熱塑性聚氨酯彈性體的應用淺談

1、熱塑性聚氨酯彈性體的應用淺談 熱塑性聚氨酯彈性體（簡稱TPU），以其優(yōu)異的性能和廣泛的應用，已成為重要的聚氨酯材料之一。近年來約以10%速度逐年增長，2000年全球TPU總產(chǎn)量約為14萬15萬t。我國2000年TPU產(chǎn)量估計為0.4萬t左右。由于聚氨酯原料多元醇及異氰酸酯品種較多，不同相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的軟、硬段結(jié)合，所得的TPU的種類及性能各不相同。TPU兼有塑料加工工藝性能和橡膠的物理機械性能，其耐磨、耐油、耐低溫、耐輻射性能尤為優(yōu)良，使其應用廣泛。我國由沈陽化工學院設(shè)計的年產(chǎn)1000t的TPU生產(chǎn)線在遼寧省錦州天工實業(yè)公司已試車成功，并即將投入生產(chǎn)，產(chǎn)品性能經(jīng)過測試已達國際水平。山東

2、煙臺華大公司和天津堯舜聚氨酯制品有限公司從國外引進的TPU生產(chǎn)裝置，目前按各自的銷售渠道在正常運轉(zhuǎn)。近年來，由于原料生產(chǎn)裝置和設(shè)備的大量引進，更會促使我國TPU生產(chǎn)的發(fā)展。1 TPU的合成TPU合成方法可分為一步法及預聚法，由于反應條件不同，聚合物的性能出現(xiàn)較大的差異。其中最佳的方法是一步法用雙螺桿擠出機生產(chǎn)TPU。對于一步法制得的TPU，基本上是屬于一種嵌段線型聚合物，基本反應式為：2nOCN-R-NCO+nHO-R'-OH+nHO-R"-OHCONH-R-NHCOO-R'-O-CONH-R-NHCOO-R"-On采用雙螺桿擠出機連續(xù)合成TPU，其工藝步驟

3、是由原料準備、計量輸送、混合反應、擠出造粒四個部分組成。該工藝具有原料配比計量精確、混合均勻、反應溫度均一及物料在機內(nèi)停留時間均勻等特點。但工藝流程中，對原料水分的控制、計量的精度、輸送、溫度分布以及切粒技術(shù)都不可忽視<1>。根據(jù)需要，通過配方的調(diào)整，可設(shè)計出具有合適性能指標的TPU產(chǎn)品。TPU的合成是一個系統(tǒng)工程，掌握好各項要素，就可以取得滿意的效果。TPU合成工藝研究動向，應著重在改善其物理機械性能及耐熱性能。2TPU的應用開發(fā)TPU由于性能優(yōu)異，深受人們的青瞇，它的應用幾乎滲透到各個工業(yè)領(lǐng)域，如建筑、汽車制造、防震緩沖材料、鋪裝材料、制革等領(lǐng)域，而且還有很多潛在領(lǐng)域有待開拓。

4、2.1在紡織工業(yè)上的應用TPU在紡織上的應用，主要是采用熔融法紡氨綸，國內(nèi)也開展了這方面的工作<26>。目前，世界上氨綸生產(chǎn)大部分是以干法為主，美國杜邦公司的氨綸產(chǎn)量占世界氨綸產(chǎn)量的一半以上。采用干法紡絲生產(chǎn)的氨綸性能優(yōu)良，但投資過高（年產(chǎn)500 t的工廠約需投資2億元人民幣），投資回收期長，生產(chǎn)成本也較高，并且存在污染環(huán)境問題，危害人體健康。而熔紡法生產(chǎn)氨綸具有投資較少、成本低、對環(huán)境無污染等優(yōu)勢，并可利用現(xiàn)有其它纖維的熔紡設(shè)備，并無需作大改動和更新設(shè)備就可生產(chǎn)中等品質(zhì)的氨綸，具有較好的經(jīng)濟效益。我國在此領(lǐng)域的開發(fā)與研究均有報道，工業(yè)性氨綸試紡亦取得很好的效果。熔紡氨綸與干法氨綸

5、性能差異正在縮小。熔紡法將成為氨綸的主要生產(chǎn)方法之一。目前，熔紡氨綸的伸長率已達干法水平，其拉伸強度則明顯高于干法氨綸，由于干法氨綸比熔紡氨綸有較好的微相分離程度和硬段區(qū)穩(wěn)定性，決定了熔紡氨綸在彈性恢復率上存在差距。因此，如果經(jīng)化學交聯(lián)處理后，纖維的回彈性可以得到明顯的改善。熔紡氨綸工藝大致在一步法、二步法、封端法和直接法四個方面有報道<2,3,7>。有人曾用熔紡一步法，優(yōu)化配方，在未加任何添加劑的情況下，制得的氨綸纖維拉伸強度1.3 cN/dtex，斷裂伸長率729.1%。我國深圳新綸公司采用二步法制成的氨綸纖維拉伸強度1.6 cN/dtex、斷裂伸長率600%，300%定伸恢復

6、率97%。盡管如此，我國對熔紡法氨綸的研究，還很不夠系統(tǒng)和深入。隨著對紡絲過程中，微相分離結(jié)構(gòu)的形成機理、動力學及紡絲成型性能方面的深入研究，會進一步完善熔紡工藝，從而制造出性能優(yōu)異的氨綸，這對于我國熔紡氨綸工業(yè)的發(fā)展將起到很大的促進作用。氨綸新品種開發(fā)領(lǐng)域著重在原絲新品種上，例如在耐氯、耐水解、耐熱、耐潮、耐霉菌以及阻燃方面。在加工方面，氨綸可與尼龍等纖維進行包復或包纏，其染色性、機械強度及耐磨性均優(yōu)良。用氨綸作芯絲，外面用蠶絲進行螺旋式包纏，可以提高真絲產(chǎn)品檔次，增加我國絲綢產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。采用純棉紗和氨綸加工成包芯紗，經(jīng)過整染加工后，布面經(jīng)向具有彈性，所開發(fā)的高彈牛仔布及燈芯絨

7、也深受消費者喜愛。2.2汽車保險杠表1 TPU和PP-EPDM材質(zhì)的保險杠性能比較 材質(zhì)TPUPP-EPDM拉伸強度/MPa55601828變曲模量/MPa30003100600Izod沖擊強度/J.m-110001200600熱變形溫度/909585密度/g.cm-30.900.920.910.92注：TPU保險杠由沈陽化工學院開發(fā)制造；PP-EPDM保險杠為國內(nèi)外使用的現(xiàn)有產(chǎn)品。TPU可應用于汽車車體的多種構(gòu)件，如保險杠、儀表板、減震墊等零部件。汽車保險杠一般由面層和增強梁組成。國內(nèi)外的保險杠多為聚丙烯（PP）與乙丙橡膠（EPDM）共混物材質(zhì)。有專利報道<8>，使用TPU制成的

8、保險杠，先后經(jīng)歷了以4080 km/h的車速進行的撞車沖擊試驗，和用10 kg大錘60余次的重砸，未發(fā)現(xiàn)明顯破裂，說明其安全性能很高，在事故中可降低車輛損傷程度和人員傷亡。該保險杠生產(chǎn)成本較低，值得開發(fā)。TPU彈性體材料與PP-EPDM共混材料的性能見表1。我國即將進入WTO，汽車行業(yè)必須有新的特色方可立于不敗之地。因此開發(fā)具有安全性能高的保險杠，應引起有關(guān)方面的注意。2.3鐵軌枕墊板國內(nèi)外鐵路使用的軌枕墊板，其綜合性能尚不足之處，使用壽命短，影響了列車的提速和綜合設(shè)施配套。專利報道<10>，在TPU中添加廉價填料制成的軌枕墊板，性能優(yōu)于橡膠墊板，可較大限度地吸收行駛的列車對鋼軌和

9、路基的沖擊壓力，從而在不增加列車牽引動力、不改造路基、不減少停站點的情況下，使列車達到提速目的，行車速度可提高到250 km/h以上。測試結(jié)果表明，新型軌枕墊板對鐵路通訊的指揮系統(tǒng)無任何干擾，其磨耗指標比橡膠墊板低10倍，使用壽命大為提高，從而減少墊板更換次數(shù)，降低更換費用，綜合性能優(yōu)良。2.4TPU在航空業(yè)上的應用開發(fā)攔阻網(wǎng)用于阻止飛機起飛或著陸滑跑時發(fā)生意外沖出跑道，而保證飛行人員和飛機的安全，避免重大事故發(fā)生。國外的機場攔阻網(wǎng)大多由尼龍編織制成。我國用TPU為原料采用擠出方法制成的攔阻網(wǎng)，具有強度大、重量輕、彈性好、不易霉爛、耐撕裂、耐低溫、耐油性能好等優(yōu)良性能。在TPU原料中加入熒光物

10、質(zhì)制成的網(wǎng)體能晚上發(fā)光。其各種性能均優(yōu)于國際上用尼龍編織的網(wǎng)體。例如尼龍編織的豎帶，其拉伸強度為139.2 MPa，用TPU制成的豎帶拉伸強度為186.3 MPa。因而TPU可應用于機場攔阻網(wǎng)。該攔阻網(wǎng)亦可用作在高速公路或盤山公路危險地段的護攔。用TPU制成的飛機薄壁油箱，不但工藝簡單，且壁薄，重量輕，使用壽命長。TPU又具有較高的抗輻射性，適用于制作宇宙飛行人員、X射線和原子能工作人員的保護衣。隨著航空事業(yè)不斷發(fā)展，對飛機維護技術(shù)需求也相應增加，同時對復原技術(shù)的要求也更加嚴格，采用壓縮空氣充氣的由TPU制成的氣囊抬高技術(shù)，可滿足以上的要求。2.5電纜外套用于海底等的浮電纜、光纜、地震電纜、飛

11、機電纜的護套一般可用TPU加工而成，由于其體積電阻率1012·cm，同時具有耐水解、耐候、耐磨、耐曲撓、高硬度等優(yōu)點，TPU制造電纜、電線外套，不僅電絕緣性能好，而且對導體有很好保護性能，使用安全，不易引起意外火災事故。2.6在醫(yī)療、衛(wèi)生方面的應用開發(fā)TPU具有良好的生物相容性、抗凝血性和優(yōu)良的物理性能，在醫(yī)學和生物領(lǐng)域中用量雖少，卻占有重要的地位。TPU可用來制造人工喉、人造腦殼、人造心臟瓣膜、血管、人工腎、人造皮、人造尿道、人造假肢等以及醫(yī)療用品如輸液管、導液（尿）管、冰敷袋等。目前TPU在醫(yī)療衛(wèi)生中的開發(fā)，正向生物工程、細胞工程和免疫工程等方面迅速發(fā)展。估計目前世界上醫(yī)用TPU

12、用量可達1.5萬t/a。山西省化工研究所和山西醫(yī)學院開發(fā)的聚氨酯氣管套管，比金屬套管用起來方便適應、柔軟、不斷裂、可減輕病人痛苦，無不良反應。2.7在油田及礦山中的應用全國油田每年要耗資數(shù)千元購買200多萬件的橡膠易損件，如泥漿泵活塞、旋流器、凡爾膠皮、高壓密封圈等，在油田中，多泥沙河流中的水力機械設(shè)備，會受到泥沙磨損和氣蝕破壞的聯(lián)合作用，其損壞速度相當驚人。TPU在這些領(lǐng)域的使用效果很好，可節(jié)約大量資金。中國科學院力學研究所在這方面做了大量的開發(fā)工作，其機械設(shè)備配合TPU配件在油田應用，效果不錯。礦用篩有金屬篩網(wǎng)及彈性篩板等幾類。與金屬篩相比，由TPU制成的PU彈性篩板噪音小、篩分質(zhì)量高、使用壽命長，耐磨性是鋼的612倍。TPU的優(yōu)良性能礦山機械上用途十分廣闊。煤礦每年需1000多萬件高壓密封圈和相當數(shù)量的礦用電機聯(lián)軸節(jié)，需要寬8001100 mm、長78 mm的煤礦用阻燃抗靜電輸送帶1700萬m。開采礦石和輸送條件的惡劣，橡膠帶很難滿足使用要求，TPU取代橡膠制作礦用運輸帶是一種發(fā)展趨勢。其阻燃、抗靜電的TPU運輸帶還可用作其它工業(yè)的多種運輸帶。3建議