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干貨分享!TPU配方設計以及性能影響因素
2021-02-17

  TPU熱塑性聚氨酯彈性體,是一類在分子鏈中含有多個氨基甲酸酯基團(-NHCOO-)的彈性體高分子材料。通常以低聚物多元醇、多異氰酸酯、擴鏈劑/交聯劑及少量助劑為原料制得。一般由低聚物多元醇的柔性長鏈構成軟段,以二異氰酸酯和擴鏈劑構成硬段,硬段和軟段交替排列,形成重復結構單元。

  TPU原料對其性能的影響

  合成TPU主要有三大類,即低聚物多元醇(二元醇),二異氰酸酯以及小分子擴鏈劑。除此之外,有時為了提高反應速度,改善加工性能,降低成本等目的,還需要加入相應的助劑。

  1. 低聚物多元醇對TPU性能的影響

  TPU所用的低聚物多元醇原料有聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚烯烴多元醇等品種。在TPU中大分子二醇的含量通常約為50%-80%,因此對TPU性能的影響較大。需要考慮多元醇的主要指標有羥值、酸值、色度、粘度、水分、分子量的分布以及與異氰酸酯的反應活性等。

  聚酯型TPU具有較高的強度、耐磨及耐油性能,但耐水解能力比聚醚型TPU差。聚醚型的TPU具有較低的熱穩定性和抗光氧化性,較好的水解穩定性、耐候性,低溫柔順性和耐霉菌性等性能。在原料化學配比一定的情況下,改變低聚物多元醇的分子量對TPU的性能有較大的影響。軟段分子量增加也即降低了硬鏈段的比例。軟段比例增加,強度下降,彈性增加,永久變形增加。

  2. 異氰酸酯對TPU性能的影響

  MDI的蒸氣壓低,毒性小,對稱性又好,制得的彈性體強度一般比TDI基彈性體高。結構對稱的PPDI及環已烷-l,4-二異氰酸酯(CHDI)合成的彈性體具有較高的機械強度和耐熱性。NDI基聚氨酯彈性體具有較高的耐疲勞性能,特別是機械性能、動態性能、永久變形性能及耐油性能極優,用于特殊汽車部件等場合。IPDI、HDI制得的彈性體具有不黃變的特點,可用于某些耐黃變彈性體。

  3.擴鏈劑及交聯劑

  用于TPU的擴鏈劑比較多,通常分為二元胺和二元醇兩類。在實際工作中,可以使用不同品種的交聯劑及用量,調節反應物的粘度增長等工藝參數,使之適應加工工藝的要求。擴鏈劑的主要作用是調節產品的相關性能,它們不僅參與反應,具擴鏈和交聯作用,調節泡沫體結構和開孔率,提高產品的回彈性、剛性和力學性能,同時,它還能降低原料組分粘度,改善原料各組分的相容性。

  TPU配方設計

  TPU配方設計是一個相當復雜的過程,根據要求的性能選定主要原料的種類后,還需要考慮原料的相關參數,如:二元異氰酸酯的純度;聚合物多元醇的純度、酸值、羥值和水分的含量;擴鏈劑的純度及其水分的含量等因素。在此基礎上確定R值和硬段含量(Ch),最終確定其生產配方。

  1.原料基本參數的確定

  在配方設計的過程中需要確定原料的參數有:大分子二元醇的分子量、二元異氰酸酯和小分子擴鏈劑的純度等。其中大分子醇的羥值可以通過鄰苯二甲酸酐?;ɑ蛞阴;y定,酸值可以通過KOH滴定法測定;異氰酸酯純度可以用二正丁胺加成-鹽酸反滴定的方法來測定;大分子醇和小分子擴鏈劑水份的測定可以用費歇爾試劑來滴定。1mol水消耗1mol的二異氰酸酯,所以對擴鏈劑和大分子醇中的水分要嚴格控制,要提前對原料進行脫水處理,要求水份含量約0.03%-0.05%。

  2. TPU基本參數的確定

  TPU原料的基本參數確定后,最重要的是TPU基本配方的-NCO/OH(R)值和硬段含量(Ch)硬段含量是指硬段在TPU中的質量百分含量,是TPU配方設計的另一個重要的參數。硬段含量低、質量較?。ㄈ?0%)或者當硬段含量較高但低于約40%時,TPU具有良好的低溫性能、伸長率以及彈性,但強度、模量、耐磨性與耐熱性能較差。

  當硬段含量大約在40-60%時,TPU表現出良好的綜合性能,伸長率、彈性、強度、模量、耐磨性以及低溫性能都比較好。當硬段含量大于60%時,TPU具有良好的機械強度、較高的模量與耐磨性能、較好的耐熱性,但低溫性能、伸長率以及彈性則較差。

  在TPU中,一般情況下R控制在0.95~1.05,大多數在0.98~1.02之間。當R<1時,TPU為純線性結構,是熱塑型產品;R>1時,除生產線性TPU外,還有部分支化甚至交聯結構,為半熱塑型產品。純線性結構的TPU可熔可溶,既可以熔融加工如擠出、壓延、注塑、吹塑,也可以溶液加工如制成涂料、膠粘劑、漿料等。而半熱塑型TPU則可熔,但不全溶,只能熔融加工,不能溶液加工。

  TPU配方實施

  理論配方在實際操作中會出現一定偏差,微小的偏差會對最終結果又很大的影響,所以要根據實際情況進行調整。擴鏈劑、大分子二醇和異氰酸酯的純度,擴鏈劑、大分子二醇水份含量,大分子二醇的分子量等對配方有較大的影響,在實際操作過程要嚴格測定相應的參數,進行適當的配方調整。另外,生產研究過程中的計量要嚴格按照相應的規章來執行,盡量避免誤差。

 

來源:UTPE彈性體門戶

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