TPU malzemelerinin sentezi, işlenmesi, performansı ve uygulamaları

TPU (termoplastik poliüretan)Isıtılarak plastikleştirilebilen ve çözücülerle çözülebilen bir poliüretan türüdür. Karıştırma tipi ve döküm tipi poliüretanlarla karşılaştırıldığında, termoplastik poliüretanın kimyasal yapısında kimyasal çapraz bağlama ya hiç yoktur ya da çok azdır ve molekülleri temelde doğrusaldır, ancak belirli bir miktarda fiziksel değişim mevcuttur.
1958'de Schollenberger CS tarafından ilk kez ortaya atılan "fiziksel değişim" kavramı, ısıya veya çözücülere maruz kaldığında doğrusal poliüretan moleküler zincirleri arasında tersine çevrilebilir "bağlantı noktalarının" varlığını ifade eder. Bu aslında kimyasal bir çapraz bağ değildir, ancak kimyasal bir çapraz bağ gibi davranır. Bu fiziksel çapraz bağlanmanın sonucu olarak, poliüretan heterojen bir morfolojik yapı teorisi oluşturur ve poliüretanın hidrojen bağları morfolojisini güçlendirir ve yüksek neme karşı dirençli hale getirir.

TPU'nun sınıflandırması nedir?

TPU'nun ne olduğunu artık bildiğimize göre, sınıflandırmaları nelerdir? Farklı sınıflandırma standartlarına göre, TPU'nun birçok farklı sınıflandırması olabilir.

Örneğin, yumuşak segmentin yapısına göre, sırasıyla ester grubu, eter grubu veya büten grubu içeren polyester tipi, polieter tipi ve bütadien tipi olarak ayrılabilir. Sert segmentin yapısına göre ise, sırasıyla diol zincir uzatıcılarından veya diamin zincir uzatıcılarından elde edilen üretan tipi ve üretan üre tipi olarak ayrılabilir. Yaygın sınıflandırma ise polyester tipi ve polieter tipi şeklindedir.
Çapraz bağlamanın varlığına veya yokluğuna göre saf termoplastik ve yarı termoplastik olarak ikiye ayrılabilir. İlki, çapraz bağlama bağları içermeyen saf doğrusal bir yapıdır; ikincisi ise az miktarda allofanat ve diğer çapraz bağlama bağlarını içerir. Son ürünlerin kullanım alanına göre ise özel şekilli parçalar (çeşitli mekanik parçalar), borular (kılıflar, çubuk profilleri), filmler (levhalar, plakalar), yapıştırıcılar, kaplamalar ve lifler olarak sınıflandırılabilir.

TPU nasıl sentezlenir?

TPU'nun birçok sınıflandırması olmasına rağmen, moleküler yapı bakımından hepsi poliüretan grubuna aittir. Peki nasıl bir araya geliyorlar? Farklı sentez süreçlerine göre, esas olarak kütle polimerizasyonu ve çözelti polimerizasyonu olarak ikiye ayrılırlar.

Toplu polimerizasyonda, ön reaksiyon olup olmamasına göre ön polimerizasyon yöntemi ve tek adımlı yöntem olmak üzere ikiye ayrılabilir: ön polimerizasyon yönteminde, diizosiyanat belirli bir süre makromoleküler diol ile reaksiyona sokulur ve ardından TPU üretmek için zincir uzatıcı eklenir; moleküler dioller, diizoesterler ve zincir uzatıcılar aynı anda karıştırılır ve reaksiyona sokularak TPU oluşturulur.
Çözelti polimerizasyonu, önce diizosiyanatın çözücü içinde çözülmesi, ardından belirli bir süre reaksiyona girmesi için makromoleküler diolün eklenmesi ve son olarak TPU oluşturmak için zincir uzatıcının eklenmesi işlemidir.
TPU'nun yoğunluğunu yumuşak segmentin türü, moleküler ağırlığı, sert segment veya yumuşak segment içeriği ve TPU agregasyon durumu etkiler. Yoğunluk 1.10 ile 1.25 arasındadır ve diğer kauçuk ve plastiklerden önemli ölçüde farklı değildir. Aynı sertlikte, polieter TPU'nun yoğunluğu polyester TPU'nunkinden daha düşüktür.

TPU nasıl işlenir?

TPU reçinesi, nihai ürünler elde etmek için işlenmelidir ve TPU esas olarak eritme yöntemi ve çözelti yöntemiyle işlenir. Moleküler yapısı, difenilmetan diizosiyanat (MDI) veya toluen diizosiyanat (TDI) gibi bir zincir uzatıcı ve diizosiyanat molekülleri ile makromoleküler poliollerin reaksiyona girmesiyle elde edilen sert bir bloktur ve bu reaksiyon sonucunda esnek segmentler dönüşümlü olarak oluşur.

Ergitme işlemi, plastik endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bir işlemdir: karıştırma, kalenderleme, ekstrüzyon, şişirme kalıplama ve kalıplama (enjeksiyon, sıkıştırma, transfer ve santrifüjleme vb. dahil). Çözelti işleme ise peletlerin çözücülerde çözülmesi veya çözücülerde doğrudan polimerizasyonudur. Çözelti oluşturulduktan sonra kaplama, eğirme vb. işlemler gerçekleştirilir.
TPU, genellikle vulkanizasyon ve çapraz bağlama reaksiyonu gerektirmeyen bir nihai ürün haline getirilir; bu da üretim döngüsünü kısaltır ve atık malzemeler geri dönüştürülüp yeniden kullanılabilir.

TPU performansı

Dökme poliüretan (sıvı) ve karıştırma poliüretan (katı) gibi TPU da yüksek modül, yüksek mukavemet, yüksek uzama ve yüksek elastikiyete, mükemmel aşınma direncine, yağ direncine, düşük sıcaklık direncine ve yaşlanma direncine sahiptir. Bunlar arasında yüksek çekme mukavemeti, yüksek uzama ve düşük uzun süreli sıkıştırma kalıcı deformasyonu, TPU'nun önemli avantajlarıdır.

1. Yüksek çekme dayanımı ve yüksek uzama
TPU mükemmel çekme dayanımına ve uzama özelliğine sahiptir. Aşağıdaki şekildeki verilerden de görülebileceği gibi, polieter TPU'nun çekme dayanımı ve uzama özelliği, polivinil klorür plastik ve kauçuğa göre çok daha iyidir.

Ayrıca TPU, işleme sürecinde katkı maddesi eklemeden veya çok az katkı maddesi ekleyerek gıda endüstrisinin gereksinimlerini karşılayabilir; bu durum PVC ve kauçuk gibi diğer malzemeler için zordur.

2. Esneklik sıcaklığa karşı çok hassastır.
TPU'nun esnekliği, deformasyon gerilimi ortadan kalktıktan sonra orijinal şekline ne kadar hızlı geri döndüğünü ifade eder ve bu da geri kazanım enerjisi, yani deformasyon geri çekme işinin deformasyon için gereken işe oranı olarak ifade edilir. Bu, elastomerin dinamik modülü ve iç sürtünmesinin bir fonksiyonudur ve sıcaklığa karşı çok hassastır.

Geri yaylanma, sıcaklığın düşmesiyle azalır; belirli bir sıcaklığa kadar bu azalma devam eder, ardından esneklik tekrar hızla artar. Bu sıcaklık, makromoleküler diolün yapısına bağlı olan yumuşak segmentin kristalleşme sıcaklığıdır ve polieter TPU'nun kristalleşme sıcaklığı polyester TPU'dan daha düşüktür. Kristalleşme sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda, elastomer çok sertleşir ve esnekliğini kaybeder; bu nedenle geri yaylanma, sert bir metal yüzeyden geri tepmeye benzer.

3. Sertlik aralığı Shore A60~D80'dir.
Sertlik, bir malzemenin deformasyona, çizilmelere ve aşınmalara karşı direncini gösteren bir özelliktir.
TPU'nun sertliği, yumuşak ve sert zincir segmentlerinin oranının ayarlanmasıyla düzenlenebilir. Bu nedenle, TPU nispeten geniş bir sertlik aralığına sahiptir. Sertliği Shore A60 ile D80 arasında değişir, kauçuk ve plastik sertliğini kapsar ve tüm sertlik aralığında geniş bir sertlik aralığına sahiptir. Yüksek elastikiyete sahiptir.
Sertlikteki değişimle birlikte TPU'nun bazı özellikleri de değişir. Örneğin, TPU'nun sertliği artarsa, çekme modülü ve yırtılma mukavemetinde artış, rijitlik ve basınç gerilimi (yük kapasitesi) artışı, uzamada azalma, yoğunluk ve dinamik ısı üretiminde artış ve çevresel dirençte artış gibi performans değişiklikleri meydana gelir.

TPU'nun uygulama alanı

TPU, ilk olarak 1958 yılında Amerikan Goodrich Chemical Company (şimdiki adıyla Lubrizol) tarafından başarıyla ticarileştirilmiş ve o zamandan beri dünya çapında araştırılıp yaygınlaştırılmıştır. Şu anda TPU hammaddesi üreticileri arasında başlıca BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical ve benzerleri yer almaktadır.
Mükemmel performansa sahip bir elastomer olan TPU, geniş bir yelpazede alt ürün olarak kullanılmakta olup günlük ihtiyaç maddelerinde, spor malzemelerinde, oyuncaklarda, dekoratif malzemelerde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. İşte birkaç örnek.
1. Ayakkabı malzemesi
TPU, mükemmel esnekliği ve aşınma direnci nedeniyle ağırlıklı olarak ayakkabı malzemelerinde kullanılır. TPU içeren ayakkabı ürünleri, sıradan ayakkabı ürünlerine göre giyim konforu açısından çok daha üstündür, bu nedenle özellikle bazı spor ayakkabılar ve günlük ayakkabılar olmak üzere üst düzey ayakkabı ürünlerinde yaygın olarak kullanılırlar.


2. Hortum
TPU hortumlar yumuşaklığı, iyi çekme dayanımı, darbe dayanımı ve yüksek ve düşük sıcaklık direncine sahip olduğu için Çin'de uçak, tank, otomobil, motosiklet, takım tezgahı ve diğer mekanik ekipmanların gaz ve petrol taşımacılığında yaygın olarak kullanılmaktadır.



3. Kablo
TPU, yırtılma direnci, aşınma direnci ve bükülme özelliklerinin yanı sıra yüksek ve düşük sıcaklık direnci de kablo performansının anahtarıdır. Bu nedenle, Çin pazarında, kontrol kabloları ve güç kabloları gibi üst düzey kablolarda, karmaşık tasarımlı kabloların kaplama malzemelerini korumak için TPU kullanılmaktadır ve kullanım alanları giderek genişlemektedir.



4. Tıbbi malzeme
TPU, PVC'ye göre güvenli, stabil ve yüksek kaliteli bir alternatiftir. Ftalat gibi zararlı kimyasal maddeler içermez ve tıbbi kateterlerde veya tıbbi torbalarda kana veya diğer sıvılara geçerek yan etkilere neden olmaz. Ekstrüzyon ve enjeksiyon sınıfı TPU, mevcut PVC ekipmanında küçük bir ayarlama ile kolayca kullanılabilir.