Термополиуретан (TPU): что это за материал и где применяется

Термопластичный полиуретан (TPU, ТПУ) — это современный эластомер, сочетающий высокую эластичность каучука с возможностью многократной переработки, свойственной обычным пластикам. Выпускается в виде прозрачных или цветных гранул, пленок, защитных покрытий и готовых литых деталей.

TPU — это универсальный материал, который ценится прежде всего за экстремальную износостойкость, гибкость на морозе и устойчивость к раздиру. В отличие от классической резины или термореактивного полиуретана, его можно повторно плавить, формовать литьем под давлением или перерабатывать методом экструзии.

Спектр отраслей, где применяется материал TPU, охватывает как тяжелую промышленность, так и производство повседневных товаров: обувь, кабельные оболочки, пленки, шланги, технические детали, спортивные изделия.

Популярность этого полимера подтверждают и цифры: российский рынок демонстрирует устойчивый рост, а потребление полиэфирных компонентов превысило 230 тыс. тонн в год. Исследованиями физико-химических свойств эластомеров и созданием новых отечественных марок ТПУ с улучшенными характеристиками сегодня активно занимаются специалисты научно-исследовательских центров «СИБУР ПолиЛаб».

Что такое материал ТПУ

Термополиуретан представляет класс термопластичных эластомеров, которые объединяют лучшие качества эластомеров (резин) и термопластов.

Химически ТПУ является сополимером, состоящим из чередующихся твердых и мягких блоков. В основе его структуры лежат реакции полиприсоединения между диизоцианатами, полиолами и в некоторых случаях удлинителями цепи (диаминами или диолами).

За формирование твердого блока отвечают изоцианатные сегменты, а за формирование мягкого блока — полиольные сегменты . Твердые сегменты формируются за счет образования водородных связей между соседними уретановыми группами, а присутствие низкомолекулярных диолов увеличивает концентрацию уретановых групп, что приводит к повышению твердости материала.

Мягкие блоки обладают высокой гибкостью, эластичностью и низким температурным модулем.

В зависимости от соотношения твердых и мягких сегментов, а также от природы используемых полиолов, можно получать материал с широким диапазоном свойств: от очень мягких и эластичных до твердых и стеклообразных.

Отличия ТПУ от других полимеров

Термопластичный полиуретан сочетает основные достоинства двух разных классов материалов: эластомеров и термопластов.

Сравнение с полиэтиленом (ПЭ, PE) и полипропиленом (ПП, PP)

ТПУ радикально превосходит эти стандартные пластики по показателям эластичности, износостойкости и устойчивости к абразивному истиранию. Кроме того, в отличие от них, сохраняет гибкость в гораздо более широком диапазоне рабочих температур.

Сравнение с термореактивными полиуретанами

Главное преимущество ТПУ — способность обратимо плавиться. Его можно подвергать многократной вторичной переработке при нагревании, что делает производство более универсальным, экономичным и экологичным.

Сравнение с классической резиной (каучуками)

ТПУ значительно технологичнее в производстве: изделия формуются методом быстрого литья под давлением или экструзии, тогда как резина требует длительного процесса вулканизации. При этом ТПУ легче поддается повторному плавлению. Однако стоит учитывать, что по абсолютной химической или температурной стойкости специализированные марки резин по-прежнему могут превосходить термополиуретан.

ТПУ и ПВХ: основные различия

Сопоставление термополиуретана (TPU) и поливинилхлорида (ПВХ) — частая задача при подборе материалов для кабельной промышленности, производства пленок, шлангов и обувных подошв. Выбор между ними зависит от конкретных эксплуатационных условий, поскольку материалы имеют различия по эластичности, износостойкости, температурным характеристикам, стоимости и технологии переработки.

• Эластичность и необходимость пластификаторов. ТПУ обладает собственной эластичностью, связанной с его сегментированной полимерной структурой, и для получения эластичных марок обычно не требует внешних пластификаторов. ПВХ в чистом виде является жестким материалом, а для получения гибких композиций в него часто вводят пластификаторы. В зависимости от типа пластификатора и условий эксплуатации возможна его миграция или вымывание, что со временем способно изменять свойства материала.
• Стойкость к истиранию. Многие марки ТПУ отличаются высокой стойкостью к абразивному износу и механическим повреждениям. В условиях интенсивного трения они часто демонстрируют более высокую износостойкость, чем многие марки пластифицированного ПВХ. Однако конкретные показатели зависят от состава и марки материала.
• Гибкость при низких температурах. ТПУ может сохранять эластичность при низких температурах, однако предельная рабочая температура зависит от конкретной марки и химической основы полиуретана. Пластифицированный ПВХ также может сохранять гибкость при отрицательных температурах, но его низкотемпературные свойства существенно зависят от типа и количества пластификатора.
• Плотность и масса изделия. Плотность ТПУ и ПВХ зависит от конкретной рецептуры и наполнителей, поэтому нельзя считать ТПУ универсально более легким материалом. При этом высокая прочность и износостойкость отдельных марок ТПУ позволяют в некоторых конструкциях уменьшать толщину деталей без существенной потери эксплуатационных характеристик.
• Стоимость. ПВХ является крупнотоннажным полимером с развитой промышленной базой и обычно имеет более низкую стоимость сырья. ТПУ, как правило, дороже, однако его применение может быть экономически оправдано при повышенных требованиях к износостойкости, эластичности и долговечности изделия.

ТПУ целесообразно рассматривать для изделий, работающих при интенсивном истирании, многократном сгибании и повышенных механических нагрузках, при этом необходимо выбирать марку с подходящим диапазоном рабочих температур. ПВХ часто выбирают для изделий, где важны доступная стоимость, технологичность и требуемые эксплуатационные характеристики при умеренных нагрузках. Окончательный выбор материала определяется конкретной маркой полимера, составом композиции, условиями эксплуатации и требованиями к готовому изделию.

TPU, PU и TPE: в чем разница

Чтобы не запутаться в профессиональной терминологии и маркировках, важно понимать иерархию этих понятий.

Таким образом, любой TPU относится одновременно к полиуретанам (PU) и к термопластичным эластомерам (TPE). Однако не каждый полиуретан является TPU, и не каждый TPE является полиуретаном.

Производство и обработка термопластичного полиуретана

ТПУ производят в основном методом полиприсоединения (полимеризации присоединением), при котором диизоцианаты реагируют с полиолами и удлинителями цепи в экструдере или реакторе. Этим методом получают однородный продукт с высоким молекулярным весом.

Сырье должно быть высокой степени чистоты, с минимальным содержанием влаги, так как она может вызывать нежелательные побочные реакции.

Технологические условия обработки (температура, давление, скорость охлаждения) влияют на морфологию и, следовательно, на механические и химические свойства конечного продукта. От качества сырья и строгости технологических режимов зависит устойчивость термополиуретана к растрескиванию, износу и другим видам деградации.

Введение стабилизаторов, красителей, наполнителей или антистатиков позволяет модифицировать свойства материала для конкретных применений.

Свойства и характеристики материала ТПУ

Термополиуретан отличает высокая прочность и износостойкость, способность восстанавливаться после деформации, а также устойчивость к воздействию химически агрессивных веществ и абразивов. Рабочие температурные диапазоны термопластика ТПУ варьируются примерно от –40 °C до +100 °C, некоторые марки выдерживают кратковременные повышения температуры до +120 °C.

Основные технические параметры

Виды термопластичного полиуретана

Классификация химической природы термопластичного полиуретана:

1. По виду полиольного блока (мягких сегментов):

• • Polyether-based — полимеры на основе простых полиэфиров. Обладают высокой стойкостью к гидролизу (влаге), хорошей гибкостью при низких температурах и устойчивостью к микробиологическому воздействию;
• Polyester-based — полимеры на основе сложных полиэфиров. Обладают высокой стойкостью к истиранию, маслам и растворителям, но менее устойчивы к гидролизу.

2. По виду изоцианатного блока (твердых сегментов):

• Ароматические — производят из ароматических диизоцианатов. Обладают высокой прочностью, стойкостью к истиранию и химическим воздействиям, но могут подвергаться деградации под воздействием ультрафиолетового излучения;
• Алифатические — получают из алифатических диизоцианатов. Их отличает стойкость к УФ-излучению и прозрачность. Но они значительно дороже ароматических аналогов.

Существуют также специализированные марки, например, с антистатическими свойствами, биоразлагаемые, огнестойкие, а также с улучшенной адгезией к различным материалам. ТПУ бывает как прозрачным, так и непрозрачным.

Применение термополиуретана в различных отраслях

Комплекс физических свойств позволяет перерабатывать ТПУ в множество различных форм. В промышленности он используется в виде гранул для литья и экструзии, готовых пленок, рулонных покрытий для тканей и формованных деталей.

Легкая промышленность и спорт

• Обувная индустрия. Один из наиболее распространенных сегментов применения гранулированного ТПУ. Методом литья под давлением из сырья изготавливают износостойкие подошвы для спортивной обуви, накладки и защитные элементы для треккинговых и рабочих ботинок, а также шипы для футбольных бутс. Материал ценится за долговечность, устойчивость к истиранию и способность поглощать ударные нагрузки.
• Надувные изделия и герметичные оболочки. ТПУ-пленки и ламинированные ткани применяют для производства надувных лодок, пневмокаркасных конструкций, спасательных жилетов, надувных аттракционов и гермомешков. Такие материалы сочетают газонепроницаемость, прочность на раздир и эластичность.
• Спортивное снаряжение. Из ТПУ изготавливают гибкие элементы спортивного оборудования, детали горнолыжных креплений и коньков, защитные элементы, компоненты фитнес-тренажеров, а также износостойкие покрытия и отдельные детали спортивного инвентаря.

Технические и промышленные применения

• Кабельные оболочки. Благодаря сочетанию гибкости, износостойкости и устойчивости к воздействию масел и других эксплуатационных факторов ТПУ применяют для экструзии защитных оболочек кабелей. Такие кабели используются в робототехнике, геологоразведочном оборудовании, автомобилестроении и других областях, где требуется высокая механическая стойкость. Низкотемпературные характеристики зависят от конкретной марки ТПУ.
• Шланги и трубки. Экструдированные ТПУ-трубки применяют в пневматических системах, отдельных пищевых и химических технологических линиях, а также в гидравлических системах при подходящих рабочих давлениях. Материал позволяет сочетать гибкость, прочность стенок и устойчивость к износу.
• Износостойкие детали машин. Из ТПУ производят промышленные ролики, колеса, манжеты, уплотнения, втулки и другие детали. В ряде применений ТПУ способен заменить некоторые виды резин и другие конструкционные материалы благодаря сочетанию эластичности, прочности и высокой износостойкости.

Высокотехнологичные и регулируемые сферы

• 3D-печать (аддитивное производство). ТПУ выпускается в виде гибких филаментов для FDM/FFF-печати, а отдельные марки используются и в порошковых технологиях. Из него изготавливают гибкие прототипы, демпфирующие элементы, ортопедические изделия, защитные элементы и корпуса.
• Автомобилестроение и защита поверхностей. Прозрачные ТПУ-пленки применяют для защиты лакокрасочного покрытия автомобилей и других поверхностей от сколов, царапин и мелких механических повреждений.
• Медицина, игрушки и пищевой контакт. Термополиуретан используют для производства медицинских трубок и катетеров, отдельных компонентов систем медицинского назначения, детских изделий и деталей оборудования пищевой промышленности. При этом базовая полимерная основа не означает автоматической биосовместимости или пригодности для контакта с пищевыми продуктами. Для таких применений используют специализированные марки ТПУ, соответствующие установленным требованиям и прошедшие необходимые испытания и сертификацию на биосовместимость, токсикологические показатели, стерилизуемость или миграцию веществ в зависимости от назначения.

Преимущества и недостатки материала ТПУ

Основные преимущества термополиуретана — высокая прочность, отличная эластичность, износостойкость, химическая и биологическая устойчивость, а также возможность многократной переработки. По сравнению с традиционным ПВХ ТПУ меньше выделяет вредных веществ и более экологичен. В сравнении с резиной ТПУ выигрывает по прозрачности, адгезии к другим материалам и устойчивостью к воздействию масел и растворителей.

Однако существуют и недостатки. Стоимость материала выше, чем у многих альтернатив, а обработка требует точного соблюдения технологических параметров. Существуют также ограничения по температурному режиму эксплуатации, который ниже, чем у некоторых термореактивных материалов.

Заключение

Термопластичный полиуретан — это современный универсальный материал, сочетающий высокие технические показатели и гибкость применения. Перспективы ТПУ связаны с ростом экологических требований, разработкой новых модификаций для специальных условий эксплуатации и оптимизацией производственных процессов.

Термопластичный полиуретан (TPU) выбирают при необходимости сочетать гибкость, износостойкость и термопластичную переработку, а конкретный тип подбирают с учетом гидролитической устойчивости, УФ-стойкости, маслостойкости, твердости и рабочей температуры. В частности, polyether-based оптимальны для влажной среды, polyester-based — для условий высокого износа и контакта с маслами, а алифатические востребованы в наружном применении.

Развитие отечественных марок ТПУ и исследования СИБУР ПолиЛаб позволяют решать задачи импортозамещения для российских переработчиков.