热塑性聚氨酯材料概述

热塑性聚氨酯材料概况
1、热塑性聚氨酯的概述
热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane，简称TPU)，又称聚氨基甲酸酯橡胶，简称聚氨酯橡胶，它是一种可以热塑加工、又可以溶解于某些溶剂的特种合成橡胶线性聚合物，而MPU和CPU等热固性聚氨酯，它们的特点分子中的化学交联导致的三维空间网状结构，使其具备极大的刚性，不能塑化成型。

但三种聚氨酯的性能—样，强度和模量都比较高，断裂伸长率和弹性也相对比较好；耐低温、耐磨耗、耐老化、耐撕裂、耐油等特性更是极为优异。

TPU作为一类高分子合成材料，具有优良的综合性能。

TPU的耐磨、耐油性，对福射以及臭氧和氧等的抵抗能力以及在化学溶剂中的稳定性都非常好，并且这种材料在很大的拉伸强度下才能使之断裂，断裂时材料达到的伸长率也较大，此外，该材料所能承受的最大压力也非常可观，且弹性模量高。

近年来随着TPU研究技术的发展，适用于众多领域的TPU制品被成功研发出来，TPU产品已经在大量领域占据着不可撼动的地位，但是TPU也同时具不容忽视的缺点，如抗滑能力低。

并且在TPU的加工过程中，在较小的温度变动下，TPU熔体的粘度可以在很大的范围内发生变化，这使得它的加工过程只能在一小段特定的温度范围内进行，并且它的生产成本高，TPU进一步的推广应用就是由于这些因素而被限制了。

近几年，随着两相材料的发展提升到新的高度，国内外众多学者开始将目光转向了TPU与其他物质的共混制备出性能优异的两相复合材料上。

将有机粘土等能够与TPU达到良好的相容效果的特殊填料加入其中，可以使其达到某些特殊性能得以提高的目的。

2、热塑性聚氨酯制备的原料
2.1 低聚合度多元醇
聚酯多元醇包括常规聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和聚碳酸酯二醇；聚酯多元醇是通过羟基和羧基缩聚反应制得。

聚醚多元醇分子结构中，由于醚键具有较低内聚能，且醚键具有易旋转的性质，所以其使得制备的产物在低温下具有比较好的柔顺性，虽然材料的力学性能方面不及聚酯型聚氨酯，但可以使得材料粘度低，较聚酯型容易与配合剂和异氰酸酯等发生互溶，使得其在加工性方面也有不错的性能。

2.2 多异氰酸酯
多元异氰酸酯根据是否存在苯环可分为芳香族和脂肪族两类，芳香族类异氰酸酯较脂肪族反应活性更为突出。

2.3 扩链剂
常用的扩链剂可以分为两大类：二醇类和二胺类。

一般常用的二醇类扩链剂1,4-丁二醇(BDO)、丙二醇(PG)、乙二醇(EG)、1,6’-己二醇(HDO)；而在工业上常用的二胺类扩链剂有3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯甲烷(MOCA)、二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)等。

2.4 其他原料
①填料填料的种类很多，一般来说加入不同的填料所达到的效果也是不同的。

通常情况下我们加入填料的目的是为了提高产品的一些性能或者是降低产品的生产成本。

在CPU的合成过程中填料的加入一般选择原位法，而TPU制备时则常采用熔融混合法。

②水解稳定剂酯基在湿热环境下的稳定性极低，它易与水发生水解反应，所以为了避免实验条件对实验结果产生较大的影响，在聚氨酯弹性体的制备过程中通常需要加入水解稳定剂。

③其他助剂聚氨酯材料属于易燃类，所有关于它的防火问题需要引起人们的重视,某些在特殊的聚氨酯弹性体，在制定配方时，通常需要加入一些阻燃剂,提高其阻燃性能，以防失火。

其它助剂还有可以改善材料的可塑性提高其柔性的增塑剂、能阻缓材料变质的稳定剂以及能够延缓聚合物氧化的抗氧剂等。

增塑剂的加入可以使预聚体粘度降低,并且可以减少成本。

3、原料对聚氨酯的影响
聚氨酯基本是都是由多异氰酸酯、多元醇和扩链剂这三大类原料所组成，所以聚氨酯的性能方面的特性取决于这个三个部分。

3.1 多元醇对聚氨酯的影响
组成聚氨酯的多元醇一般可以被分为两大类，包括聚醚多元醇和聚酯多元醇两类。

对于聚醚型聚氨酯，与聚酯型相比，柔顺性比较好，归于它的醚键的结构，醚键易旋转，极性方面比较弱，软硬段间的相容性不是很好。

某些具有侧链的软段，由于位阻作用，使得软段的自由旋转被限制，从而容易造成微相分离。

3.2 异氰酸酯对聚氨酯的影响
从化学结构，多异氰酸酯可分为芳族异氰酸酯、脂族多异氰酸酯和环族多异氰酸酯。

由于芳族异氰酸酯由于结构与后两者不同，有苯环的存在，导致其模量和硬度一般要高于后两者；在结晶性的方面，结构上对称的二异氰酸酯由于分子链结构规整，排列方面比较有序，因此在聚合物的结晶和性能方面有重要的作用。

3.3 扩链剂的对聚氨酯性能的影响
制备聚氨酯常用的扩链剂为含活泼氢的二元或者多元的小分子醇类或者胺类。

扩
链剂的原理是扩链剂上活泼的氢，与由多异氰酸酯与多元醇缩聚反应得到的预聚物反应，这样可以很快的使得分子链增长，固化成聚氨酯大分子。

4、聚氨酯合成方法
4.1预聚体法
预聚体法是首先将低聚物多元醇与二异氰酸酯进行预聚反应，生成端NCO基的聚氨酯预聚物，浇注时再将预聚体与扩链剂反应，这种制备聚氨酯弹性体的方法，称之为预聚体，也称为两步法。

4.2 半预聚体法
为了制备特殊工艺的弹性体，可采取半预聚体法达到聚氨酯弹性体的性能。

半预聚体法，首先把过量的异氰酸酯与一部分多元醇反应，可以生成NCO基含量较高的预聚体，存在一定的游离异氰酸酯，其粘度较低。

然后将其再与剩下的多元醇和扩链剂混合进行扩链反应，即可制得聚氨酯制品。

4.3 一步法
一步法是将多元醇、异氰酸酯和扩链剂三种原料同时按照预先确定的配比进行混合制得的弹性体，与以上两种制备方法相比操作简单，流程短。

5、聚氨酯化学结构的概述
聚氨酯弹性体由于使用原料的不同导致其具有复杂的结构。

它不仅有聚酯、聚醚柔性链段，还有氨基甲酸酯、脲和其它聚合物化合的连接的刚性链段；它既有直链和支链，也有交联键。

正因为聚氨酯弹性体结构的复杂使得其可以呈现出各种各样的性能。

聚氨酯弹性体的使用指标是通过其状态为固体时在不同外力作用下机械强度的反映而得到。

5.1 聚氨酯弹性体力学性能
化学结构(分子间的作用力、链段的活动、基团的极性、软段与硬段长度、支化和交联)，形态结构(软段与硬段的微相分离、结氢键、取向)，合成方法。

5.2 聚氨酯硬段和软段的作用
热塑性聚氨酯弹性体的刚性、强度和耐热性能的大小主要取决于其硬段含量，与其具有正比关系。

硬段通常影响热塑性聚氨酯的高温性能，如熔融温度。

热塑性聚氨酯(TPU)中软段占有很大的比例，这是因为弹性体的韧性、弹性和低温性能都由软段的结构所提供，热塑性聚氨酯(TPU)的柔性链段主要影响材料的弹性性能。

6、聚氨酯弹性体的性能及应用
合成聚氨酯的原料多种多样，而不同的原料或者相同原料之间的不同配比，都会造成软缎和硬段的不同，继而对聚氨酯的结构与性能产生较大的影响。

聚氨酯弹性体作为典型的嵌段聚合物的一种，它的整根分子链分为两个部分，一部分是由二元醇组成的软链段，另一部分则是由二异氰酸酯与扩链剂共同构成结构更为规整的硬段[10]，在制备过程中可以通过控制原料的加入量来控制硬段所占的比例。

同时，由于聚氨酯的结构比较特殊，各种硬段含量不同的聚氨酯有着不尽相同的性能，但它们的综合性能都较为优异，因此在大量的领域有着非常广泛的应用。

（1）医疗卫生
与其他医用高分子材料一样，聚氨酯材料具有十分优异的生物相容性，经过大量的生物研究，TPU和CPU材料中在没有添加各种助剂时，它是无毒的，并且生物不
会对其产生过敏反应。

该材料主要可以应用于制造各种功能较为完善的人造器官以及导液管、输液管等简单的医疗用品。

聚氨酯弹性体在医疗方面的利用前景非常宽广。

（2）建筑
随着时代发展，人们对建筑的要求也越来越严格，沥青等传统材料在很大一部分建筑中已经弃用了。

而最新研制出的建筑用聚氨酯材料，因为其极优异的的吸震效果，以及不易老化变质等特点，近几年被大量的应用于各种跑道以及大型桥梁的建设中。

（3）资源勘探
在资源的开采方面，我们每年需要花费大量的资金购买旋转器、高压密封圈、凡尔胶皮、泥浆泵活塞等橡胶易损件。

由于这些部件的损坏速度都非常大，因此，在金属及非金属矿山以及煤矿的开采中，对高强度、耐磨、抗震的非金属材料有很大的需求。

根据大量的研究以及实践结果，各种能源开采的机械设施在配合聚氨酯弹性体配件使用时都有着非常不错的效果。

不止大大延长了设备的使用寿命，而且对操作环境杂音的降低效果也很明显，节能效果突出。

聚氨酯弹性体在资源勘探领域的应用有着非常大的发展空间。