熱塑性聚氨酯彈性體的應(yīng)用淺談

1、熱塑性聚氨酯彈性體的應(yīng)用淺談 熱塑性聚氨酯彈性體（簡(jiǎn)稱TPU），以其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用，已成為重要的聚氨酯材料之一。近年來(lái)約以10%速度逐年增長(zhǎng)，2000年全球TPU總產(chǎn)量約為14萬(wàn)15萬(wàn)t。我國(guó)2000年TPU產(chǎn)量估計(jì)為0.4萬(wàn)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(duì)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(jī)械性能，其耐磨、耐油、耐低溫、耐輻射性能尤為優(yōu)良，使其應(yīng)用廣泛。我國(guó)由沈陽(yáng)化工學(xué)院設(shè)計(jì)的年產(chǎn)1000t的TPU生產(chǎn)線在遼寧省錦州天工實(shí)業(yè)公司已試車(chē)成功，并即將投入生產(chǎn)，產(chǎn)品性能經(jīng)過(guò)測(cè)試已達(dá)國(guó)際水平。山東

2、煙臺(tái)華大公司和天津堯舜聚氨酯制品有限公司從國(guó)外引進(jìn)的TPU生產(chǎn)裝置，目前按各自的銷(xiāo)售渠道在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。近年來(lái)，由于原料生產(chǎn)裝置和設(shè)備的大量引進(jìn)，更會(huì)促使我國(guó)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(yù)聚法，由于反應(yīng)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(jī)生產(chǎn)TPU。對(duì)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(yīng)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(jī)連續(xù)合成TPU，其工藝步驟

3、是由原料準(zhǔn)備、計(jì)量輸送、混合反應(yīng)、擠出造粒四個(gè)部分組成。該工藝具有原料配比計(jì)量精確、混合均勻、反應(yīng)溫度均一及物料在機(jī)內(nèi)停留時(shí)間均勻等特點(diǎn)。但工藝流程中，對(duì)原料水分的控制、計(jì)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(guò)配方的調(diào)整，可設(shè)計(jì)出具有合適性能指標(biāo)的TPU產(chǎn)品。TPU的合成是一個(gè)系統(tǒng)工程，掌握好各項(xiàng)要素，就可以取得滿意的效果。TPU合成工藝研究動(dòng)向，應(yīng)著重在改善其物理機(jī)械性能及耐熱性能。2TPU的應(yīng)用開(kāi)發(fā)TPU由于性能優(yōu)異，深受人們的青瞇，它的應(yīng)用幾乎滲透到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如建筑、汽車(chē)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(kāi)拓。

4、2.1在紡織工業(yè)上的應(yīng)用TPU在紡織上的應(yīng)用，主要是采用熔融法紡氨綸，國(guó)內(nèi)也開(kāi)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(guó)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(guò)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(zhǎng)，生產(chǎn)成本也較高，并且存在污染環(huán)境問(wèn)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(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，并可利用現(xiàn)有其它纖維的熔紡設(shè)備，并無(wú)需作大改動(dòng)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(jì)效益。我國(guó)在此領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與研究均有報(bào)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(zhǎng)率已達(dá)干法水平，其拉伸強(qiáng)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(fù)率上存在差距。因此，如果經(jīng)化學(xué)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(gè)方面有報(bào)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(qiáng)度1.3 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率729.1%。我國(guó)深圳新綸公司采用二步法制成的氨綸纖維拉伸強(qiáng)度1.6 cN/dtex、斷裂伸長(zhǎng)率600%，300%定伸恢復(fù)

6、率97%。盡管如此，我國(guó)對(duì)熔紡法氨綸的研究，還很不夠系統(tǒng)和深入。隨著對(duì)紡絲過(guò)程中，微相分離結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、動(dòng)力學(xué)及紡絲成型性能方面的深入研究，會(huì)進(jìn)一步完善熔紡工藝，從而制造出性能優(yōu)異的氨綸，這對(duì)于我國(guó)熔紡氨綸工業(yè)的發(fā)展將起到很大的促進(jìn)作用。氨綸新品種開(kāi)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(jìn)行包復(fù)或包纏，其染色性、機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性均優(yōu)良。用氨綸作芯絲，外面用蠶絲進(jìn)行螺旋式包纏，可以提高真絲產(chǎn)品檔次，增加我國(guó)絲綢產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。采用純棉紗和氨綸加工成包芯紗，經(jīng)過(guò)整染加工后，布面經(jīng)向具有彈性，所開(kāi)發(fā)的高彈牛仔布及燈芯絨

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

8、保險(xiǎn)杠，先后經(jīng)歷了以4080 km/h的車(chē)速進(jìn)行的撞車(chē)沖擊試驗(yàn)，和用10 kg大錘60余次的重砸，未發(fā)現(xiàn)明顯破裂，說(shuō)明其安全性能很高，在事故中可降低車(chē)輛損傷程度和人員傷亡。該保險(xiǎn)杠生產(chǎn)成本較低，值得開(kāi)發(fā)。TPU彈性體材料與PP-EPDM共混材料的性能見(jiàn)表1。我國(guó)即將進(jìn)入WTO，汽車(chē)行業(yè)必須有新的特色方可立于不敗之地。因此開(kāi)發(fā)具有安全性能高的保險(xiǎn)杠，應(yīng)引起有關(guān)方面的注意。2.3鐵軌枕墊板國(guó)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(chē)的提速和綜合設(shè)施配套。專利報(bào)道<10>，在TPU中添加廉價(jià)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(chē)對(duì)鋼軌和

9、路基的沖擊壓力，從而在不增加列車(chē)牽引動(dòng)力、不改造路基、不減少停站點(diǎn)的情況下，使列車(chē)達(dá)到提速目的，行車(chē)速度可提高到250 km/h以上。測(cè)試結(jié)果表明，新型軌枕墊板對(duì)鐵路通訊的指揮系統(tǒng)無(wú)任何干擾，其磨耗指標(biāo)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(fèi)用，綜合性能優(yōu)良。2.4TPU在航空業(yè)上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)攔阻網(wǎng)用于阻止飛機(jī)起飛或著陸滑跑時(shí)發(fā)生意外沖出跑道，而保證飛行人員和飛機(jī)的安全，避免重大事故發(fā)生。國(guó)外的機(jī)場(chǎng)攔阻網(wǎng)大多由尼龍編織制成。我國(guó)用TPU為原料采用擠出方法制成的攔阻網(wǎng)，具有強(qiáng)度大、重量輕、彈性好、不易霉?fàn)€、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(guó)際上用尼龍編織的網(wǎng)體。例如尼龍編織的豎帶，其拉伸強(qiáng)度為139.2 MPa，用TPU制成的豎帶拉伸強(qiáng)度為186.3 MPa。因而TPU可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)攔阻網(wǎng)。該攔阻網(wǎng)亦可用作在高速公路或盤(pán)山公路危險(xiǎn)地段的護(hù)攔。用TPU制成的飛機(jī)薄壁油箱，不但工藝簡(jiǎn)單，且壁薄，重量輕，使用壽命長(zhǎng)。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(hù)衣。隨著航空事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)維護(hù)技術(shù)需求也相應(yīng)增加，同時(shí)對(duì)復(fù)原技術(shù)的要求也更加嚴(yán)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(jī)電纜的護(hù)套一般可用TPU加工而成，由于其體積電阻率1012·cm，同時(shí)具有耐水解、耐候、耐磨、耐曲撓、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，TPU制造電纜、電線外套，不僅電絕緣性能好，而且對(duì)導(dǎo)體有很好保護(hù)性能，使用安全，不易引起意外火災(zāi)事故。2.6在醫(yī)療、衛(wèi)生方面的應(yīng)用開(kāi)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(xué)和生物領(lǐng)域中用量雖少，卻占有重要的地位。TPU可用來(lái)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(dǎo)液（尿）管、冰敷袋等。目前TPU在醫(yī)療衛(wèi)生中的開(kāi)發(fā)，正向生物工程、細(xì)胞工程和免疫工程等方面迅速發(fā)展。估計(jì)目前世界上醫(yī)用TPU

12、用量可達(dá)1.5萬(wàn)t/a。山西省化工研究所和山西醫(yī)學(xué)院開(kāi)發(fā)的聚氨酯氣管套管，比金屬套管用起來(lái)方便適應(yīng)、柔軟、不斷裂、可減輕病人痛苦，無(wú)不良反應(yīng)。2.7在油田及礦山中的應(yīng)用全國(guó)油田每年要耗資數(shù)千元購(gòu)買(mǎi)200多萬(wàn)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(jī)械設(shè)備，會(huì)受到泥沙磨損和氣蝕破壞的聯(lián)合作用，其損壞速度相當(dāng)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(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所在這方面做了大量的開(kāi)發(fā)工作，其機(jī)械設(shè)備配合TPU配件在油田應(yīng)用，效果不錯(cuò)。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(zhǎng)，耐磨性是鋼的612倍。TPU的優(yōu)良性能礦山機(jī)械上用途十分廣闊。煤礦每年需1000多萬(wàn)件高壓密封圈和相當(dāng)數(shù)量的礦用電機(jī)聯(lián)軸節(jié)，需要寬8001100 mm、長(zhǎng)78 mm的煤礦用阻燃抗靜電輸送帶1700萬(wàn)m。開(kāi)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(yùn)輸帶是一種發(fā)展趨勢(shì)。其阻燃、抗靜電的TPU運(yùn)輸帶還可用作其它工業(yè)的多種運(yùn)輸帶。3建議