ترموپلاستیک پلی یورتان TPU

• دایان پلیمر
• ترمو پلاستیک الاستومر, محصولات

ترموپلاستیک پلی یورتان (TPU) یک دسته پلاستیکی منحصر به فرد است که از پلیمرزاسیون اضافی بین دی ایزوسیانات و یک یا چند دی ال تشکیل می شود.

 این پلیمر همه کاره برای اولین بار در سال 1937 ساخته شد. هنگامی که به آن حرارت داده می شود، نرم و قابل پردازش است، زمانی که سرد می شود سخت است و می تواند چندین بار بدون از دست دادن یکپارچگی ساختاری دوباره پردازش شود.

 TPU که به عنوان یک پلاستیک مهندسی چکش خوار یا به عنوان جایگزینی برای لاستیک سخت استفاده می شود، TPU خواص متعددی از جمله: ازدیاد طول و استحکام کششی بالا، الاستیسیته بالا، مقاومت در برابر روغن، گریس، حلال ها، مواد شیمیایی و سایش را دارا می باشد. این ویژگی ها TPU را در بازارها و برنامه های کاربردی مختلف بسیار محبوب می سازد. TPUها ذاتاً انعطاف‌پذیر هستند، می‌توان آن ها  را اکسترود کرد یا با تجهیزات رایج  آن را  قالب‌گیری تزریقی کرد تا اجزای جامد را برای کفش، کابل و سیم، شلنگ و لوله، فیلم و ورق یا سایر محصولات صنعتی ایجاد کند. همچنین می‌توان آن را برای ایجاد قالب‌های پلاستیکی مقاوم کامپاند کرد یا با استفاده از حلال‌های آلی برای تشکیل منسوجات چند لایه، پوشش‌های محافظ یا چسب‌های عامل دار شده  پردازش کرد.

پلی یورتان های ترموپلاستیک از نوع ترموپلاستیک الاستومرهای تجاری با قیمت مناسب هستند. این مواد کوپلیمرهای بلوکی هستند که از بخش‌های متناوب سخت و نرم تشکیل شده‌اند. روش تولید آن از واکنش دی ایزوسیانات با پلی استر و یا پلی ال‌ها است. پلی ال ها و دی ان های کوتاه زنجیر با دی ایزوسیانات ها از طریق پلیمرزاسیون اضافی برای تشکیل پلی اورتان خطی واکنش می دهند. بخش های انعطاف پذیر تشکیل شده در محصول از واکنش پلی ال با دی ایزوسیانات تشکیل می شوند، همچنین ترکیب دی ایزوسیانات با کوتاه زنجیرهای دی ال باعث تولید بخش های سخت می شوند.

  TPU یک پلیمر قابل ذوب است که می‌تواند به خوبی در فرآیندهایی مانند اکستروژن، تزریق، قالبگیری بادی و فشاری مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می توان آن را  با روش شکل دهی متفاومت مانند تحت خلاء، پوشش‌ها شکل  داد.

TPU یک کوپلیمر بلوک چند فازی است که زمانی ایجاد می شود که سه ماده اولیه به روشی خاص با هم ترکیب شوند، اجزای جداگانه مورد نیاز برای تولید یک TPU عبارت اند از:

• پلی ال یا زنجیره بلند دی ال
• زنجیره گسترده شده یا زنجیره کوتاه دی ال
• دی ایزوسیانات

ترموپلاستیک  پلی یورتان (TPU)

شکل 1 شیمی پایه TPU را نشان می دهد. بلوک نرم، ساخته شده از پلی ال و ایزوسیانات، وظیفه انعطاف پذیری و ویژگی الاستومری TPU است. بلوک سخت، ساخته شده از یک توسعه دهنده زنجیره ای و ایزوسیانات، چقرمگی و ویژگی های عملکرد فیزیکی را به TPU می دهد.

شکل 2 ساختار اتصال عرضی یک ترموپلاستیک الاستومر در مقابل یک لاستیک گرماسخت را نشان می دهد. این نشان می‌دهد که برخلاف لاستیک‌های ترموست یا سیستم‌های پلی‌اورتان ریخته‌گری شده، هیچ اتصالات عرضی شیمیایی در TPU‌ها وجود ندارد.

شکل2.ساختار اتصال عرضی یک ترموپلاستیک الاستومر در مقابل یک لاستیک گرماسخت

شکل 3 یک تصویر گرافیکی از مورفولوژی یک TPU ارائه می دهد. این نشان می دهد که چگونه پیوندهای اتصالات عرضی فیزیکی تحت گرما ذوب می شوند و وقتی مواد خنک می شوند دوباره به حالت اولیه بر می گردد.

شکل3.

سه طبقه شیمیایی اصلی TPU وجود دارد: پلی استر، پلی اتر و یک طبقه کوچک تر به نام پلی کاپرولاکتون.

• TPU های پلی استر

TPU های پلی استر با PVC و سایر پلاستیک های قطبی سازگار هستند. باعث افزایش خواص می شونئد، تحت تأثیر روغن ها و مواد شیمیایی قرار نمی گیرند، مقاومت سایشی عالی را ارائه می دهند، تعادل خوبی از خواص فیزیکی ارائه می دهند و برای استفاده در چند مخلوطی عالی هستند.

• TPU های پلی اتر

TPU های پلی اتر از نظر وزن مخصوص کمی کمتر از گریدهای پلی استر و پلی کاپرولاکتون هستند. آن ها انعطاف پذیری در دمای پایین و انعطاف پذیری خوب در برابر سایش و پارگی را ارائه می دهند. آنها همچنین در برابر حمله میکروبی بادوام هستند و مقاومت عالی در برابر هیدرولیز را ارائه می دهند همچنین آن ها را برای کاربردهایی که آب مورد توجه است مناسب می کند.

• TPU های پلی کاپرولاکتون

TPU های پلی کاپرولاکتون دارای چقرمگی و مقاومت ذاتی TPU های مبتنی بر پلی استر همراه با عملکرد در دمای پایین و مقاومت نسبتاً بالایی در برابر هیدرولیز هستند. آن ها یک ماده خام ایده آل برای آب بندی های هیدرولیک و پنوماتیک هستند.

TPU ها را می توان به انواع آروماتیک و آلیفاتیک نیز تقسیم کرد:

• TPU های آروماتیک

TPU های آروماتیک مبتنی بر ایزوسیانات ها مانند MDI محصولاتی هستند و می توانند در کاربردهایی که به انعطاف پذیری، استحکام و چقرمگی نیاز دارند استفاده شوند.

• TPU های آلیفاتیک

TPU های آلیفاتیک مبتنی بر ایزوسیانات ها مانند H12 MDI، HDI و IPDI نسبت به نور پایدار هستند و وضوح نوری عالی را ارائه می دهند. آن ها معمولاً در کاربردهای داخلی و خارجی خودرو و به عنوان لایه های لمینیت برای چسباندن شیشه و پلی کربنات به یکدیگر در صنعت لعاب استفاده می شوند. آن ها همچنین در پروژه هایی استفاده می شوند که در آن ویژگی هایی مانند شفافیت نوری، چسبندگی و حفاظت از سطح مورد نیاز است.

خواص TPU ها و عوامل تأثیرگذار بر روی آن ها

خواص گرید های TPU وابسته به ماهیت مواد اولیه، شرایط واکنش، نسبت مواد اولیه و همچنین پلی ال های مورد استفاده تاثیر قابل توجهی بر برخی خواص ترموپلاستیک پلی یورتان خواهند داشت.

در بخش زیر تاثیر استفاده از مواد مختلف در TPU ها مورد بحث قرار می گیرد:

• تاثیر استفاده از پلی استر پلی ال:
• افزایش خواص مکانیکی
• افزایش مقاومت گرمایی
• افزایش مقاومت در برابر جذب روغن

 تاثیر استفاده از پلی اتر پلی ال:

• افزایش مقاومت هیدرولیز
• افزایش انعطاف پذیری در دماهای پایین
• کاهش مقاومت میکروبیولوژیکی

 علاوه بر اجزای اساسی ذکر شده در موارد بالا بسیاری از فرمولاسیون های TPU شامل افزودنی ها برای تسهیل پردازش، فرآیند و اصلاح خواص مورد نظر در محصول مورد استفاده قرار می گیرند. افزودنی هایی که در فرمولاسیون TPU مورد استفاده قرار می گیرند عبارت اند از: بازدارنده های شعله، تثبیت کننده های UV و همچتین استفاده از الیاف شیشه (برای افزایش سختی).

مدول الاستیسیته در پلاستیک ها خواص و شرایط زیر را تحت تاثیر قرار می دهد:

• دما
• سختی
• جهت گیری ماکرومولکول ها و فیلرها
• نوع تجهیزات مورد استفاده برای تست محصول

 خواص TPU ها

مهم‌ترین خواص TPUها عبارت اند از:

• استحکام مکانیکی عالی
• مقاومت سایشی بالا
• مقاومت بالا در برابر پارگی
• ازدیاد طول تا نقطه تسلیم بالا
• انعطاف‌پذیری عالی حتی در دماهای پایین ( انعطاف پذیری خوب در اکثر محدوده دمایی)
• مقاومت خوب در برابر انواع روغن، گریس، اکسیژن و ازون
• قابلیت بازیافت
• رنگ پذیری راحت
• دارای جهندگی در برابر روغن، گریس و تعداد زیادی از حلال ها

کاربرد TPU ها

کاربردهای این محصول عبارتند از:

• زیره کفش
• قطعات خودرو
• صنعت کشاورزی
• لوله‌های انتقال سیالات
• صنعت پزشکی
• فیلم و ورق
• قطعات الکترونیک و روکش های سیم و کابل ها
• وسایل ورزشی و لوازم خانگی

 کفش

دلیل استفاده از TPUها  در این کاربرد به دلیل خواص عالی مانند: استحکام مکانیکی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر لغزش می باشد؛ گریدهایی با سختی پایین از TPUها در بخش کفی خارجی کفش، گریدهای با سختی متوسط برای کامپاند و ترکیبات زیره کفش و گریدهای با سختی زیاد برای استفاده در پاشنه کفش ها مورد استفاده قرار می گیرند.

محدوده رنگTPUها  از گریدهای شفاف تا گریدهای تیره می تواند باشد که انتخاب نوع گرید بسته به طراحی کفش و مواد مورد مصرف می تواند متفاوت باشد.

صنعت خودروسازی

خواص مورد نظر در ساخت محصولات این دسته به شرح زیر است:

• مقاومت دمایی بالا و پایداری ابعادی همچنین انعطاف پذیری در دامنه وسیع دمایی(40- تا 125 درجه سانتی گراد)
• سختی بسیار عالی در دمای پایین
• خواص دینامیکی عالی: انعطاف پذیری و خواص الاستیک
• مقاومت سایشی و پارگی بالا
• مقاومت محیطی عالی
• استحکام پارگی بالا
• رفتار میرایی بالا
• مقاومت در برابر روغن

کاربرد TPU در صنعت خودروسازی

کاربرد های این محصول در صنعت خودروسازی به شرح زیر می باشد:

• شلنگ های روغن و لوله های داخل خودرو
• پوشش های نرم بر روی دنده
• پوشش های سطوح داخلی خودرو
• زنجیر چرخ
• ایربگ
• روکش های کابل و سیم ترمز
• کلیدهای پنجره
• تسمه

کاربرد TPU در صنعت کشاورزی

آماده سازی خاک، کاشت و برداشت ماشینی و دیگر موارد در صنعت کشاورزی مدرن باعث می شود که از محصولات پلاستیکی که در معرض شدید تنش قرار میگیرند در بخش ها وسیعی از ماشین آلات و صنعت کشاورزی استفاده شود. برای مثال در بارکدهای دامی از جمله خواص مورد توجه، مقاومت بالا در برابر عوامل جوی، سازگاری محصول با بدن حیوانات و همچنین عدم تغییر رنگ در مدت زمان طولانی می باشد.

کاربرد TPU در صنعت پزشکی

خواص مورد نظر در ساخت محصولات صنعت پزشکی به شرح زیر است:

• شفافیت بالا
• مقاومت شیمیایی عالی و سهولت در استریل کردن با اتیلن اکساید و پرتوهای گاما
• انعطاف پذیری و مقاومت در برابر پارگی بالا
• مقاومت در برابر پیج خوردگی
• فرآیندپذیری آسان

کاربرد TPU در صنعت پزشکی

از کاربرد های این محصول در صنعت پزشکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کیت های تزریق
• باند های زخم
• سرنگ ها و سرم
• غشاهای الیاف تو خالی برای اکسیژن سازی

خواص مکانیکی و شیمیایی TPU ها

خواص مکانیکی یک TPU را می توان به روش های مختلفی ارزیابی کرد. جزئیات زیر برخی از ارزیابی‌های استاندارد مورد استفاده برای اندازه‌گیری ویژگی‌های TPU و تعریف آنچه می‌توان از نظر عملکرد فیزیکی و طول عمر انتظار داشت، آورده شده است.

سختی

Shore سختی یک اندازه گیری تجربی است که برای آزمایش مقاومت TPU در برابر فرورفتگی یا نفوذ تحت یک نیروی مشخص استفاده می شود. دو حرف برای دسته بندی نوع TPU مورد ارزیابی استفاده می شود: “A” نشان دهنده نوع انعطاف پذیر TPU است در حالی که “D” به انواع سفت تر اشاره دارد. این دو مقوله گاهی اوقات ممکن است همپوشانی داشته باشند. در هر دو مقیاس اندازه گیری ها از صفر تا 100 متغیر است که صفر بسیار نرم و 100 بسیار سخت است.

استحکام کششی

استحکام کششی نشانگر رفتار TPU و تمایلاتی است که زمانی که یک مقطع نمونه تحت تنش کوتاه مدت و تک محوری قرار می گیرد، نشان داده می شود. به عبارت دیگر، فشاری که قبل از شروع هر نوع تغییر شکلی تحمل خواهد کرد. دستورالعمل‌های انجام آزمایش‌ها در استاندارد DIN 53504 یا ASTM D412 مشخص شده است. نتایج معمولاً در نمودار کرنش تنش ثبت می شوند.

مانایی فشاری

مانایی فشاری TPU را می توان به عنوان تغییر شکل دائمی که پس از آزاد شدن تنش فشاری باقی می ماند تعریف کرد. پس از اینکه مواد به مدت 30 دقیقه در شرایط استاندارد بازیابی شوند، به عنوان درصدی از انحراف اولیه محاسبه می شود. مانایی فشاری TPU معمولاً در یک دوره 24 ساعته در دمای مشخصی آزمایش می شود. برای گریدهای سفت TPU، مانایی فشاری در حالت ایده آل نباید از 5٪ تجاوز کند. برای گریدهای منعطف تر، 10٪ حد قابل قبول بالایی است. برای اطمینان از اینکه مواد TPU می توانند بهترین مقاومت فشاری را ارائه دهند، عملیات حرارتی مانند تابکاری annealing می تواند مفید باشد.

سایش

مقاومت سایشی مواد پلاستیکی مانند TPU با اعمال کاغذ درشت بر روی یک بستر تحت فشار از طریق یک استوانه چرخان اندازه گیری می شود. این نوع آزمایش معمولاً طبق دستورالعمل‌های DIN 53516 (ISO 4649) انجام می‌شود. وزن نمونه TPU قبل و بعد از ارزیابی سایش اندازه گیری می شود تا میزان سایش را اندازه گیری شود. چگالی اصلی ماده در کنار زبری کاغذ در نظر گرفته می شود و نتایج معمولاً بر حسب کاهش حجم بستر در میلی متر مکعب بیان می شود.

شرینکیج

انقباض قالب های TPU تحت تأثیر تعدادی از پارامترها از جمله طراحی قطعه، ضخامت دیوار، طراحی گیت و شرایط پردازش است. دمای مذاب و قالب و همچنین تزریق و فشار نگهداری نیز از عوامل مهم هستند. انقباض کل نتیجه انقباض قالب گیری و پس از انقباض است. این می تواند در طول بازتابی و همچنین در طول ذخیره سازی طولانی مدت قطعات رخ دهد. به همین دلیل پیش بینی انقباض با دقت زیاد دشوار است.

محلول های اسیدی و قلیایی

TPU مقاومت محدودی در برابر اسیدها و محلول های قلیایی دارد. فقط می تواند اسیدهای رقیق شده و محلول های قلیایی را در دمای اتاق برای مدت زمان کوتاهی تحمل کند.

هیدروکربن های اشباع شده

  هنگامی که در معرض هیدروکربن های اشباع شده قرار می گیرد، TPU ممکن است کمی منبسط شود. تورم متوسط در روغن دیزل، ایزواکتان، اتر نفت و نفت سفید شناخته شده است. اگرچه این تغییر موقتی است، اما می تواند منجر به کاهش موقت مقاومت پارگی TPU شود. لطفاً توجه داشته باشید: گریدهای انعطاف پذیر در این شرایط بیشتر از جایگزین های سفت و سخت مستعد تورم هستند. پس از حذف هیدروکربن، تورم به طور معمول کاهش می یابد و خواص مکانیکی باید به حالت عادی بازگردد.

هیدروکربن های آروماتیک

مانند هیدروکربن های اشباع شده، تماس با هیدروکربن های آروماتیک  مانند بنزن و تولوئن می تواند باعث تورم TPU شود و در نتیجه عملکرد مکانیکی کاهش یابد. بسته به هیدروکربن مورد نظر، مقیاس تورم متفاوت خواهد بود. در برخی موارد می تواند با افزایش وزن مواد تا 50٪ متورم شود.

حلال ها

  بسته به نوع حلال مبتنی بر الکل مورد استفاده، تأثیر روی TPU ممکن است متفاوت باشد. الکل های آلیفاتیک مانند اتانول و ایزوپروپانول می توانند باعث تورم خفیف شوند. سطوح واضح تر  تغییر شکل دار شده می تواند با قرار گرفتن در معرض استرها و کتون های آلیفاتیک از جمله استون، متیل اتیل کتون (MEK) و سیکلوهگزانون رخ دهد. حلال های آلی قطبی قوی مانند دی متیل فرمامید (DMF) و دی متیل سولفوکسید (DMSO) می توانند TPU را به طور کلی حل کنند.

مقاومت هیدرولیزی

TPU مبتنی بر پلی استر ممکن است در مقادیر بالای دمایی و در محیط های مرطوب قرار گیرد در معرض خطر هیدرولیز قرار گیرد. مشکلات معمولاً زمانی شروع می‌شوند که مولکول‌های آب باعث تقسیم گروه‌های استری شوند. با توانایی های مقاوم در برابر هیدرولیز، TPU مبتنی بر پلی اتر می تواند در برنامه های کاربردی زیر آب و همچنین شرایط مرطوب و نمناک استفاده شود. در جایی که افزایش دما به طور معمول باعث تخریب هیدرولیتیک می شود، نمودار مقاومت هیدرولیز خوب را در دمای بالا نشان می دهد. این باعث می شود TPU مبتنی بر پلی اتر راه حل خوبی برای کاربردهایی از جمله کابل های ABS واقع در قسمت جلوی خودروها باشد که دائماً با خاک و آب در تماس هستند.

TPU های آروماتیک می توانند با قرار گرفتن در معرض اشعه UV زرد شوند. در کاربردهایی که یک TPU در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، بهترین اقدام استفاده از TPU آلیفاتیک است که در معرض قرار گرفتن در فضای باز زرد یا تخریب نمی‌شود.

تولیدکنندگان و ترند جهانی در TPU ها

ارزش بازار جهانی TPU در سال 2020 برابر با 2837.51 میلیون دلار بود. پیش‌بینی می‌شود که ارزش تولید TPU با CAGR 8.51 درصد در سال‌های آینده رشد کرده و به 4631.58 میلیون دلار در سال 2026 برسد.

BASF بزرگترین تولید کننده TPU در جهان است و سهم بازار آن 27.71٪ از ارزش است. BASF SE یک شرکت شیمیایی مستقر در آلمان است. Lubrizol دومین تولید کننده بزرگ TPU در جهان است و سهم بازار آن 19.43٪ از نظر ارزش است. شرکت Lubrizol یک ارائه دهنده مواد شیمیایی ویژه برای بازارهای حمل و نقل، صنعتی و مصرفی است. Ventures. Covestro سومین تولیدکننده بزرگ TPU در جهان است و سهم بازار آن 12.65٪ از نظر ارزش است.

Wanhua چهارمین تولیدکننده بزرگ TPU در جهان است و از نظر ارزش سهم بازار 7.86 درصد را دارد.

برای مشاوره، استعلام قیمت و گریدهای موجود TPUبا کارشناسان فروش شرکت دایان پلیمر دی در ارتباط باشید.