การสังเคราะห์ การแปรรูป ประสิทธิภาพ และการประยุกต์ใช้ของวัสดุ TPU

TPU (เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน)เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนเป็นโพลียูรีเทนชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้อ่อนตัวได้ด้วยความร้อนและสามารถละลายได้ด้วยตัวทำละลาย เมื่อเปรียบเทียบกับโพลียูรีเทนชนิดผสมและชนิดหล่อ เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนมีการเชื่อมโยงทางเคมีในโครงสร้างทางเคมีน้อยมากหรือไม่มีเลย และโมเลกุลของมันโดยพื้นฐานแล้วเป็นเส้นตรง แต่มีการแลกเปลี่ยนทางกายภาพอยู่บ้าง
แนวคิดเรื่องการแลกเปลี่ยนทางกายภาพ ซึ่งเสนอโดย Schollenberger CS เป็นครั้งแรกในปี 1958 นั้น หมายถึงการมีอยู่ของ "จุดเชื่อมต่อ" ที่ย้อนกลับได้ระหว่างสายโซ่โมเลกุลของโพลียูรีเทนเชิงเส้นเมื่อสัมผัสกับความร้อนหรือตัวทำละลาย นี่ไม่ใช่การเชื่อมโยงทางเคมีโดยตรง แต่ทำหน้าที่คล้ายกับการเชื่อมโยงทางเคมี ผลจากการเชื่อมโยงทางกายภาพนี้ ทำให้โพลียูรีเทนเกิดเป็นโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และพันธะไฮโดรเจนของโพลียูรีเทนจะเสริมความแข็งแรงให้กับสัณฐานวิทยาและทำให้ทนต่อความชื้นสูงได้

TPU จัดอยู่ในประเภทใด

เมื่อเราทราบแล้วว่า TPU คืออะไร ต่อไปเราจะแบ่ง TPU ออกเป็นประเภทใดบ้าง? ตามมาตรฐานการจำแนกประเภทต่างๆ TPU สามารถแบ่งออกได้เป็นหลายประเภท

ตัวอย่างเช่น ตามโครงสร้างของส่วนอ่อน สามารถแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์ ประเภทโพลีอีเทอร์ และประเภทบิวทาไดอีน ซึ่งประกอบด้วยหมู่เอสเทอร์ หมู่อีเทอร์ หรือหมู่บิวทีน ตามลำดับ ส่วนตามโครงสร้างของส่วนแข็ง สามารถแบ่งออกเป็นประเภทยูรีเทน และประเภทยูรีเทนยูเรีย ซึ่งได้มาจากการเติมหมู่ไดออลหรือหมู่ไดอะมีนตามลำดับ โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งออกเป็นประเภทโพลีเอสเตอร์และประเภทโพลีอีเทอร์
ตามการมีหรือไม่มีพันธะเชื่อมโยง สามารถแบ่งออกเป็นเทอร์โมพลาสติกบริสุทธิ์และเทอร์โมพลาสติกกึ่งบริสุทธิ์ แบบบริสุทธิ์มีโครงสร้างเชิงเส้นตรงโดยไม่มีพันธะเชื่อมโยง ในขณะที่แบบกึ่งบริสุทธิ์มีพันธะเชื่อมโยงเล็กน้อยจากอัลโลเฟเนตและสารอื่นๆ และตามการใช้งานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนรูปทรงพิเศษ (ชิ้นส่วนเครื่องจักรต่างๆ) ท่อ (ปลอกหุ้ม โปรไฟล์แท่ง) ฟิล์ม (แผ่น แผ่นบาง) กาว สารเคลือบ และเส้นใย

TPU ถูกสังเคราะห์ขึ้นได้อย่างไร

แม้ว่า TPU จะมีการจำแนกประเภทมากมาย แต่ทั้งหมดก็จัดอยู่ในกลุ่มโพลียูรีเทนในแง่ของโครงสร้างโมเลกุล แล้วมันเกิดขึ้นได้อย่างไร? ตามกระบวนการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน มันแบ่งออกเป็นหลักๆ คือ การพอลิเมอไรเซชันแบบกลุ่มและการพอลิเมอไรเซชันแบบสารละลาย

ในการพอลิเมอไรเซชันแบบกลุ่ม สามารถแบ่งออกเป็นวิธีพอลิเมอไรเซชันก่อนและวิธีขั้นตอนเดียวตามว่ามีการทำปฏิกิริยาก่อนหรือไม่: วิธีพอลิเมอไรเซชันก่อนคือการทำปฏิกิริยาของไดไอโซไซยาเนตกับไดออลโมเลกุลขนาดใหญ่เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงเติมสารต่อโซ่เพื่อผลิต TPU; ส่วนวิธี TPU คือการผสมและทำปฏิกิริยาของไดออลโมเลกุล ไดไอโซเอสเทอร์ และสารต่อโซ่พร้อมกัน
การพอลิเมอไรเซชันแบบสารละลาย คือการละลายไดไอโซไซยาเนตในตัวทำละลายก่อน จากนั้นเติมไดออลที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ลงไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเป็นระยะเวลาหนึ่ง และสุดท้ายเติมสารเพิ่มความยาวโซ่เพื่อสร้าง TPU
ชนิดของเซกเมนต์อ่อน น้ำหนักโมเลกุล ปริมาณเซกเมนต์แข็งหรือเซกเมนต์อ่อน และสถานะการรวมตัวของ TPU จะส่งผลต่อความหนาแน่นของ TPU ความหนาแน่นอยู่ระหว่าง 1.10 ถึง 1.25 ซึ่งไม่แตกต่างจากยางและพลาสติกชนิดอื่นมากนัก ที่ความแข็งเท่ากัน ความหนาแน่นของ TPU โพลีอีเทอร์จะต่ำกว่า TPU โพลีเอสเตอร์

TPU มีกระบวนการผลิตอย่างไร

เรซิน TPU จำเป็นต้องผ่านกระบวนการแปรรูปเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป โดยส่วนใหญ่แล้ว TPU จะถูกแปรรูปด้วยวิธีการหลอมและการละลาย โครงสร้างโมเลกุลของมันเป็นบล็อกแข็งที่ได้จากการทำปฏิกิริยาระหว่างไดฟีนิลมีเทนไดไอโซไซยาเนต (MDI) หรือโทลูอีนไดไอโซไซยาเนต (TDI) กับตัวขยายโซ่ และโมเลกุลไดไอโซไซยาเนต เช่น ไดฟีนิลมีเทนไดไอโซไซยาเนต (MDI) หรือโทลูอีนไดไอโซไซยาเนต (TDI) และพอลิออลโมเลกุลขนาดใหญ่ ทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้างส่วนที่ยืดหยุ่นสลับกันไป

การแปรรูปด้วยความร้อนเป็นกระบวนการที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมพลาสติก เช่น การผสม การรีด การอัดรีด การเป่าขึ้นรูป และการขึ้นรูป (รวมถึงการฉีด การอัด การถ่ายโอน และการเหวี่ยงแยก ฯลฯ) การแปรรูปด้วยสารละลายคือการละลายเม็ดพลาสติกในตัวทำละลายหรือการพอลิเมอไรเซชันโดยตรงในตัวทำละลาย หลังจากได้สารละลายแล้ว จะทำการเคลือบ การปั่นขึ้นรูป ฯลฯ
TPU ถูกนำไปผลิตเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ซึ่งโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการวัลคาไนเซชันและปฏิกิริยาเชื่อมโยง ทำให้สามารถลดระยะเวลาการผลิต และวัสดุเหลือทิ้งสามารถนำไปรีไซเคิลและนำกลับมาใช้ใหม่ได้

ประสิทธิภาพของ TPU

เช่นเดียวกับโพลียูรีเทนหล่อ (ของเหลว) และโพลียูรีเทนผสม (ของแข็ง) TPU มีค่าโมดูลัสสูง ความแข็งแรงสูง การยืดตัวสูง และความยืดหยุ่นสูง ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อน้ำมัน ทนต่ออุณหภูมิต่ำ และทนต่อการเสื่อมสภาพได้ดีเยี่ยม ในบรรดาคุณสมบัติเหล่านี้ ความแข็งแรงดึงสูง การยืดตัวสูง และการเสียรูปถาวรต่ำ ล้วนเป็นข้อดีที่สำคัญของ TPU

1. มีความแข็งแรงดึงสูงและยืดตัวได้ดี
TPU มีความแข็งแรงและความยืดหยุ่นสูงมาก จากข้อมูลในรูปด้านล่าง เราจะเห็นได้ว่าความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของ TPU โพลีอีเทอร์นั้นดีกว่าพลาสติกโพลีไวนิลคลอไรด์และยางมาก

นอกจากนี้ TPU ยังสามารถตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมอาหารได้โดยไม่ต้องเติมสารเติมแต่งหรือเติมสารเติมแต่งเพียงเล็กน้อยในกระบวนการผลิต ซึ่งเป็นสิ่งที่วัสดุอื่นๆ เช่น PVC และยางทำได้ยาก

2. ความยืดหยุ่นนั้นไวต่ออุณหภูมิมาก
ความยืดหยุ่นของ TPU หมายถึงระดับการคืนตัวอย่างรวดเร็วกลับสู่รูปทรงเดิมหลังจากคลายแรงดึงที่ทำให้เกิดการเสียรูป ซึ่งแสดงออกมาในรูปของพลังงานการคืนตัว กล่าวคือ อัตราส่วนของงานการหดตัวจากการเสียรูปต่องานที่ใช้ในการเสียรูป โดยเป็นฟังก์ชันของโมดูลัสไดนามิกและแรงเสียดทานภายในของอีลาสโตเมอร์ และมีความไวต่ออุณหภูมิมาก

การคืนตัวจะลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง จนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ความยืดหยุ่นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วอีกครั้ง อุณหภูมินี้คืออุณหภูมิการตกผลึกของส่วนอ่อน ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างของไดออลระดับมหภาค และโพลีอีเทอร์ TPU จะมีอุณหภูมิการตกผลึกต่ำกว่าโพลีเอสเตอร์ TPU ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึก อีลาสโตเมอร์จะแข็งตัวมากและสูญเสียความยืดหยุ่น ดังนั้นการคืนตัวจึงคล้ายกับการกระเด้งออกจากพื้นผิวโลหะแข็ง

3. ช่วงความแข็งคือ Shore A60~D80
ความแข็งเป็นตัวบ่งชี้ถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูป รอยบิ่น และรอยขีดข่วน
ความแข็งของ TPU สามารถปรับได้โดยการปรับอัตราส่วนของส่วนโซ่ที่อ่อนและแข็ง ดังนั้น TPU จึงมีช่วงความแข็งที่ค่อนข้างกว้าง ช่วงความแข็งของมันอยู่ระหว่าง Shore A60 ถึง D80 ซึ่งครอบคลุมความแข็งของยางและพลาสติก และมีความยืดหยุ่นสูงตลอดช่วงความแข็งทั้งหมด
เมื่อความแข็งของ TPU เปลี่ยนไป คุณสมบัติบางอย่างก็จะเปลี่ยนไปด้วย ตัวอย่างเช่น หากความแข็งของ TPU เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพก็จะเปลี่ยนแปลงไป เช่น ค่าโมดูลัสแรงดึงและความแข็งแรงต่อการฉีกขาดเพิ่มขึ้น ความแข็งแกร่งและความเค้นอัด (ความสามารถในการรับน้ำหนัก) เพิ่มขึ้น การยืดตัวลดลง ความหนาแน่นและการเกิดความร้อนแบบไดนามิกเพิ่มขึ้น และความทนทานต่อสภาพแวดล้อมเพิ่มขึ้น

ขอบเขตการใช้งานของ TPU

TPU ประสบความสำเร็จในการผลิตเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกโดยบริษัท Goodrich Chemical Company ของสหรัฐอเมริกา (ปัจจุบันคือ Lubrizol) ในปี 1958 และตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการวิจัยและพัฒนาขยายไปทั่วโลก ปัจจุบัน ผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU ส่วนใหญ่ ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Shanghai Hengan, Ruihua, Asahikawa Chemical และอื่นๆ
TPU เป็นอีลาสโตเมอร์ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม จึงมีผลิตภัณฑ์ต่อยอดที่หลากหลายและถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างบางส่วน
1.วัสดุของรองเท้า
TPU ถูกนำมาใช้ในวัสดุทำรองเท้าเป็นหลัก เนื่องจากมีความยืดหยุ่นและทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์รองเท้าที่มีส่วนประกอบของ TPU นั้นสวมใส่สบายกว่ารองเท้าทั่วไปมาก จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรองเท้าคุณภาพสูง โดยเฉพาะรองเท้ากีฬาและรองเท้าลำลองบางประเภท


2. ท่อ
เนื่องจากท่อ TPU มีความอ่อนนุ่ม มีความแข็งแรงดึงสูง ทนต่อแรงกระแทก และทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำได้ดี ท่อ TPU จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนสำหรับการขนส่งก๊าซและน้ำมันในเครื่องบิน รถถัง รถยนต์ รถจักรยานยนต์ เครื่องมือกล และอุปกรณ์เครื่องจักรกลอื่นๆ



3. สายเคเบิล
TPU มีคุณสมบัติทนทานต่อการฉีกขาด การสึกหรอ การดัดงอ และทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิล ดังนั้นในตลาดจีน TPU จึงถูกนำมาใช้กับสายเคเบิลระดับไฮเอนด์ เช่น สายควบคุมและสายไฟ เพื่อปกป้องวัสดุหุ้มของสายเคเบิลที่มีการออกแบบซับซ้อน และการใช้งานก็กำลังแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ



4 อุปกรณ์ทางการแพทย์
TPU เป็นวัสดุทางเลือกที่ปลอดภัย เสถียร และมีคุณภาพสูงแทน PVC ไม่มีสารเคมีที่เป็นอันตราย เช่น สารพทาเลต และจะไม่ปนเปื้อนกับเลือดหรือของเหลวอื่นๆ ในสายสวนทางการแพทย์หรือถุงทางการแพทย์ ทำให้เกิดผลข้างเคียง TPU เกรดสำหรับการอัดรีดและการฉีดขึ้นรูป สามารถนำมาใช้กับอุปกรณ์ PVC ที่มีอยู่เดิมได้อย่างง่ายดาย โดยต้องปรับแต่งเล็กน้อย