TPU材料多方位剖析（合成、加工、效能及應用）

一、TPU是什麼

TPU就是熱塑性聚氨酯，是一類加熱可以塑化、溶劑可以溶解的聚氨酯。

熱塑性聚氨酯與混煉型和澆注型聚氨酯比較，化學結構上沒有或很少有化學交聯，其分子基本上是線性的，然而卻存在一定量的物理交換。

所謂物理交換的概念，在1958年由SchollenbergeC。S。首先提出，是指線上性聚氨酯分子鏈之間，存在著遇熱或溶劑呈可逆性的“連線點”，它實際上不是化學交聯，但起化學交聯的作用。由於這種物理交聯的作用，聚氨酯形成了多相形態結構理論，聚氨酯的氫鍵對其形態起了強化作用，並使其耐受更高的溼度。

二、TPU有什麼分類

既然知道了TPU是什麼，那它有哪些分類呢？按劃分標準的不同，TPU可以有很多不同的分類。

圖 路博潤TPU材料

比如，按軟段結構可分為聚酯型、聚醚型和丁二烯型，它們分別含有酯基、醚基或丁烯基。按硬段結構分為氨酯型和氨酯脲型，它們分別由二醇擴鏈劑或二胺擴鏈劑獲得。

普遍常見的劃分是分為聚酯型和聚醚型。

按有無交聯可分為純熱塑性和半熱塑性。前者是純線性結構，無交聯鍵；後者是含有少量脲基甲酸酯等交聯鍵。按製成品用途可分為異型件（各種機械零件）、管材（護套、棒型材）和薄膜（薄片、薄板）以及膠粘劑、塗料和纖維等。

三、TPU是怎麼合成的

TPU雖然有很多分類，但從分子結構上來說，都是屬於聚氨酯。那麼，它是怎麼聚合而成的呢？

按合成工藝的不同，主要分為本體聚合和溶液聚合。

圖 生成氨酯基的反應

在本體聚合中，又可按有無預反應分為預聚法和一步法：預聚法是將二異氰酸酯與大分子二醇先行反應一定時間，再加入擴鏈生產TPU；一步法是將大分子二醇、二異酸酯和擴鏈劑同時混合反應成TPU。

溶液聚合是將二異氰酸酯先溶於溶劑中，再加入大分子二醇令其反應一定時間，最後加入擴鏈劑生成TPU。

TPU的軟段種類、分子量、硬段或軟段含量以及TPU聚集態會影響TPU的密度，密度大約在1。10～1。25之間，與其他橡膠和塑膠無顯著差異。在同等硬度時聚醚型TPU密度比聚酯型TPU低。

四、TPU是如何加工的

合成出來的TPU粒子需要進行各種各樣的加工才能形成最終的製品，

主要採用熔融法和溶液法進行TPU的加工。

圖 TPU包膠在電動工具外殼的應用

熔融加工是用塑膠工業常用的工藝：如混煉、壓延、擠出、吹塑和模塑（包括注射、壓縮、傳遞和離心等）；溶液加工是粒料溶於溶劑或直接在溶劑中聚合而製成溶液再進行塗覆、紡絲等。

TPU製成最終產品，一般不需要進行硫化交聯反應，可以縮短生產週期，廢棄物料能夠回收重新加以利用。

五、TPU效能怎麼樣

一個材料被大量應用，肯定是因為其有著非常好的效能，TPU也不例外。

像澆注型聚氨酯（液體）和混煉型聚氨酯（固體）一樣，TPU具有高模量、高強度、高伸長和高彈性、優良的耐磨、耐油、耐低溫、耐老化效能。

其中拉伸強度高、伸長率大，長期壓縮永久變形率低等都是TPU的顯著優點。

圖 聯景可發泡TPU

下面將主要從拉伸強度和伸長率、回彈性、硬度等方面闡述一下TPU的力學效能。

1、拉伸強度高、伸長率大

TPU的拉伸強度和伸長率都非常優異。從下圖的資料我們可以看到，聚醚型TPU的拉伸強度和伸長率遠優於聚氯乙烯塑膠和橡膠。

圖 TPU與其他材料拉伸強度的比較

此外TPU在加工過程不加或加入很少助劑，能滿足食品工業要求，這也是其他材料如PVC、橡膠等難以辦到的。

2、回彈性對溫度非常敏感

TPU的回彈性是指形變應力解除後迅速恢復其原狀的程度，用恢復能表示，即形變回縮功與產生形變所需要的功之比。它是彈性體動態模量和內摩擦的函式，並對溫度非常敏感。

圖 TPU回彈性與室溫以下溫度的關係

TPU軟段為PTMG、PCL、PBA，相對分子質量分別為1000和2000；硬段為MDI-BDO，硬段含量分別為48。2%（PCL-1250為42。7%）和31。7%，r0=1。05預聚法合成。

正如所預期的那樣，回彈隨溫度的下降而降低，直到某一溫度，彈性又迅速增加。這個溫度是軟段結晶溫度，決定於大分子二醇的結構，聚醚型TPU較聚酯型TPU低。在結晶溫度以下的溫度，彈性體變得很硬且失去了它的彈性，因此，回彈性是類似於離開硬金屬表面的反彈。

3、硬度範圍為邵爾A60~D80

硬度是材料抵抗變形、刻痕和劃傷能力的一種指標。

TPU硬度通常用邵爾A型和邵爾D型硬度計測定，邵爾A用於較軟的TPU，邵爾D用於較硬的TPU。

圖 邵爾A與邵爾D之間的關係

由於可以透過調整軟硬鏈段的比例，來調整TPU的硬度高低，因此TPU有著比較寬的硬度範圍，其硬度從邵爾A60~D80，跨越了橡膠和塑膠的硬度，並且在整個硬度範圍內具有高彈性。

隨硬度的變化，TPU的一些效能會發生變化。比如，提高TPU的硬度，會出現拉伸模量和撕裂強度增加、剛性和壓縮應力（負荷能力）增加、伸長率降低、密度和動態生熱增加、耐環境效能增加的效能變化。

六、TPU可以用在哪裡

1958年美國Goodrich化學公司（現在更名為路博潤）首次登記了TPU商品牌號Estane，之後40年來全世界有20餘個商品牌號問世，每一個牌號有幾個系列產品。目前有生產TPU原料廠家主要有巴斯夫、科思創、路博潤、亨斯邁、萬華化學、上海恆安、瑞華、旭川化學等等。

作為效能優良的彈性體，TPU的下游產品方向非常廣泛，在日用品、體育用品、玩具、裝飾材料等領域得到廣泛應用，下面舉幾個例子。

1、鞋材

TPU用於鞋材主要由於其優良的彈性和耐磨性。含TPU的鞋類產品穿著舒適度方面比普通鞋類產品優越得多，因此，在高檔鞋類產品中較為廣泛，尤其是一些運動鞋，休閒鞋。

圖 TPU鞋中底

圖 TPU鞋材

2、軟管

由於TPU軟管具有柔軟，良好的抗張強度、衝擊強度 耐高低溫性，所以在中國TPU軟管被廣泛用作飛機、坦克、汽車、摩托車、機床等機械裝置等的輸氣、輸油軟管。

圖 TPU輸送軟管

圖 TPU管材

3、線纜

TPU提供了耐撕裂、耐磨與彎曲特徵，耐高低溫性更是電纜效能的關鍵。所以在中國市場上，高等電纜如控制電纜與電力電纜用TPU，用來保護設計複雜電纜的被覆材料，用途也日益廣泛。

圖 TPU線纜材料

圖 TPU線纜

4、醫療器械

TPU是一種安全、穩固、優質的PVC替代材料，不會有鄰苯二甲酸酯等化學有害物質，遷移到醫療導管或醫療袋內的血液或其他液體中產生副作用，並且專門開發的擠出級和注塑級TPU，只需在現有PVC裝置稍作除錯便可輕鬆使用。

圖 路博潤TPU醫療牙套

圖 TPU粉末SLS列印心臟模型