O que é elastômero de poliuretano termoplástico?

O que é elastômero de poliuretano termoplástico?

O elastômero de poliuretano é uma variedade de materiais sintéticos de poliuretano (outras variedades incluem espuma de poliuretano, adesivo de poliuretano, revestimento de poliuretano e fibra de poliuretano), e o elastômero de poliuretano termoplástico é um dos três tipos de elastômero de poliuretano. É comumente referido como TPU (os outros dois tipos principais de elastômeros de poliuretano são os elastômeros de poliuretano fundidos, abreviados como CPU, e os elastômeros de poliuretano mistos, abreviados como MPU).

O TPU é um tipo de elastômero de poliuretano que pode ser plastificado por aquecimento e dissolvido por solvente. Comparado com o CPU e o MPU, o TPU possui pouca ou nenhuma reticulação química em sua estrutura. Sua cadeia molecular é basicamente linear, mas apresenta um certo grau de reticulação física. Este é o elastômero de poliuretano termoplástico com estrutura bastante característica.

Estrutura e classificação da TPU

O elastômero de poliuretano termoplástico é um polímero linear de bloco (AB). A representa um polímero poliol (éster ou poliéter, com massa molecular de 1000 a 6000) de alta massa molecular, denominado de cadeia longa; B representa um diol contendo de 2 a 12 átomos de carbono em cadeia linear, denominado de cadeia curta.

Na estrutura do elastômero de poliuretano termoplástico (TPU), o segmento A é chamado de segmento macio, que possui características de flexibilidade e maciez, conferindo ao TPU extensibilidade; a cadeia de uretano gerada pela reação entre o segmento B e o isocianato é chamada de segmento rígido, que possui propriedades tanto rígidas quanto duras. Ajustando-se a proporção entre os segmentos A e B, obtêm-se produtos de TPU com diferentes propriedades físicas e mecânicas.

De acordo com a estrutura do segmento flexível, pode ser dividido em tipo poliéster, tipo poliéter e tipo butadieno, que contêm respectivamente grupos éster, éter ou buteno. De acordo com a estrutura do segmento rígido, pode ser dividido em tipo uretano e tipo uretano-ureia, que são obtidos respectivamente a partir de extensores de cadeia de etilenoglicol ou extensores de cadeia de diamina. A classificação comum divide-o em tipo poliéster e tipo poliéter.

Quais são as matérias-primas para a síntese de TPU?

(1) Diol de polímero

O diol macromolecular com peso molecular variando de 500 a 4000 e os grupos bifuncionais, com um teor de 50% a 80% no elastômero TPU, desempenham um papel decisivo nas propriedades físicas e químicas do TPU.

O diol polimérico adequado para elastômero de TPU pode ser dividido em poliéster e poliéter: o poliéster inclui politetrametileno glicol de ácido adípico (PBA), PCL e PHC; os poliéteres incluem polioxipropileno éter glicol (PPG), tetraidrofurano poliéter glicol (PTMG), etc.

(2) Diisocianato

O peso molecular é pequeno, mas a função é excepcional, desempenhando não apenas o papel de conectar o segmento flexível ao segmento rígido, mas também conferindo ao TPU diversas propriedades físicas e mecânicas vantajosas. Os diisocianatos aplicáveis ​​ao TPU são: diisocianato de difenilmetano (MDI), bis(-4-cicloexil)isocianato de metileno (HMDI), p-fenildiisocianato (PPDI), 1,5-naftalenodiisocianato (NDI), p-fenildimetildiisocianato (PXDI), etc.

(3) Extensor de corrente

O extensor de cadeia com peso molecular de 100 a 350, pertencente à classe dos dióis de baixa massa molecular, com estrutura de cadeia aberta e sem grupos substituintes, é propício para a obtenção de TPU com alta dureza e alto peso molecular. Os extensores de cadeia adequados para TPU incluem 1,4-butanodiol (BDO), 1,4-bis(2-hidroxietoxi)benzeno (HQEE), 1,4-cicloexanodimetanol (CHDM), p-fenildimetilglicol (PXG), etc.

Aplicação de TPU modificado como agente de reforço

Para reduzir os custos de produção e obter desempenho adicional, elastômeros termoplásticos de poliuretano podem ser usados ​​como agentes de reforço comuns para aumentar a resistência de diversos materiais termoplásticos e borrachas modificadas.

Devido à sua alta polaridade, o poliuretano pode ser compatível com resinas ou borrachas polares, como o polietileno clorado (CPE), que pode ser usado na fabricação de produtos médicos; a mistura com ABS pode substituir termoplásticos de engenharia; quando usado em combinação com policarbonato (PC), apresenta propriedades como resistência a óleo, combustível e impacto, podendo ser utilizado na fabricação de carrocerias; quando combinado com poliéster, sua tenacidade pode ser aprimorada; além disso, pode ser bem compatível com PVC, polioximetileno ou PVDC; o poliuretano poliéster pode ser bem compatível com misturas de 15% de borracha nitrílica ou 40% de borracha nitrílica/PVC; o poliuretano poliéter também pode ser bem compatível com adesivos de mistura de 40% de borracha nitrílica/cloreto de polivinila; também pode ser co-compatível com copolímeros de acrilonitrila estireno (SAN); pode formar estruturas de rede interpenetrante (IPN) com polissiloxanos reativos. A grande maioria dos adesivos mistos mencionados acima já foi oficialmente produzida.

Nos últimos anos, tem havido um crescente interesse em pesquisas sobre o reforço do POM por meio do TPU na China. A mistura de TPU e POM não só melhora a resistência a altas temperaturas e as propriedades mecânicas do TPU, como também aumenta significativamente a resistência do POM. Alguns pesquisadores demonstraram que, em testes de fratura por tração, em comparação com a matriz de POM pura, a liga de POM com TPU apresenta uma transição de fratura frágil para fratura dúctil. A adição de TPU também confere ao POM propriedades de memória de forma. A região cristalina do POM atua como a fase fixa da liga com memória de forma, enquanto a região amorfa do TPU e do POM amorfo atua como a fase reversível. Quando a temperatura de recuperação é de 165 °C e o tempo de recuperação é de 120 segundos, a taxa de recuperação da liga atinge mais de 95%, sendo este o melhor resultado obtido.

O TPU apresenta dificuldades de compatibilidade com materiais poliméricos apolares, como polietileno, polipropileno, borracha de etileno-propileno, borracha de butadieno, borracha de isopreno ou pó de borracha residual, e não pode ser utilizado na produção de compósitos com bom desempenho. Portanto, métodos de tratamento de superfície como plasma, corona, química úmida, primer, chama ou gás reativo são frequentemente utilizados para esses materiais. Por exemplo, a empresa americana Air Products and Chemicals realizou um tratamento de superfície com gás ativo F2/O2 em pó fino de polietileno de ultra-alto peso molecular (3-5 milhões de moléculas) e o adicionou a um elastômero de poliuretano na proporção de 10%, o que melhorou significativamente seu módulo de flexão, resistência à tração e resistência ao desgaste. O tratamento de superfície com gás ativo F2/O2 também pode ser aplicado a fibras curtas alongadas direcionalmente, com comprimento de 6-35 mm, o que pode melhorar a rigidez e a resistência ao rasgo do material compósito.

Quais são as áreas de aplicação do TPU?

Em 1958, a Goodrich Chemical Company (agora renomeada Lubrizol) registrou a marca de TPU Estane pela primeira vez. Ao longo dos últimos 40 anos, surgiram mais de 20 marcas em todo o mundo, cada uma com diversas linhas de produtos. Atualmente, os principais fabricantes de matéria-prima de TPU no mundo são: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, entre outros.

Como um excelente elastômero, o TPU possui uma ampla gama de produtos derivados, sendo amplamente utilizado em artigos de uso diário, artigos esportivos, brinquedos, materiais decorativos e outras áreas. Abaixo, alguns exemplos.

① Materiais para calçados

O TPU é usado principalmente em calçados devido à sua excelente elasticidade e resistência ao desgaste. Calçados com TPU são muito mais confortáveis ​​do que os calçados comuns, sendo por isso mais utilizados em calçados de alta qualidade, especialmente em tênis esportivos e casuais.

② Mangueiras

Devido à sua maciez, boa resistência à tração, resistência ao impacto e resistência a altas e baixas temperaturas, as mangueiras de TPU são amplamente utilizadas na China como mangueiras de gás e óleo para equipamentos mecânicos, como aeronaves, tanques, automóveis, motocicletas e máquinas-ferramenta.

③ Cabo

O TPU oferece resistência a rasgos, desgaste e flexão, sendo a resistência a altas e baixas temperaturas fundamental para o desempenho dos cabos. Por isso, no mercado chinês, cabos avançados, como cabos de controle e de energia, utilizam TPU para proteger os materiais de revestimento de designs complexos, e suas aplicações estão se tornando cada vez mais comuns.

④ Dispositivos médicos

O TPU é um material substituto do PVC seguro, estável e de alta qualidade, que não contém ftalatos nem outras substâncias químicas nocivas, evitando a migração para o sangue ou outros líquidos presentes em cateteres ou bolsas médicas e, consequentemente, efeitos colaterais. Além disso, o TPU, tanto para extrusão quanto para injeção, especialmente desenvolvido para este fim, pode ser facilmente utilizado, com alguns ajustes, em equipamentos já existentes para PVC.

⑤ Veículos e outros meios de transporte

Extrudando e revestindo ambos os lados do tecido de náilon com elastômero termoplástico de poliuretano, é possível fabricar botes infláveis ​​de ataque e reconhecimento para 3 a 15 pessoas, com desempenho muito superior ao dos botes infláveis ​​de borracha vulcanizada. O elastômero termoplástico de poliuretano reforçado com fibra de vidro pode ser utilizado na fabricação de componentes da carroceria, como peças moldadas em ambos os lados do próprio veículo, painéis de portas, para-choques, faixas antifricção e grades.