شرح شامل لمواد TPU

في عام ١٩٥٨، سجلت شركة جودريتش للكيماويات (التي أُعيدت تسميتها إلى لوبريزول) علامة Estane التجارية للبولي يوريثين الحراري لأول مرة. على مدار الأربعين عامًا الماضية، ظهر أكثر من ٢٠ علامة تجارية حول العالم، ولكل علامة تجارية عدة سلاسل من المنتجات. حاليًا، تشمل قائمة مُصنّعي المواد الخام للبولي يوريثين الحراري بشكل رئيسي شركات BASF وCovestro وLubrizol وHuntsman Corporation وWanhua Chemical Group وShanghai Heng'an وRuihua وXuchuan Chemical، وغيرها.

1. فئة TPU

وفقًا لهيكل القطعة الناعمة، يمكن تقسيمها إلى نوع البوليستر، ونوع البولي إيثر، ونوع البيوتادين، والتي تحتوي على مجموعة الإستر، أو مجموعة الأثير، أو مجموعة البيوتين على التوالي.

وفقًا لبنية القطعة الصلبة، يُمكن تقسيمها إلى نوعي يوريثان ويوريا يوريثان، واللذين يُستخرجان من مُوسِّعات سلسلة إيثيلين جليكول أو مُوسِّعات سلسلة ثنائي الأمين. ويُقسَّم التصنيف الشائع إلى نوعي بوليستر وبولي إيثر.

وفقًا لوجود أو عدم وجود ترابط متقاطع، يمكن تقسيمها إلى بلاستيك حراري نقي وشبه بلاستيك حراري.

الأول له بنية خطية نقية ولا يحتوي على روابط متشابكة؛ والثاني يحتوي على كمية صغيرة من الروابط المتشابكة مثل إستر حمض الألوفانيك.

وفقًا لاستخدام المنتجات النهائية، يمكن تقسيمها إلى أجزاء ملفوفة (عناصر آلة مختلفة)، وأنابيب (أغلفة، ملفات تعريف القضبان)، وأفلام (صفائح، صفائح رقيقة)، ومواد لاصقة، وطلاءات، وألياف، وما إلى ذلك.

2. تركيب TPU

ينتمي TPU إلى البولي يوريثان من حيث التركيب الجزيئي. فكيف يتجمع؟

وفقًا لعمليات التوليف المختلفة، يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى بلمرة مجمعة وبلمرة محلولية.

في البلمرة السائبة، يمكن أيضًا تقسيمها إلى طريقة البلمرة المسبقة وطريقة الخطوة الواحدة بناءً على وجود أو عدم وجود تفاعل مسبق:

تتضمن طريقة البلمرة المسبقة تفاعل ثنائي إيزوسيانات مع ثنائيات الكحولات الجزيئية الكبيرة لفترة زمنية معينة قبل إضافة امتداد السلسلة لإنتاج TPU؛

تتضمن الطريقة المكونة من خطوة واحدة خلط وتفاعل ثنائيات الكحولات الجزيئية الكبيرة، وثنائيات الأيزوسيانات، وموسعات السلسلة في وقت واحد لتشكيل TPU.

تتضمن عملية بلمرة المحلول أولاً إذابة ثنائي إيزوسيانات في مذيب، ثم إضافة ثنائيات الكحولات الجزيئية الكبيرة للتفاعل لفترة زمنية معينة، وأخيراً إضافة موسعات السلسلة لتوليد TPU.

يمكن أن يؤثر نوع الجزء الناعم من مادة TPU، والوزن الجزيئي، ومحتوى الجزء الصلب أو الناعم، وحالة تجميع مادة TPU على كثافة مادة TPU، بكثافة تبلغ حوالي 1.10-1.25، ولا يوجد فرق كبير مقارنة بالمطاط والبلاستيك الأخرى.

بنفس الصلابة، تكون كثافة مادة TPU من نوع البولي إيثر أقل من كثافة مادة TPU من نوع البوليستر.

3. معالجة TPU

تتطلب جزيئات TPU عمليات مختلفة لتشكيل المنتج النهائي، وذلك باستخدام طرق الذوبان والحل بشكل أساسي لمعالجة TPU.

تعد عملية الصهر عملية شائعة الاستخدام في صناعة البلاستيك، مثل الخلط، والدرفلة، والبثق، والنفخ، والقولبة؛

معالجة المحلول هي عملية تحضير المحلول عن طريق إذابة الجسيمات في مذيب أو بلمرةها مباشرة في مذيب، ثم الطلاء والغزل وما إلى ذلك.

المنتج النهائي المصنوع من TPU لا يتطلب عمومًا تفاعلات الربط بالكبريت، مما قد يؤدي إلى تقصير دورة الإنتاج وإعادة تدوير المواد المهدرة.

4. أداء TPU

يتميز TPU بمعامل مرونة عالي، وقوة عالية، واستطالة ومرونة عالية، ومقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة للزيت، ومقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة، ومقاومة للشيخوخة.

تعتبر قوة الشد العالية، والاستطالة العالية، ومعدل التشوه الدائم المنخفض للضغط طويل الأمد من المزايا المهمة لمادة TPU.

سيقوم XiaoU بشرح الخصائص الميكانيكية لـ TPU بشكل أساسي من جوانب مثل قوة الشد والاستطالة والمرونة والصلابة وما إلى ذلك.

قوة شد عالية واستطالة عالية

يتميز TPU بقوة شد واستطالة ممتازة. من البيانات الموضحة في الشكل أدناه، يتضح أن قوة شد واستطالة TPU من نوع البولي إيثر أفضل بكثير من قوة شد واستطالة بلاستيك ومطاط كلوريد البولي فينيل.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ TPU تلبية متطلبات صناعة الأغذية مع إضافة القليل من المواد المضافة أو بدونها أثناء المعالجة، وهو أمر يصعب أيضًا على المواد الأخرى مثل PVC والمطاط تحقيقه.

المرونة حساسة جدًا لدرجة الحرارة

تشير مرونة مادة TPU إلى مدى سرعة استعادتها لحالتها الأصلية بعد تخفيف إجهاد التشوه، ويُعبَّر عنها بطاقة الاستعادة، وهي نسبة شغل انكماش التشوه إلى الشغل اللازم لإحداث التشوه. وهي دالة على معامل المرونة الديناميكي والاحتكاك الداخلي للجسم المرن، وهي حساسة جدًا لدرجة الحرارة.

يتناقص الارتداد مع انخفاض درجة الحرارة حتى درجة حرارة معينة، ثم تزداد المرونة بسرعة. هذه الدرجة هي درجة تبلور الجزء اللين، والتي تُحددها بنية ثنائي الكحول الجزيئي الكبير. يكون بولي إيثر البولي يوريثين الحراري أقل من بوليستر البولي يوريثين الحراري. عند درجات حرارة أقل من درجة التبلور، يصبح الإيلاستومر صلبًا جدًا ويفقد مرونته. لذلك، تُشبه المرونة الارتداد من سطح معدن صلب.

نطاق الصلابة هو Shore A60-D80

الصلابة هي مؤشر لقدرة المادة على مقاومة التشوه والخدوش والتآكل.

يتم قياس صلابة TPU عادةً باستخدام أجهزة اختبار الصلابة Shore A وShore D، حيث يتم استخدام Shore A لـ TPU الأكثر ليونة ويتم استخدام Shore D لـ TPU الأكثر صلابة.

يمكن تعديل صلابة TPU بتعديل نسبة أجزاء السلسلة اللينة والصلبة. لذلك، يتميز TPU بنطاق صلابة واسع نسبيًا، يتراوح من Shore A60 إلى D80، ويغطي صلابة المطاط والبلاستيك، ويتميز بمرونة عالية في جميع نطاقات الصلابة.

مع تغير الصلابة، قد تتغير بعض خصائص TPU. على سبيل المثال، تؤدي زيادة صلابته إلى تغيرات في الأداء، مثل زيادة معامل الشد ومقاومة التمزق، وزيادة الصلابة والإجهاد الانضغاطي (سعة التحميل)، وانخفاض الاستطالة، وزيادة الكثافة وتوليد الحرارة الديناميكي، وزيادة المقاومة البيئية.

5. تطبيق TPU

باعتبارها مادة مرنة ممتازة، تتمتع مادة TPU بمجموعة واسعة من اتجاهات المنتجات النهائية ويتم استخدامها على نطاق واسع في الضروريات اليومية والسلع الرياضية والألعاب والمواد الزخرفية وغيرها من المجالات.

مواد الأحذية

يُستخدم TPU بشكل رئيسي في صناعة الأحذية نظرًا لمرونته الممتازة ومقاومته للتآكل. تتميز الأحذية التي تحتوي على TPU براحة أكبر في الارتداء مقارنةً بالأحذية العادية، لذا تُستخدم على نطاق واسع في الأحذية الفاخرة، وخاصةً بعض الأحذية الرياضية والأحذية الكاجوال.

خرطوم

بفضل نعومتها وقوتها الجيدة في الشد وقوة التأثير ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، تُستخدم خراطيم TPU على نطاق واسع في الصين كخراطيم غاز ونفط للمعدات الميكانيكية مثل الطائرات والدبابات والسيارات والدراجات النارية وأدوات الآلات.

كابل

تتميز مادة TPU بخصائص مقاومة للتمزق والتآكل والانحناء، وتُعدّ مقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة أساس أداء الكابل. لذلك، في السوق الصينية، تُستخدم مواد TPU في الكابلات المتقدمة، مثل كابلات التحكم وكابلات الطاقة، لحماية مواد الطلاء المستخدمة في تصميمات الكابلات المعقدة، وتزداد تطبيقاتها انتشارًا.

الأجهزة الطبية

TPU مادة بديلة آمنة ومستقرة وعالية الجودة للبولي فينيل كلوريد (PVC)، خالية من الفثالات والمواد الكيميائية الضارة الأخرى، ولا تنتقل إلى الدم أو السوائل الأخرى في القسطرة الطبية أو الحقيبة الطبية مسببةً آثارًا جانبية. وهي أيضًا مادة TPU مصممة خصيصًا للاستخدام بالبثق والحقن.

فيلم

فيلم TPU هو غشاء رقيق مصنوع من مادة TPU الحبيبية عبر عمليات خاصة مثل الدرفلة والصب والنفخ والطلاء. بفضل متانته العالية ومقاومته للتآكل ومرونته العالية ومقاومته للعوامل الجوية، يُستخدم فيلم TPU على نطاق واسع في الصناعات، ومواد الأحذية، وتجهيز الملابس، والسيارات، والكيميائية، والإلكترونية، والطبية، وغيرها.