¿Qué es un elastómero de poliuretano termoplástico?

¿Qué es un elastómero de poliuretano termoplástico?

El elastómero de poliuretano es una variedad de materiales sintéticos de poliuretano (otras variedades se refieren a la espuma de poliuretano, el adhesivo de poliuretano, el recubrimiento de poliuretano y la fibra de poliuretano), y el elastómero de poliuretano termoplástico es uno de los tres tipos de elastómero de poliuretano. La gente comúnmente lo conoce como TPU (los otros dos tipos principales de elastómeros de poliuretano son los elastómeros de poliuretano moldeados, abreviados como CPU, y los elastómeros de poliuretano mixtos, abreviados como MPU).

El TPU es un tipo de elastómero de poliuretano que se puede plastificar mediante calor y disolver en solventes. En comparación con el CPU y el MPU, el TPU presenta poca o ninguna reticulación química en su estructura. Su cadena molecular es básicamente lineal, aunque existe cierto grado de reticulación física. Este elastómero de poliuretano termoplástico se caracteriza por una estructura muy particular.

Estructura y clasificación de la TPU

El elastómero de poliuretano termoplástico es un polímero lineal de bloques (AB). A representa un polímero poliol (éster o poliéter, con un peso molecular de 1000 a 6000) de alto peso molecular, denominado de cadena larga; B representa un diol que contiene de 2 a 12 átomos de carbono en una cadena lineal, denominado de cadena corta.

En la estructura del elastómero de poliuretano termoplástico (TPU), el segmento A, denominado segmento blando, posee flexibilidad y suavidad, lo que le confiere extensibilidad. La cadena de uretano generada por la reacción entre el segmento B y el isocianato se denomina segmento duro, y presenta propiedades tanto rígidas como duras. Ajustando la proporción de los segmentos A y B, se obtienen productos de TPU con diferentes propiedades físicas y mecánicas.

Según la estructura de su segmento blando, se divide en tipo poliéster, tipo poliéter y tipo butadieno, que contienen respectivamente grupos éster, éter o buteno. Según la estructura de su segmento duro, se divide en tipo uretano y tipo uretanourea, que se obtienen respectivamente a partir de extensores de cadena de etilenglicol o extensores de cadena de diamina. La clasificación común se divide en tipo poliéster y tipo poliéter.

¿Cuáles son las materias primas para la síntesis de TPU?

(1) Diol polimérico

El diol macromolecular con un peso molecular que oscila entre 500 y 4000 y grupos bifuncionales, con un contenido del 50% al 80% en el elastómero TPU, juega un papel decisivo en las propiedades físicas y químicas del TPU.

El diol polimérico adecuado para el elastómero TPU se puede dividir en poliéster y poliéter: el poliéster incluye el politetrametileno glicol de ácido adípico (PBA) ε PCL, PHC; los poliéteres incluyen el polioxipropileno éter glicol (PPG), el tetrahidrofurano poliéter glicol (PTMG), etc.

(2) Diisocianato

Su bajo peso molecular, junto con su excepcional función, permite la unión de los segmentos blando y duro, confiriendo al TPU diversas propiedades físicas y mecánicas favorables. Los diisocianatos aplicables al TPU incluyen: metilenodifenildiisocianato (MDI), metilenobis(4-ciclohexil isocianato) (HMDI), p-fenildiisocianato (PPDI), 1,5-naftalenodiisocianato (NDI), p-fenildimetildiisocianato (PXDI), entre otros.

(3) Extensor de cadena

Los extensores de cadena con un peso molecular de 100 a 350, pertenecientes a la familia de los dioles de bajo peso molecular, con estructura de cadena abierta y sin grupos sustituyentes, favorecen la obtención de TPU con alta dureza y alta resistencia a la compresión. Entre los extensores de cadena adecuados para TPU se incluyen el 1,4-butanodiol (BDO), el 1,4-bis(2-hidroxietoxi)benceno (HQEE), el 1,4-ciclohexanodimetanol (CHDM) y el p-fenildimetilglicol (PXG), entre otros.

Aplicación de TPU como agente tenacizante

Para reducir los costes del producto y obtener un rendimiento adicional, los elastómeros termoplásticos de poliuretano pueden utilizarse como agentes tenacizantes de uso común para reforzar diversos materiales termoplásticos y de caucho modificado.

Debido a su alta polaridad, el poliuretano es compatible con resinas o cauchos polares, como el polietileno clorado (CPE), que se utiliza en la fabricación de productos médicos. Su mezcla con ABS permite sustituir a los termoplásticos de ingeniería. Combinado con policarbonato (PC), presenta propiedades como resistencia al aceite, al combustible y a los impactos, lo que permite su uso en la fabricación de carrocerías de automóviles. Su tenacidad mejora al combinarse con poliéster. Además, es compatible con PVC, polioximetileno y PVDC. El poliuretano de poliéster es compatible con mezclas de caucho de nitrilo al 15 % o al 40 % en PVC. El poliuretano de poliéter también es compatible con adhesivos de mezcla de caucho de nitrilo al 40 % en cloruro de polivinilo. Asimismo, es compatible con copolímeros de acrilonitrilo estireno (SAN). Puede formar estructuras de red interpenetrante (IPN) con polisiloxanos reactivos. La gran mayoría de los adhesivos mezclados mencionados anteriormente ya se han producido oficialmente.

En los últimos años, en China se ha incrementado la investigación sobre el endurecimiento del POM mediante la adición de TPU. La mezcla de TPU y POM no solo mejora la resistencia a altas temperaturas y las propiedades mecánicas del TPU, sino que también aumenta significativamente la tenacidad del POM. Algunos investigadores han demostrado que, en ensayos de fractura por tracción, la aleación de POM con TPU, en comparación con la matriz de POM, presenta una transición de fractura frágil a fractura dúctil. La adición de TPU también confiere al POM propiedades de memoria de forma. La región cristalina del POM actúa como la fase fija de la aleación con memoria de forma, mientras que la región amorfa del TPU y el POM amorfos actúa como la fase reversible. Cuando la temperatura de recuperación es de 165 °C y el tiempo de recuperación es de 120 segundos, la tasa de recuperación de la aleación supera el 95 %, obteniéndose así el mejor resultado.

El TPU presenta dificultades para ser compatible con materiales poliméricos no polares como el polietileno, el polipropileno, el caucho de etileno propileno, el caucho de butadieno, el caucho de isopreno o el polvo de caucho residual, lo que impide su uso en la producción de compuestos de alto rendimiento. Por ello, se suelen emplear métodos de tratamiento superficial como plasma, corona, química húmeda, imprimación, llama o gases reactivos. Por ejemplo, la empresa estadounidense Air Products and Chemicals Company aplicó un tratamiento superficial con gas activo F₂/O₂ a polvo fino de polietileno de ultra alto peso molecular (3-5 millones de moléculas) y lo incorporó a un elastómero de poliuretano en una proporción del 10%, mejorando significativamente su módulo de flexión, resistencia a la tracción y resistencia al desgaste. Este tratamiento superficial con gas activo F₂/O₂ también puede aplicarse a fibras cortas alargadas direccionalmente de 6-35 mm de longitud, mejorando así la rigidez y la tenacidad al desgarro del material compuesto.

¿Cuáles son las áreas de aplicación del TPU?

En 1958, Goodrich Chemical Company (actualmente Lubrizol) registró por primera vez la marca de TPU Estane. En los últimos 40 años, han existido más de 20 marcas en todo el mundo, cada una con diversas líneas de productos. Actualmente, los principales fabricantes de materia prima de TPU a nivel mundial son: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey y Golding, entre otros.

El TPU, un excelente elastómero, tiene una amplia gama de productos derivados, ampliamente utilizados en artículos de uso diario, artículos deportivos, juguetes, materiales decorativos y otros sectores. A continuación, algunos ejemplos.

① Materiales del calzado

El TPU se utiliza principalmente en la fabricación de calzado debido a su excelente elasticidad y resistencia al desgaste. El calzado que incorpora TPU es mucho más cómodo que el calzado convencional, por lo que se emplea con mayor frecuencia en calzado de gama alta, especialmente en algunos modelos deportivos y de uso diario.

② Mangueras

Debido a su suavidad, buena resistencia a la tracción, resistencia al impacto y resistencia a altas y bajas temperaturas, las mangueras de TPU se utilizan ampliamente en China como mangueras de gas y aceite para equipos mecánicos como aeronaves, tanques, automóviles, motocicletas y máquinas herramienta.

③ Cable

El TPU ofrece resistencia al desgarro, al desgaste y a la flexión, siendo la resistencia a altas y bajas temperaturas fundamental para el rendimiento de los cables. Por ello, en el mercado chino, los cables avanzados, como los de control y los de alimentación, utilizan TPU para proteger los materiales de recubrimiento de diseños complejos, y su uso se está extendiendo cada vez más.

④ Dispositivos médicos

El TPU es un material sustituto del PVC seguro, estable y de alta calidad, que no contiene ftalatos ni otras sustancias químicas nocivas, y que no migra a la sangre ni a otros líquidos en catéteres o bolsas médicas, evitando así posibles efectos secundarios. Además, el TPU de grado extruido e inyectado, especialmente desarrollado, se puede utilizar fácilmente, con una mínima puesta a punto, en los equipos de PVC existentes.

⑤ Vehículos y otros medios de transporte

Mediante la extrusión y el recubrimiento de ambas caras de tejido de nailon con elastómero termoplástico de poliuretano, se pueden fabricar balsas inflables de ataque y reconocimiento con capacidad para entre 3 y 15 personas, con un rendimiento muy superior al de las balsas inflables de caucho vulcanizado; el elastómero termoplástico de poliuretano reforzado con fibra de vidrio se puede utilizar para fabricar componentes de carrocería como piezas moldeadas en ambos lados del propio automóvil, paneles de puertas, parachoques, bandas antifricción y rejillas.