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热塑性聚氨酯弹性体的运用
点击次数：911 发布时间：2014-1-23
热塑性聚氨酯弹性体TPU
(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。
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*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、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。
2.2．汽车保险杠
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。
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。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*、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*，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。
*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*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。
(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。
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*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、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。
2.2．汽车保险杠
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。
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。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*、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*，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。
*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*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。