热塑性聚氨酯弹性体TPU的应用分析1111

热塑性聚氨酯弹性体的应用浅谈热塑性聚氨酯弹性体（简称TPU），以其优异的性能和广泛的应用，已成为重要的聚氨酯材料之一。近年来约以10%速度逐年增长，2000年全球TPU总产量约为14万~15万t。我国2000年TPU产量估计为0.4万t左右。由于聚氨酯原料多元醇及异氰酸酯品种较多，不同相对分子质量及分子结构的软、硬段结合，所得的TPU的种类及性能各不相同。TPU兼有塑料加工工艺性能和橡胶的物理机械性能，其耐磨、耐油、耐低温、耐辐射性能尤为优良，使其应用广泛。我国由沈阳化工学院设计的年产1000t的TPU生产线在辽宁省锦州天工实业公司已试车成功，并即将投入生产，产品性能经过测试已达国际水平。山东烟台华大公司和天津尧舜聚氨酯制品有限公司从国外引进的TPU生产装置，目前按各自的销售渠道在正常运转。近年来，由于原料生产装置和设备的大量引进，更会促使我国TPU生产的发展。1．TPU的合成TPU合成方法可分为一步法及预聚法，由于反应条件不同，聚合物的性能出现较大的差异。其中最佳的方法是一步法用双螺杆挤出机生产TPU。对于一步法制得的TPU，基本上是属于一种嵌段线型聚合物，基本反应式为：2nOCN-R-NCO+nHO-R'-OH+nHO-R-OH→∈CONH-R-NHCOO-R'-O-CONH-R-NHCOO-R-On采用双螺杆挤出机连续合成TPU，其工艺步骤是由原料准备、计量输送、混合反应、挤出造粒四个部分组成。该工艺具有原料配比计量精确、混合均匀、反应温度均一及物料在机内停留时间均匀等特点。但工艺流程中，对原料水分的控制、计量的精度、输送、温度分布以及切粒技术都不可忽视1。根据需要，通过配方的调整，可设计出具有合适性能指标的TPU产品。TPU的合成是一个系统工程，掌握好各项要素，就可以取得满意的效果。TPU合成工艺研究动向，应着重在改善其物理机械性能及耐热性能。2．TPU的应用开发TPU由于性能优异，深受人们的青眯，它的应用几乎渗透到各个工业领域，如建筑、汽车制造、防震缓冲材料、铺装材料、制革等领域，而且还有很多潜在领域有待开拓。2.1．在纺织工业上的应用TPU在纺织上的应用，主要是采用熔融法纺氨纶，国内也开展了这方面的工作2~6。目前，世界上氨纶生产大部分是以干法为主，美国杜邦公司的氨纶产量占世界氨纶产量的一半以上。采用干法纺丝生产的氨纶性能优良，但投资过高（年产500t的工厂约需投资2亿元人民币），投资回收期长，生产成本也较高，并且存在污染环境问题，危害人体健康。而熔纺法生产氨纶具有投资较少、成本低、对环境无污染等优势，并可利用现有其它纤维的熔纺设备，并无需作大改动和更新设备就可生产中等品质的氨纶，具有较好的经济效益。我国在此领域的开发与研究均有报道，工业性氨纶试纺亦取得很好的效果。熔纺氨纶与干法氨纶性能差异正在缩小。熔纺法将成为氨纶的主要生产方法之一。目前，熔纺氨纶的伸长率已达干法水平，其拉伸强度则明显高于干法氨纶，由于干法氨纶比熔纺氨纶有较好的微相分离程度和硬段区稳定性，决定了熔纺氨纶在弹性恢复率上存在差距。因此，如果经化学交联处理后，纤维的回弹性可以得到明显的改善。熔纺氨纶工艺大致在一步法、二步法、封端法和直接法四个方面有报道2,3,7。有人曾用熔纺一步法，优化配方，在未加任何添加剂的情况下，制得的氨纶纤维拉伸强度1.3cN/dtex，断裂伸长率729.1%。我国深圳新纶公司采用二步法制成的氨纶纤维拉伸强度1.6cN/dtex、断裂伸长率600%，300%定伸恢复率97%。尽管如此，我国对熔纺法氨纶的研究，还很不够系统和深入。随着对纺丝过程中，微相分离结构的形成机理、动力学及纺丝成型性能方面的深入研究，会进一步完善熔纺工艺，从而制造出性能优异的氨纶，这对于我国熔纺氨纶工业的发展将起到很大的促进作用。氨纶新品种开发领域着重在原丝新品种上，例如在耐氯、耐水解、耐热、耐潮、耐霉菌以及阻燃方面。在加工方面，氨纶可与尼龙等纤维进行包复或包缠，其染色性、机械强度及耐磨性均优良。用氨纶作芯丝，外面用蚕丝进行螺旋式包缠，可以提高真丝产品档次，增加我国丝绸产品在国际市场上的竞争力。采用纯棉纱和氨纶加工成包芯纱，经过整染加工后，布面经向具有弹性，所开发的高弹牛仔布及灯芯绒也深受消费者喜爱。2.2．汽车保险杠表1TPU和PP-EPDM材质的保险杠性能比较材质TPUPP-EPDM拉伸强度/MPa55~6018~28变曲模量/MPa3000~3100600Izod冲击强度/J.m-11000~1200600热变形温度/℃90~9585密度/g.cm-30.90~0.920.91~0.92注：TPU保险杠由沈阳化工学院开发制造；PP-EPDM保险杠为国内外使用的现有产品。TPU可应用于汽车车体的多种构件，如保险杠、仪表板、减震垫等零部件。汽车保险杠一般由面层和增强梁组成。国内外的保险杠多为聚丙烯（PP）与乙丙橡胶（EPDM）共混物材质。有专利报道8，使用TPU制成的保险杠，先后经历了以40~80km/h的车速进行的撞车冲击试验，和用10kg大锤60余次的重砸，未发现明显破裂，说明其安全性能很高，在事故中可降低车辆损伤程度和人员伤亡。该保险杠生产成本较低，值得开发。TPU弹性体材料与PP-EPDM共混材料的性能见表1。我国即将进入WTO，汽车行业必须有新的特色方可立于不败之地。因此开发具有安全性能高的保险杠，应引起有关方面的注意。2.3．铁轨枕垫板国内外铁路使用的轨枕垫板，其综合性能尚不足之处，使用寿命短，影响了列车的提速和综合设施配套。专利报道10，在TPU中添加廉价填料制成的轨枕垫板，性能优于橡胶垫板，可较大限度地吸收行驶的列车对钢轨和路基的冲击压力，从而在不增加列车牵引动力、不改造路基、不减少停站点的情况下，使列车达到提速目的，行车速度可提高到250km/h以上。测试结果表明，新型轨枕垫板对铁路通讯的指挥系统无任何干扰，其磨耗指标比橡胶垫板低10倍，使用寿命大为提高，从而减少垫板更换次数，降低更换费用，综合性能优良。2.4．TPU在航空业上的应用开发拦阻网用于阻止飞机起飞或着陆滑跑时发生意外冲出跑道，而保证飞行人员和飞机的安全，避免重大事故发生。国外的机场拦阻网大多由尼龙编织制成。我国用TPU为原料采用挤出方法制成的拦阻网，具有强度大、重量轻、弹性好、不易霉烂、耐撕裂、耐低温、耐油性能好等优良性能。在TPU原料中加入荧光物质制成的网体能晚上发光。其各种性能均优于国际上用尼龙编织的网体。例如尼龙编织的竖带，其拉伸强度为139.2MPa，用TPU制成的竖带拉伸强度为186.3MPa。因而TPU可应用于机场拦阻网。该拦阻网亦可用作在高速公路或盘山公路危险地段的护拦。用TPU制成的飞机薄壁油箱，不但工艺简单，且壁薄，重量轻，使用寿命长。TPU又具有较高的抗辐射性，适用于制作宇宙飞行人员、X射线和原子能工作人员的保护衣。随着航空事业不断发展，对飞机维护技术需求也相应增加，同时对复原技术的要求也更加严格，采用压缩空气充气的由TPU制成的气囊抬高技术，可满足以上的要求。2.5．电缆外套用于海底等的浮电缆、光缆、地震电缆、飞机电缆的护套一般可用TPU加工而成，由于其体积电阻率≥1012Ω·cm，同时具有耐水解、耐候、耐磨、耐曲挠、高硬度等优点，TPU制造电缆、电线外套，不仅电绝缘性能好，而且对导体有很好保护性能，使用安全，不易引起意外火灾事故。2.6．在医疗、卫生方面的应用开发TPU具有良好的生物相容性、抗凝血性和优良的物理性能，在医学和生物领域中用量虽少，却占有重要的地位。TPU可用来制造人工喉、人造脑壳、人造心脏瓣膜、血管、人工肾、人造皮、人造尿道、人造假肢等以及医疗用品如输液管、导液（尿）管、冰敷袋等。目前TPU在医疗卫生中的开发，正向生物工程、细胞工程和免疫工程等方面迅速发展。估计目前世界上医用TPU用量可达1.5万t/a。山西省化工研究所和山西医学院开发的聚氨酯气管套管，比金属套管用起来方便适应、柔软、不断裂、可减轻病人痛苦，无不良反应。2.7．在油田及矿山中的应用全国油田每年要耗资数千元购买200多万件的橡胶易损件，如泥浆泵活塞、旋流器、凡尔胶皮、高压密封圈等，在油田中，多泥沙河流中的水力机械设备，会受到泥沙磨损和气蚀破坏的联合作用，其损坏速度相当惊人。TPU在这些领域的使用效果很好，可节约大量资金。中国科学院力学研究所在这方面做了大量的开发工作，其机械设备配合TPU配件在油田应用，效果不错。矿用筛有金属筛网及弹性筛板等几类。与金属筛相比，由TPU制成的PU弹性筛板噪音小、筛分质量高、使用寿命长，耐磨性是钢的6~12倍。TPU的优良性能矿山机械上用途十分广阔。煤矿每年需1000多万件高压密封圈和相当数量的矿用电机联轴节，需要宽800~1100mm、长78mm的煤矿用阻燃抗静电输送带1700万m。开采矿石和输送条件的恶劣，橡胶带很难满足使用要求，TPU取代橡胶制作矿用运输带是一种发展趋势。其阻燃、抗静电的TPU运输带还可用作其它工业的多种运输带。3．建议（1）我国TPU合成工艺尚属起步阶段，与世界先进国家相比，还有一定差距。TPU的质量好坏又是熔融纺丝的关键，因此要加强基础性研究，改进工艺、优选出适合于熔纺的TPU设计配方，为熔融法纺氨纶领域作出贡献。（2）我国TPU正处于发展时期，还有许多新技术、新产品需要我们去开发，其中重点是加强TPU的改性和应用开发，尽快开拓新市场。TPU的应用领域相当广泛，上述文中仅在一些应用领域举了数例作抛砖引玉。