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

Термополиуретан (TPU) - что это такое? Подробно о свойствах, характеристиках и применении термопластичного полиуретана. Узнайте все о материале ТПУ: от производства до использования в различных отраслях.

Рынок термополиуретана (ТПУ, TPU) динамично развивается как в России, так и на мировом уровне. Этот тренд обусловлен растущим спросом на долговечные, экологичные и функциональные материалы, способные отвечать строгим требованиям современных потребителей.

В 2023 году потребление простых полиэфиров для синтеза полиуретанов в России выросло на 25% и достигло 234 тыс. тонн, превысив докризисный уровень 2021 года (230 тыс. тонн).

Научно-исследовательские центры ПолиЛаб активно работают над созданием новых марок полиуретановых и других полимерных материалов с улучшенными свойствами, которые применяют в строительстве, автомобилестроении и производстве товаров народного потребления.

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

ТПУ превосходит термопласты, например, полиэтилен или полипропилен, по эластичности, износостойкости и устойчивости к истиранию. В отличие от них, термополиуретан сохраняет свойства в широком диапазоне температур, демонстрируя при этом высокую прочность.

ТПУ по сравнению с эластомерами легче поддается переработке литьем под давлением и экструзией.

В отличие от термореактивных полиуретанов, ТПУ поддается многократной переработке при нагревании, что влияет на его универсальность, экономичность и экологичность.

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

ТПУ широко используют в обувной индустрии для подошв и амортизирующих вставок из-за эластичности и износостойкости. В электронике из материала изготавливают корпуса и защитные покрытия, обеспечивающие ударопрочность и защиту от грязи и влаги.

В автомобилестроении ТПУ востребован для уплотнителей, защитных накладок, гибких компонентов. В медицине применяют для производства гибких трубок, катетеров и других изделий, поскольку материал биосовместим и стерилизуем. В спорте используют для изготовления мячей, защитного снаряжений, подошв спортивной обуви, а также в производстве гибких компонентов спортивной одежды.

Помимо основных отраслей, ТПУ применяют для изготовления детских игрушек, обивки мебели, при производстве клеев и связующих, а также как добавку, улучшающую свойства других полимеров в инженерных пластиках.

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.

ПолиЛаб уделяет особое внимание высокотехнологичному импортозамещению марок полимерного сырья для различных отраслей промышленности. Прогнозируется существенный рост спроса на полимерные материалы в России к 2028–2030 годам, что подчеркивает перспективность направлений исследований и разработок ПолиЛаб и холдинга СИБУР.