呵护膜产品，用于发动机罩前缘、汽车前后保险杠、车门下围板、门锁把手等包覆，避免受到石击、摩擦以保护汽车表面油漆。

TPU复合革一般都具有良好光学透明性和光稳定性，我国很多生产厂家也采用进口聚氨酯薄膜对汽车内外部进行包装和保护。

英国开发出了一种用于飞机盒防弹轿车上的防弹玻璃，就是用多层聚氨酯薄膜复合而成的。

除此之外，以聚氨酯为基础的塑料薄膜复合革还用于模具工业、金属及武器的防腐蚀。

3、TPU管材TPU可以制成许多不同类型的管材。

聚醚酯型和聚醚型TPU具有高伸长率和良好的耐水解和耐微生物性、优异的机械性能（拉伸强度和抗撕裂强度）等一系列优点，因而适用于消防水管的内衬。

这种消防管比传统的消防管轻，更便于操作使用。

TPU做内层的管材在传送沙石、石浆料的时候非常有用，其良好的耐磨性、耐穿刺性使得管材的寿命相对较长，更加节省材料。

TPU软管具有柔软、良好的抗张强度、冲击强度和耐高温性，所以在国内，TPU软管多用来飞机、坦克、汽车、摩托车、机床等的输气、输油软管。

4、TPU鞋材由于TPU的耐磨性、耐穿刺性、抗纵向弯曲强度和低温冲击强度都比较高，因此常用于滑雪鞋的外层材料。

TPU的耐撕裂性和抗裂纹传播性是塑料材料中最好的。

比如滑雪鞋常用邵氏硬度50D~66D、杨氏模量100~600MPa的TPU，并根据不同部位对性能的要求选用合适的TPU牌号。

滑冰鞋也常用TPU制作，因为TPU 耐低温冲击强度高。

许多运动鞋的鞋底都是用TPU材料制作的，特别是在足球鞋方面的应用最为普遍。

常用邵氏硬度85A~90A的聚酯型TPU，由于它具有极其优异的耐磨性和抗切割性。

并且TPU材料也可以做的很柔软，并且弹性好，做鞋的内衬和鞋垫舒适度会比其他材料高，因此，在运动鞋、休闲鞋中使用率很高。

5、汽车部件因TPU具有良好的回弹性、抗切割性、耐候性、耐油性，故很适用于汽车工业，已经成为汽车上用量最大的塑料品种之一。

根据汽车构件的不同，TPU以泡沫塑料、弹性体、胶粘剂等不同形态和性能来适应汽车的要求，比如TPU泡沫塑料随着配方的改变，具有质量轻、隔热、回弹性好、舒适性好、低温性能好、耐用、安全性和吸震性较高等特点，其优越性是其他材料不能相比的。

BASF公司开发了一种用于汽车内部装饰的TPU蒙皮材料Elastoskin用于仪表板和门板内饰件面层，其性能优于目前采用的聚氯乙烯(PVC)及其他蒙皮材料，成本比用PVC等蒙皮材料还低，是PVC理想的替代品。

TPU还可以用作汽车其他构件，如保险杠、骨架材料、仪表板、减震垫等零部件。

一种聚氨酯结构反映模塑(SRIM)技术在欧美已有广泛使用，可以有效减轻零部件的质量。

其工艺过程是：先预成型表皮，将玻纤毡放入模具，然后再注入聚氨脂树脂，熟化成型(微发泡)。