Термополиуретан

Термополиуретан (ТПУ, англ. Thermoplastic polyurethane, TPU) — это класс линейных сегментированных полимеров, относящихся к термопластичным эластомерам. Сочетает в себе свойства эластомеров (высокая эластичность, устойчивость к истиранию) и термопластов (способность многократно перерабатываться при нагреве). Материал обладает высокой стойкостью к маслам, жирам, растворителям и ультрафиолетовому излучению, что определяет его широкое применение в промышленности, медицине, обувной и автомобильной отраслях.

История

Разработка термополиуретанов началась в середине XX века как развитие технологий полиуретанов. Первые термопластичные полиуретаны были синтезированы в 1950-х годах в Германии компанией Bayer (ныне подразделение Covestro). В 1958 году компания B.F. Goodrich (США) представила коммерческий продукт под маркой Estane. В 1960-х годах ТПУ начали применяться в производстве обуви, кабельных оболочек и автомобильных деталей. В 1970-х годах появились технологии экструзии и литья под давлением, что расширило сферы использования. В 1990-х годах развитие биосовместимых ТПУ открыло путь в медицину. К началу XXI века рынок ТПУ значительно вырос за счёт спроса на гибкие электронные устройства, 3D-печать и экологичные материалы.

Химическая структура и классификация

Строение

Термополиуретан представляет собой блок-сополимер, состоящий из чередующихся жёстких и гибких сегментов. Жёсткие сегменты образованы диизоцианатами (например, 4,4′-дифенилметандиизоцианат, МДИ) и удлинителями цепи (короткие диолы, такие как 1,4-бутандиол). Гибкие сегменты — это полиэфирные или полиэфирные макродиолы (полиолы). Соотношение жёстких и гибких блоков определяет конечные свойства: твёрдость, эластичность, прочность.

Классификация по типу полиола

• Полиэфирные ТПУ — обладают высокой стойкостью к истиранию, маслам и растворителям, но чувствительны к гидролизу (разрушению под действием влаги). Применяются в обуви, транспортёрах, уплотнителях.
• Полиэфирные ТПУ — более устойчивы к гидролизу и микроорганизмам, имеют лучшую низкотемпературную гибкость. Используются в кабелях, медицинских изделиях, плёнках.

Классификация по твёрдости

Твёрдость ТПУ измеряется по шкале Шора (Shore A или Shore D). Диапазон варьируется от очень мягких (60–70 Shore A, напоминающих резину) до твёрдых (70–80 Shore D, близких к жёстким пластикам). Наиболее распространённые марки имеют твёрдость 80–95 Shore A.

Свойства

Физико-механические

• Высокая эластичность — относительное удлинение при разрыве может достигать 400–700 %.
• Стойкость к истиранию — превосходит многие резины и полиуретаны.
• Прочность на разрыв — высокая, особенно у полиэфирных марок.
• Морозостойкость — сохраняет эластичность до -40 °C, некоторые марки до -60 °C.
• Термостойкость — рабочая температура от -40 до +120 °C, кратковременно до +150 °C.
• Плотность — 1,1–1,3 г/см³.

Химические

• Стойкость к маслам, жирам, бензину, керосину, большинству растворителей (алифатическим, ароматическим).
• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению (при добавлении стабилизаторов).
• Стойкость к озону и кислороду.
• Чувствительность к сильным кислотам и щелочам.

Технологические

• Перерабатывается методами экструзии, литья под давлением, каландрования, 3D-печати (FDM).
• Может быть окрашен в массе, сваривается ультразвуком, склеивается.
• После переработки не требует вулканизации (в отличие от резин).

Применение

Обувная промышленность

ТПУ используется для изготовления подошв, набоек, каблуков, вставок для спортивной обуви. Материал обеспечивает износостойкость, гибкость и сцепление с поверхностью. Примеры: кроссовки, ботинки для активного отдыха, рабочая обувь.

Автомобильная промышленность

Из ТПУ производят:

• Уплотнители дверей, окон, люков.
• Чехлы для рулевых колёс и рычагов.
• Трубки топливных и тормозных систем.
• Декоративные элементы интерьера.

Кабельная промышленность

ТПУ применяется для изоляции и оболочек кабелей и проводов, особенно в условиях повышенной механической нагрузки, воздействия масел и ультрафиолета. Используется в робототехнике, промышленном оборудовании, морских кабелях.

Медицина

Биосовместимые марки ТПУ (например, на основе полиэфирных полиолов) используются для:

• Катетеров, трубок, дренажей.
• Имплантатов (сосудистые стенты, протезы).
• Упаковки для медицинских инструментов.
• Перчаток и защитных покрытий.

3D-печать

ТПУ является одним из самых популярных гибких материалов для FDM-печати. Позволяет создавать эластичные детали: амортизаторы, прокладки, чехлы, прототипы обуви. Требует экструдера с прямым приводом и низкой скорости печати.

Плёнки и листы

ТПУ плёнки применяются:

• В производстве надувных лодок, матрасов, спасательных жилетов.
• Для ламинирования тканей (водонепроницаемые мембраны).
• В упаковке (гибкая тара, блистеры).

Прочие области

• Спортивный инвентарь (мячи, защитные накладки).
• Игрушки (колёса, фигурки).
• Строительство (гидроизоляция, уплотнители окон).
• Электроника (чехлы для телефонов, кнопки).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая износостойкость и эластичность.
• Широкий диапазон твёрдости.
• Химическая стойкость.
• Возможность многократной переработки (в отличие от реактопластов).
• Хорошая адгезия к другим материалам.

Недостатки

• Чувствительность к гидролизу (особенно полиэфирные марки).
• Ограниченная термостойкость (выше 120 °C — деградация).
• Более высокая стоимость по сравнению с некоторыми резинами и полиэтиленом.
• Требует специальных добавок для УФ-стабилизации.

Экологические аспекты

ТПУ является термопластом, что позволяет перерабатывать его вторично. Отходы производства (обрезки, брак) измельчаются и используются как добавка к первичному сырью. Разработаны биоразлагаемые марки ТПУ на основе полилактида (PLA) или полигидроксиалканоатов (PHA), однако их доля на рынке незначительна. Утилизация ТПУ в составе сложных изделий (например, обуви) затруднена из-за многослойности.

Интересные факты

• ТПУ используется в производстве «умной» обуви с подогревом и датчиками давления.
• В 3D-печати ТПУ позволяет создавать детали с памятью формы.
• Некоторые марки ТПУ обладают антистатическими свойствами, что важно для электронной промышленности.
• В автомобилях Tesla применяются ТПУ-трубки для системы охлаждения аккумуляторов.

Источники

1. Polyurethane Handbook / G. Oertel (ed.). — Hanser Publishers, 1994.
2. Thermoplastic Polyurethane Elastomers / C. Hepburn. — Elsevier, 1992.
3. Encyclopedia of Polymer Science and Technology / John Wiley & Sons, 2014.
4. Материаловедение полимеров / под ред. В. А. Маркина. — М.: Химия, 2010.
5. Технические описания производителей: Covestro, BASF, Lubrizol, Huntsman.