熱塑性聚氨酯[zhǐ]（Thermoplastics polyurethane，簡稱TPU）是一種具有彈性體性能的多功能熱塑性聚合物，原料為無色方粒或圓粒，由硬段鏈和軟段鏈構成，其中硬鏈段的氨基甲酸酯之間可以形成分子間氫鍵，使得硬段聚集形成物理交聯點，為熱塑性聚氨酯提供了抗拉、耐磨和耐熱等物理性能；其軟鏈段是由聚醚多元醇、聚酯或其混合物組成，為熱塑性聚氨脂提供了類似于橡膠的彈性。該材料由含NCO官能基的MDI與含OH官能基的POLYOL、1.4BG經押出混煉而制成。熱塑性聚氨酯的分子間氫鍵通過升高溫度可以解離，降低溫度又能重新形成分子間氫鍵和物理交聯，從而使得熱塑性聚氨酯能以熱塑性材料的加工工藝，比如注塑、擠出、吹塑、壓延以及搪塑等方式進行加工。
熱塑性聚氨酯具有透明度高、拉伸強度好、高韌性的優點，而且耐撕裂性能優良，尺寸穩定性好，電絕緣性優良，生物相容性好。熱塑性聚氨酯在電子、汽車、電動工具、家用電器、衛浴產品、油水分離器、醫療等領域已得到充分的肯定和利用。其硬度范圍在65A-85D之間，顏色涵蓋本色、透明及高透明類型，已被廣泛應用于鞋材、成衣、充氣玩具、水上及水下運動器材、醫療器材、健身器材、汽車椅座材料、雨傘、皮箱、皮包等領域。熱塑性聚氨酯還兼有塑料加工工藝性能和橡膠的物理機械性能，其耐磨、耐油、耐低溫、耐輻射性能尤為優良，在汽車工業的內、外裝飾和作為功能性材料的應用日趨廣泛。
發現歷史
在1958年拜耳集團首次制備出熱塑性聚氨酯（TPU），1963年和1965年美國的Phillips和Shell，開發出熱塑性苯乙烯一丁二烯一苯乙烯（SBS）嵌段聚合物彈性體，到了20世紀70年代美、日及歐洲各國開始批量生產烯烴類熱塑性彈性體以來，技術還在不斷的創新。
結構特點
熱塑性聚氨酯的分子鏈是線性的，分子鏈之間存在著許多氫鍵構成的物理交聯，熱塑性聚氨酯的分子間氫鍵可以通過升高溫度來解離，降低溫度又能重新形成分子間氫鍵和物理交聯。
熱塑性聚氨酯主要是由硬段鏈和軟段鏈組成，常溫下，軟段處于高彈態，硬段處于玻璃態或結晶態，軟段一般由柔軟的低聚物二醇構成，為熱塑性聚氨酯提供彈性；熱塑性聚氨酯的硬段由二異氰酸酯和小分子擴鏈劑構成，為熱塑性聚氨酯提供剛性，如下圖所示。
熱塑性聚氨酯的軟、硬鏈段是熱力學不相容的體系，從而會在體系中產生微相分離的現象。
熱塑性聚氨酯分類
熱塑性聚氨酯可以按照不同標準進行分類。
（1）熱塑性聚氨酯按軟段結構可分為聚酯型、聚醚多元醇型和聚丁二烯型，它們分別含有酯基、醚基或丁烯基。聚酯型TPU耐熱耐磨性優，聚醚型耐水解性佳。
（2）熱塑性聚氨酯按所用的異氰酸酯結構可分為黃變型（MDI、TDI、NDI等）和不黃變型（HDI、IPDI等）。
（3）熱塑性聚氨酯按硬段結構可分為氨酯型和氨酯脲[niào]型，它們分別由二醇擴鏈或二胺擴鏈來制備。
（4）熱塑性聚氨酯按有無交聯可分為全熱塑型和半熱塑型。全熱塑型的分子之間不存在化學交聯鍵，僅有以氫鍵為主的物理交聯鍵，可溶于二甲基甲酰[xiān]胺等溶劑，是純線性結構；半熱塑型的分子之間含有少量的脲基甲酸酯等化學交聯鍵，這些化學交聯鍵在熱力學上是不穩定的，在150℃以上的加工溫度下會斷裂，在成型冷卻后又會重新再生。少量化學交聯鍵的存在對改善制品的壓縮永久變形和扯斷永久變形起著重要的作用。
理化性質
熱塑性聚氨酯具有高韌性、高強度、高彈性、絕緣性和良好的應變能力，在較長時間負荷作用下，應變曲線下降幅度較小，適宜在長期負荷的惡劣環境中工作，并且具有良好的耐礦物油性能及優異的耐磨性。熱塑性聚氨酯耐寒性突出、可再生利用、生物相容性好，無毒，但是熱塑性聚氨酯的耐熱性不突出，長期工作溫度不能高于80℃，而且耐酸堿、耐水能力差，尤其是聚酯型熱塑性聚氨酯。熱塑性聚氨酯是極性嵌段共聚物，耐非極性溶劑（如燃料、油、潤滑油等），而對極性有機溶劑和無極溶劑敏感。熱塑性聚氨酯還和塑料一樣具有可加持性，可以通過擠出、注塑等熱塑性工藝進行產品制造。
制備方法
熱塑性聚氨酯的合成工藝分為本體聚合和溶液聚合。
本體聚合法
本體聚合法的實驗原理是聚氨酯的主鏈上含有氨基甲酸酯，熱塑性聚氨酯則通過異氰酸酯基團和二醇的羥基逐步加成反應而生成，若采用聚醚二元醇或聚酯二元醇參加聚氨酯的合成，則反應式如下列所示:
熱塑性聚氨酯在本體聚合中，可以分為預聚法和一步法：預聚法是將二異氰酸酯與大分子二元醇先行反應一段時間，再加擴鏈劑生成熱塑性聚氨酯；預聚法制得的產品的物理機械性能優于一步法，但是工藝控制比較困難。一步法是將二異酸酯、大分子二元醇和擴鏈劑同時混合反應生成熱塑性聚氨酯。
溶液聚合法
溶液聚合一般采用極性溶劑，溶液法的優點是反應平穩、緩慢、易控制、均勻性好；缺點是對溶劑純度要求較高，且溶劑易揮發，可造成環境污染，生產出來的膠膜強度沒有本體聚合法的產品高。?溶液聚合法也有一步法和預聚法，可以把所有原料一起加入到反應器中，在一定溫度下進行反應，也可以先把聚酯二醇、擴鏈劑和MDI加入反應器中，待黏度增加后再分布加入溶劑，最后降溫過濾出料。
成型工藝
注塑成型
注塑成型的工藝是將干燥預熱的粒料加人注塑機的機筒中，經過加熱呈流動態后，由柱塞或螺桿壓送至噴嘴，壓注入預熱的模具中，熱熔料充滿模腔后冷卻成型，脫模后即得到制品。注塑工藝可以采用單工位環形連續注射，也可以采用自動化水平很高的多工位盤式注射。
擠出成型
擠出成型的工藝是將干燥的熱塑性聚氨酯粒料，由料斗加入擠出機的機筒，加熱后由旋轉的螺桿傳并熱塑化，由模口擠出，冷卻定型，整理修飾。肖式硬度A在92以下的熱塑性聚氨酯適合用這個方法，如：異形件、軟管、電纜外套、薄膜等。
模壓成型
模壓工藝比較簡單，將粒料和配合料送至密煉機中密煉，進過壓片后，送至預熱模具中，在1~7MPa的壓力下模壓1~5min，脫模冷卻，即得制品。
壓延成型
壓延成型工藝是將熱塑性聚氨酯熔料及配料送至預熱的密煉機中塑煉，再經過兩個以上相同旋轉的滾筒間隙壓延成連續薄片，冷卻成型，再牽引出來取卷。壓延成型工藝包括兩個階段：前段包括配料、塑煉和向壓延機供料，后段包括壓延、牽引、冷卻、卷取等。熱塑性聚氨酯塑煉時的溫度一般在140～170℃，壓延時的溫度一般是130~160℃。由于熱塑性聚氨酯熔料黏度大，一般需要添加少量的潤滑劑等助劑。
應用領域
熱塑性聚氨酯主要應用于耐磨制品、高強度耐油制品及高強度高模量制品。
汽車行業
在汽車行業，熱塑性聚氨酯可用于生產導向套、軸封、軸承、變速桿連接護套、墊圈、墊片、密封墊、門窗封條、液壓管、椅背拉手等。用玻璃纖維增強的熱塑性聚氨酯可以提高剛性和沖擊性的增強型聚氨酯彈性體，用于制作汽車保險杠等大型部件。熱塑性聚氨酯及其合金也可以生產用于使車輛在寒冷地區的冰雪上行駛比較容易的汽車用品，比防滑鏈和雪地輪胎更好，其使用性能十分理想，如用熱塑性聚氨酯制作的一種汽車輪胎已用在零冷地區中使用。
運動制品
熱塑性聚氨酯在旅游鞋、運動鞋及運動制品中應用較多，如滑雪鞋的外層以及運動鞋的鞋底，其中熱塑性聚氨酯在足球鞋的應用最普遍。熱塑性聚氨酯鞋材具有輕便、舒適、彈性好、品種變化多、加工方便、可回收等特點。
制管行業
在制管行業，熱塑性聚氨酯通過擠出成型，可制成不同類型的管子，特別是在氣動管、消防水龍帶的制造上具有很大的優勢。
其他應用
熱塑性聚氨酯還可以作為膠粘劑，是一種溶液型膠粘劑或熱熔膠。熱塑性聚氨酯還可以在扶梯扶手上代替橡膠成為一種經擠塑工藝成型的聚氨酯扶手帶，新型聚氨酯扶手帶相比傳統橡膠扶手具有環保美觀、低能耗、高效率的特點。熱塑性聚氨酯還可以制造電纜護套、軍用和船用設施和3D打印技術等。
安全事宜
毒性
熱塑性聚氨酯顆粒不具有毒性；熱塑性聚氨酯溶液含有有機溶劑，按危險品方式處理。
儲存條件
熱塑性聚氨酯應存儲在干燥的室溫環境下，為了防止凝露，對于儲存在低溫下的材料，在打開包裝之前，建議令材料達到室溫。包裝袋在打開之后，若袋中還存有材料，應盡量封緊袋口。只有在絕對必要的情況下，才應該將顆粒狀的材料暴露在周圍空氣中。
參考資料 >