¿Qué es el elastómero de poliuretano termoplástico?

¿Qué es el elastómero de poliuretano termoplástico?

El elastómero de poliuretano es una variedad de materiales sintéticos de poliuretano (otras variedades incluyen espuma de poliuretano, adhesivo de poliuretano, recubrimiento de poliuretano y fibra de poliuretano), y el elastómero de poliuretano termoplástico es uno de los tres tipos de elastómero de poliuretano. La gente suele referirse a él como TPU (los otros dos tipos principales de elastómeros de poliuretano son los elastómeros de poliuretano fundido, abreviados como CPU, y los elastómeros de poliuretano mixtos, abreviados como MPU).

El TPU es un elastómero de poliuretano que se plastifica mediante calentamiento y se disuelve con disolventes. 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 cierta reticulación física. Se trata de un elastómero de poliuretano termoplástico con una estructura muy característica.

Estructura y clasificación de TPU

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

En la estructura del elastómero de poliuretano termoplástico (TPU), el segmento A se denomina segmento blando y 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. Al ajustar la proporción de los segmentos A y B, se obtienen productos de TPU con diferentes propiedades físicas y mecánicas.

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

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

(1) Polímero Diol

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

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

(2) Diisocianato

El peso molecular es pequeño, pero la función es excepcional, ya que no solo conecta el segmento blando con el segmento duro, sino que también confiere al TPU diversas propiedades físicas y mecánicas favorables. Los diisocianatos aplicables al TPU son: diisocianato de difenilmetano (MDI), isocianato de metileno bis(-4-ciclohexilo) (HMDI), diisocianato de p-fenilo (PPDI), diisocianato de 1,5-naftaleno (NDI), diisocianato de p-fenildimetilo (PXDI), etc.

(3) Extensor de cadena

El extensor de cadena con un peso molecular de 100~350, perteneciente a la familia de los dioles de bajo peso molecular, con una estructura de cadena abierta y sin grupos sustituyentes, favorece la obtención de TPU de alta dureza y alto peso molecular. 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), el p-fenildimetilglicol (PXG), etc.

Aplicación de modificación de TPU como agente de endurecimiento

Para reducir los costes de producción y obtener un rendimiento adicional, los elastómeros termoplásticos de poliuretano pueden utilizarse como agentes de refuerzo de uso común para fortalecer diversos materiales termoplásticos y de caucho modificado.

Debido a su alta polaridad, el poliuretano puede ser compatible con resinas o cauchos polares, como el polietileno clorado (CPE), que se puede utilizar para fabricar productos médicos; la mezcla con ABS puede reemplazar a los termoplásticos de ingeniería; cuando se utiliza en combinación con policarbonato (PC), tiene propiedades como resistencia al aceite, resistencia al combustible y resistencia al impacto, y se puede utilizar para fabricar carrocerías de automóviles; cuando se combina con poliéster, se puede mejorar su tenacidad; además, puede ser compatible con PVC, polioximetileno o PVDC; el poliuretano de poliéster puede ser compatible con caucho de nitrilo al 15% o con una mezcla de caucho de nitrilo/PVC al 40%; el poliuretano de poliéter también puede ser compatible con adhesivos de mezcla de caucho de nitrilo/cloruro de polivinilo al 40%; también puede ser compatible con copolímeros de acrilonitrilo estireno (SAN); puede formar estructuras de red interpenetrante (IPN) con polisiloxanos reactivos. La gran mayoría de los adhesivos compuestos mencionados anteriormente ya se producen oficialmente.

En los últimos años, se ha observado un creciente interés en la investigación sobre el endurecimiento del POM mediante TPU en China. 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 dureza del POM. Algunos investigadores han demostrado que, en ensayos de fractura por tracción, en comparación con la matriz de POM, la aleación de POM con TPU 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 amorfo y del POM actúa como la fase reversible. Cuando la temperatura de respuesta de recuperación es de 165 ℃ y el tiempo de recuperación es de 120 segundos, la tasa de recuperación de la aleación supera el 95 %, y el efecto de recuperación es óptimo.

El TPU es difícil de combinar 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 caucho reciclado en polvo, y no se puede utilizar para producir compuestos con buen rendimiento. Por lo tanto, para estos últimos se suelen utilizar métodos de tratamiento superficial como plasma, corona, química húmeda, imprimación, llama o gas reactivo. Por ejemplo, la empresa estadounidense Air Products and Chemicals Company ha llevado a cabo un tratamiento superficial con gas activo F2/O2 en polvo fino de polietileno de ultra alto peso molecular (3-5 millones de unidades) y lo ha añadido a un elastómero de poliuretano en una proporción del 10%, lo que puede mejorar significativamente su módulo de flexión, resistencia a la tracción y resistencia al desgaste. Además, el tratamiento superficial con gas activo F2/O2 también se puede aplicar a fibras cortas alargadas direccionalmente (6-35 mm), lo que puede mejorar la rigidez y la tenacidad al desgarro del material compuesto.

¿Cuáles son las áreas de aplicación de la TPU?

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

Como elastómero de excelente calidad, el TPU cuenta con una amplia gama de productos derivados, ampliamente utilizados en artículos de uso diario, artículos deportivos, juguetes, materiales decorativos y otros campos. A continuación, se muestran algunos ejemplos.

① Materiales para calzado

El TPU se utiliza principalmente en la fabricación de calzado debido a su excelente elasticidad y resistencia al desgaste. Los productos de calzado que contienen TPU son mucho más cómodos que el calzado convencional, por lo que se utilizan con mayor frecuencia en calzado de alta gama, especialmente en algunos modelos deportivos y casuales.

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 proporciona resistencia al desgarro, al desgaste y a la flexión, siendo la resistencia a altas y bajas temperaturas la clave del rendimiento del cable. 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 de cables 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. No contiene ftalatos ni otras sustancias químicas nocivas, y no migra a la sangre ni a otros fluidos en catéteres o bolsas médicas, evitando así efectos secundarios. Además, el TPU, tanto en su grado de extrusión como de inyección, desarrollado especialmente para este fin, se puede utilizar fácilmente con un mínimo de ajustes en los equipos de PVC existentes.

⑤ Vehículos y otros medios de transporte

Mediante la extrusión y el recubrimiento de ambas caras de la tela 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 mucho mejor que las balsas inflables de caucho vulcanizado. El elastómero termoplástico de poliuretano reforzado con fibra de vidrio se puede utilizar para fabricar componentes de la carrocería, como piezas moldeadas en ambos lados del propio automóvil, paneles de puertas, parachoques, tiras antifricción y rejillas.