热塑性聚氨酯弹性体TPU的应用分析1111.doc

热塑性聚氨酯弹性体的应用浅谈
　　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年全球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。我国由沈阳化工学院设计的年产1000t的TPU生产线在辽宁省锦州天工实业公司已试车成功，并即将投入生产，产品性能经过测试已达国际水平。
　　山东烟台华大公司和天津尧舜聚氨酯制品有限公司从国外引进的TPU生产装置，目前按各自的销售渠道在正常运转。近年来，由于原料生产装置和设备的大量引进，更会促使我国TPU生产的发展。

　　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。其中最佳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精确、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500 t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。我国在此领域的开发与研究均有报道，工业性氨纶试纺亦取得很好的效果。熔纺氨纶与干法氨纶性能差异正在缩小。熔纺法将成为氨纶的主要生产方法之一。
　　目前，熔纺氨纶的伸长率已达干法水平，其拉伸强度则明显高于干法氨纶，由于干法氨纶比熔纺氨纶有较好的微相分离程度和硬段区稳定性，决定了熔纺氨纶在弹性恢复率上存在差距。因此，如果经化学交联处理后，纤维的回弹性可以得到明显的改善。熔纺氨纶工艺大致在一步法、二步法、封端法和直接法四个方面有报道<2,3,7>。
　　有人曾用熔纺一步法，优化配方，在未加任何添加剂的情况下，制得的氨纶纤维拉伸强度1.3 cN/dtex，断裂伸长率729.1%。我国深圳新纶公司采用二步法制成的氨纶纤维拉伸强度1.6 cN/dtex、断裂伸长率600%，300%定伸恢复率97%。尽管如此，我国对熔纺法氨纶的研究，还很不够系统和深入。随着对纺丝过程中，微相分离结构的形成机理、动力学及纺丝成型性能方面的深入研究，会进一步完善熔纺工艺，从而制造出性能优异的氨纶，这对于我国熔纺氨纶工业的发展将起到很大的促进作用。
　　氨纶新品种开发领域着重在原丝新品种上，例如在耐氯、耐水解、耐热、耐潮、耐霉菌以及阻燃方面。在加工方面，氨纶可与尼龙等纤维进行包复或包缠，其染色性、机械强度及耐磨性均优良。用氨纶作芯丝，外面用蚕丝进行螺旋式包缠，可以提高真丝产品档次，增加我国丝绸产品在国际市场上的竞争力。采用纯棉纱和氨纶加工成包芯纱，经过整染加工后，布面经向具有弹性，所开发的高弹牛仔布及灯芯绒也深受消费者喜爱。
　　2.2．汽车保险杠

表1 TPU和PP-EPDM材质的保险杠性能比较

材质
TPU
PP-EPDM
拉伸强度/MPa
55~60
18~28
变曲模量/MPa
3000~3100
600
Izod冲击强度/J.m-1
1000~1200
600
热变形温度/℃
90~95
85
密度/g.cm-3
0.90~0.92
0.91~0.92

　　注：TPU保险杠由沈阳化工学院开发制造；PP-EPDM保险杠为国内外使用

　　的现有产品。
　　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。有专利报道<8>，使用TPU制成的保险杠，先后经历了以40~80 km/h的车速进行的撞车冲击试验，和用10 kg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。TPU弹性体材料与PP-EPDM共混材料的性能见表1。
　　我国即将进入WTO，汽车行业必须有新的特色方可立于不败之地。因此开发具有安全性能高的保险杠，应引起有关方面的注意。
　　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。专利报道<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250 km/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。其各种性能均优于国际上用尼龙编织的网体。例如尼龙编织的竖带，其拉伸强度为139.2 MPa，用TPU制成的竖带拉伸强度为186.3 MPa。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、人造心脏瓣膜、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气管套管，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。中国科学院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800~1100 mm、长78 mm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，与世界先进国家相比，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。