Im Hinblick auf seine chemische Struktur gehört TPU zu den Blockcopolymeren vom Typ (AB) n. Der weiche Block wird normalerweise aus Polyester- oder Polyetherketten aufgebaut. Häufig verwendete Komponenten sind Polyesterpolyole, Polyetherpolyole, Polycarbonatdiole, Polysiloxandiole sowie Polycaprolacton (PCL) mit Hydroxylgruppen an beiden Enden, Polylactid (PLLA), Hydroxyl-terminiertes Polybutadien (HTPB) und andere. Der harte Block von Polyurethan umfasst den Anteil der Urethan- und Kettenverlängerungskomponenten in der Molekülkette. Häufig verwendete Substanzen sind verschiedene Diisocyanate und Polyharnstoffe. Da es eine Vielzahl von Monomeren für die Herstellung des weichen und des harten Blocks gibt, können TPU-Materialien mit einer Härte im Bereich von 75 bis 97 Shore A und 50 bis 80 Shore D und unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen hergestellt werden. TPU kann sowohl zu einem Hochmodul-Engineeringplastik als auch zu einem hochelastischen Kautschuk verarbeitet werden; es kann zu Folien oder Fasern geformt werden, was TPU zu der einzigen TPE (Thermoplastisches Elastomer)-Art macht, die dies macht TPU zur einzigen TPE-Art, die dies currently (derzeit) erreichen kann., die Grenzen zwischen allgemeinen und Engineering-Plastiken überschreitende TPE mit vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten und Anwendungen angesehen.
Da der harte Block von TPU in Bezug auf Polarität und Grenzflächen-Eigenschaften nicht mit dem weichen Block mischbar ist, bildet TPU leicht eine mikroskopische Phasentrennung. Der harte Block weist normalerweise eine starke Polarität auf und bildet leicht Wasserstoffbrückenbindungen. Darüber hinaus führt die Kristallisation des harten Blocks auch zur Phasentrennung. Die durch die Phasentrennung entstandene Mikrostruktur ist der grundlegende Grund dafür, warum Polyurethan (PU) zu einem Thermoplastischen Elastomer wird. Im Allgemeinen bildet der weiche Block eine kontinuierliche Phase, die TPU seine Elastizität verleiht, während der harte Block als physikalische Vernetzpunkte und Verstärkungsfüllstoffe wirkt. Wenn TPU auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird oder in einem Lösungsmittel aufgelöst wird, verschwinden diese physikalischen Vernetzpunkte, und es kann mit thermoplastischen Verarbeitungstechniken verarbeitet werden oder eine einheitliche Lösung bilden. Nach dem Abkühlen oder Verdunsten des Lösungsmittels trennen sich die weichen und harten Segmente erneut und bilden ein vernetztes Netzwerk, wodurch die Elastizität wiederhergestellt wird.
TPU kann nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. Nach der Struktur des weichen Blocks kann es hauptsächlich in Polyester- und Polyether-Typen unterteilt werden, die jeweils Ester-, Ether- und Buten-Gruppen enthalten. Nach der Struktur des harten Blocks werden Urethan- und Urethan-Harnstoff-Typen unterschieden, die durch die Kettenverlängerung mit Diolen oder Diaminen erhalten werden.
Nach dem Syntheseverfahren wird die Massensynthese und die Lösungssynthese unterschieden. Bei der Massensynthese kann man wiederum zwischen der Prepolymer-Methode und der Einstufen-Methode unterscheiden, je nachdem, ob eine Vorreaktion stattfindet oder nicht: Bei der Prepolymer-Methode wird zunächst ein Diisocyanat mit einem Makromolekül-Diol für eine gewisse Zeit reagieren lassen, bevor anschließend ein Kettenverlängerer zugesetzt wird, um TPU zu erzeugen; bei der Einstufen-Methode werden Diisocyanat, Makromolekül-Diol und Kettenverlängerer gleichzeitig gemischt und reagieren lassen, um TPU zu bilden. Bei der Lösungssynthese wird das Diisocyanat zunächst in einem Lösungsmittel gelöst, anschließend wird das Makromolekül-Diol zugesetzt und für eine gewisse Zeit reagieren lassen, und schließlich wird der Kettenverlängerer hinzugefügt, um TPU zu erzeugen.
Nach der Verwendung der Produkte kann TPU in spezielle Formteile (verschiedene Maschinenteile), Rohre (Schutzschläuche, Profilrohre) und Folien (Dünnschichten, Platten) sowie Klebstoffe, Beschichtungen und Fasern unterteilt werden.
TPU weist hervorragende physikalisch-mechanische Eigenschaften auf, wie hohe Zugfestigkeit und Dehnung. Das Verhältnis zwischen dem weichen und dem harten Block von TPU kann in einem weiten Bereich variiert werden, Daher hat TPU einen ziemlich breiten Härtebereich, von 60 Shore A bis 80 Shore D, und zeigt in ganz diesem Härtebereich hohe Elastizität; je nach Härte unterscheidet sich auch die Zugfestigkeit von 20 MPa bis 70 MPa. Die Verschleißbeständigkeit von TPU ist besonders hervorragend. Daher wird TPU oft zur Herstellung von Schuhsohlen und Kabelummantelungen verwendet. TPU verfügt darüber hinaus über eine gute Reißfestigkeit, und eine geringe Dauerverformung nach langzeitiger Kompression ist ein markantes Merkmal von TPU.
Die thermomechanischen Eigenschaften von TPU unterscheiden sich grundlegend von denen von chemisch vernetzten Polyurethanen.. Wenn TPU beansprucht wird, erfolgt eine Orientierung, was zur Zerstörung der vorhandenen Wasserstoffbrückenbindungen führt und zu der Bildung neuer Wasserstoffbrückenbindungen an passenden Stellen. Aus diesem Grund zeigt TPU hohe Werte bei Zugfestigkeit, Reißfestigkeit, Dehnung und Dauerverformung.
TPU enthält keine Weichmacher und kann mit anderen Materialien wie ABS oder Polycarbonat zu Verbundmaterialien verarbeitet werden.
Viele kommerzielle TPU-Produkte sind vom Polyester-Typ. Polyester-TPU weist eine bessere Verschleißbeständigkeit, Reißfestigkeit sowie höhere Zug- und Reißfestigkeiten als Polyether-TPU auf. Durch eine spezielle Syntheseverfahren hergestelltes Polyetherester-TPU hat noch bessere Eigenschaften. Es kombiniert die Eigenschaften von Polyether- und Polyester-Thermoplastischem Polyurethan und kann zur Herstellung von Feuerwehrschläuchen, Kabelummantelungen und Folien verwendet werden.
TPU kann in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Die meisten Produkte können im Bereich von -40 °C bis 80 °C langfristig und kurzfristig bis zu 120 °C eingesetzt werden. Die Struktur des weichen Blocks in der Makromolekülkette von TPU bestimmt seine Tieftemperatur-Eigenschaften. Die Tieftemperatur-Eigenschaften und Flexibilität von Polyester-TPU sind schlechter als die von Polyether-TPU. Die Tieftemperatur-Eigenschaften von TPU werden durch den Startpunkt der Glasübergangs-Temperatur des weichen Blocks und die Erweichungstemperatur des weichen Blocks bestimmt. Der Bereich der Glasübergangs-Temperatur hängt von der Konzentration des harten Blocks und dem Grad der Phasentrennung zwischen weichen und harten Blocken ab. Mit zunehmender Konzentration des harten Blocks und einer Abnahme des Phasentrennungsgrades erweitert sich auch der Bereich der Glasübergangs-Temperatur des weichen Blocks, was zu einer Verschlechterung der Tieftemperatur-Eigenschaften führt. Wenn man Polyether mit einer schlechteren Verträglichkeit mit dem harten Block als weichen Block verwendet, kann die Tieftemperatur-Flexibilität von TPU verbessert werden. Wenn das relative Molekulargewicht des weichen Blocks erhöht wird oder TPU einer Temperung unterzogen wird, erhöht sich auch der Grad der Unverträglichkeit zwischen weichen und harten Blocken. Bei hohen Temperaturen werden die Eigenschaften hauptsächlich durch den harten Block aufrechterhalten; und je höher die Härte des Produkts ist, desto höher ist auch die Anwendungs-Temperatur. Darüber hinaus hängen die Hochtemperatur-Eigenschaften nicht nur von der Menge des Kettenverlängerers ab, sondern auch von der Art des Kettenverlängerers. Beispielsweise hat TPU, das mit 1,4-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol als Kettenverlängerer hergestellt wurde, eine höhere Anwendungs-Temperatur als TPU, das mit 1,4-Butandiol oder 1,6-Hexandiol als Kettenverlängerer hergestellt wurde. Der Typ des Diisocyanats hat auch einen Einfluss auf die Hochtemperatur-Eigenschaften von TPU. TPU, das aus verschiedenen Diisocyanaten und Kettenverlängerern als harter Block hergestellt wurde, zeigt unterschiedliche Schmelztemperaturen.
Bei Zimmertemperatur kann TPU mehrere Jahre in reinem Wasser eingesetzt werden, ohne dass seine Eigenschaften signifikant verändert werden. Bei 80 °C jedoch werden seine mechanischen Eigenschaften schon nach wenigen Wochen in Wasser stark beeinträchtigt. Die Hydrolysebeständigkeit von TPU hängt von der Struktur des weichen Blocks ab. Nachdem Polyester-TPU mit Carbodiimid geschützt wurde, verbessert sich seine Hydrolysebeständigkeit. Die Hydrolysebeständigkeit von Polyetherester-TPU und Polyether-TPU bei hohen Temperaturen ist besser als die von Polyester-TPU.
Mit zunehmender Härte von TPU verbessert sich seine Hydrolysebeständigkeit, da der harte Block wasserabweisend ist.
TPU weist hervorragende Ölbeständigkeit (z. B. gegenüber Mineralöl, Diesel, Schmieröl) auf. Nichtpolare Lösungsmittel wie Hexan, Heptan, Paraffinöl haben fast keine Wirkung auf polare Polyurethane. Selbst bei hohen Temperaturen ist die Quellung von Polyurethanen in nichtpolaren Lösungsmitteln gering. TPU quillt in Chlorkohlenwasserstoffen und aromatischen Kohlenwasserstoffen (z. B. Toluol) stark aus, und der Quellungsgrad hängt von der Struktur des Polyurethans ab. Polyester-Typen quellen weniger als Polyether-Typen, und harte Polyurethane quellen weniger als weiche. Einige polare Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran, Butanon oder N,N-Dimethylformamid können TPU teilweise oder vollständig auflösen. Beispielsweise kann weiches, vollkommen thermoplastisches Polyurethan in einer Butanon/Aceton-Mischung als Klebstoff aufgelöst werden.
TPU, das aus aromatischen Diisocyanaten hergestellt wurde, färbt sich unter Einwirkung von UV-Licht gelb, aber die Auswirkungen auf die Eigenschaften sind gering. Die Zugabe von UV-Absorbern kann das Gelbfärben verringern. Weiches Polyester-TPU wird, wenn es lange Zeit mit feuchtem Boden in Kontakt kommt, von Mikroorganismen angegriffen, während weiches oder hartes Polyether-TPU, Polyetherester-TPU oder hartes Polyester-TPU normalerweise nicht von Mikroorganismen angegriffen werden.
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