열가소성 폴리우레탄 엘라스토머란 무엇인가요?
폴리우레탄 엘라스토머는 폴리우레탄 합성 소재의 한 종류이며(다른 종류로는 폴리우레탄 폼, 폴리우레탄 접착제, 폴리우레탄 코팅, 폴리우레탄 섬유 등이 있음), 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(TPU)는 폴리우레탄 엘라스토머의 세 가지 유형 중 하나로, 일반적으로 TPU라고 부릅니다(다른 두 가지 주요 유형의 폴리우레탄 엘라스토머는 주조 폴리우레탄 엘라스토머(CPU)와 혼합 폴리우레탄 엘라스토머(MPU)입니다).
TPU는 가열하면 가소화되고 용매에 용해되는 폴리우레탄 엘라스토머의 일종입니다. CPU 및 MPU와 비교했을 때, TPU는 화학 구조에 화학적 가교 결합이 거의 또는 전혀 없습니다. 분자 사슬은 기본적으로 선형이지만, 일정량의 물리적 가교 결합이 존재합니다. 이러한 특성 때문에 TPU는 구조적으로 매우 독특한 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머입니다.
TPU의 구조 및 분류
열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 (AB) 블록 선형 중합체입니다. A는 분자량이 1000~6000인 고분자량 장쇄 폴리올(에스테르 또는 폴리에테르)을 나타내고, B는 2~12개의 직선형 탄소 원자를 포함하는 단쇄 다이올을 나타냅니다.
열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(TPU)의 구조에서 A 세그먼트는 연질 세그먼트라고 하며, 유연성과 부드러움을 특징으로 하여 TPU에 신축성을 부여합니다. B 세그먼트와 이소시아네이트의 반응으로 생성된 우레탄 사슬은 경질 세그먼트라고 하며, 강성과 단단함을 모두 가지고 있습니다. A 세그먼트와 B 세그먼트의 비율을 조절함으로써 다양한 물리적 및 기계적 특성을 지닌 TPU 제품을 만들 수 있습니다.
연질 세그먼트 구조에 따라 에스테르기, 에테르기, 부텐기를 각각 포함하는 폴리에스테르형, 폴리에테르형, 부타디엔형으로 나눌 수 있다. 경질 세그먼트 구조에 따라 에틸렌 글리콜 사슬 연장제 또는 디아민 사슬 연장제를 각각 사용하여 얻은 우레탄형과 우레탄우레아형으로 나눌 수 있다. 일반적으로는 폴리에스테르형과 폴리에테르형으로 분류한다.
TPU 합성에 사용되는 원료는 무엇인가요?
(1) 폴리머 디올
분자량이 500~4000 범위이고 이작용기를 가진 고분자 다이올은 TPU 엘라스토머 내 함량이 50~80%로 TPU의 물리적 및 화학적 특성에 결정적인 역할을 합니다.
TPU 엘라스토머에 적합한 폴리머 디올은 폴리에스터와 폴리에테르로 나눌 수 있다. 폴리에스터에는 폴리테트라메틸렌 아디프산 글리콜(PBA), ε PCL, PHC 등이 포함되고, 폴리에테르에는 폴리옥시프로필렌 에테르 글리콜(PPG), 테트라하이드로퓨란 폴리에테르 글리콜(PTMG) 등이 포함된다.
(2) 디이소시아네이트
분자량은 작지만 기능은 탁월하며, 연질 세그먼트와 경질 세그먼트를 연결하는 역할뿐만 아니라 TPU에 다양한 우수한 물리적 및 기계적 특성을 부여합니다. TPU에 적용 가능한 디이소시아네이트에는 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI), 메틸렌비스(-4-시클로헥실이소시아네이트)(HMDI), p-페닐디이소시아네이트(PPDI), 1,5-나프탈렌디이소시아네이트(NDI), p-페닐디메틸디이소시아네이트(PXDI) 등이 있습니다.
(3) 체인 연장기
분자량이 100~350인 저분자 다이올 계열의 사슬 연장제는 분자량이 작고, 개방형 사슬 구조를 가지며, 치환기가 없어 TPU의 높은 경도와 높은 스칼라 중량을 얻는 데 유리합니다. TPU에 적합한 사슬 연장제로는 1,4-부탄다이올(BDO), 1,4-비스(2-하이드록시에톡시)벤젠(HQEE), 1,4-시클로헥산디메탄올(CHDM), p-페닐디메틸글리콜(PXG) 등이 있습니다.
TPU를 강화제로 활용한 변형 응용
제품 비용을 절감하고 성능을 향상시키기 위해 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머는 다양한 열가소성 및 변성 고무 재료의 강도를 높이는 데 일반적으로 사용되는 강화제로 활용될 수 있습니다.
폴리우레탄은 높은 극성으로 인해 염소화 폴리에틸렌(CPE)과 같은 극성 수지 또는 고무와 상용성이 뛰어나 의료 제품 제조에 사용될 수 있습니다. ABS와 혼합하면 엔지니어링 열가소성 수지를 대체하여 사용할 수 있습니다. 폴리카보네이트(PC)와 함께 사용하면 내유성, 내연료성, 내충격성 등의 특성을 가지므로 자동차 차체 제조에 사용될 수 있습니다. 폴리에스터와 혼합하면 인성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 PVC, 폴리옥시메틸렌 또는 PVDC와도 상용성이 우수합니다. 폴리에스터 폴리우레탄은 15% 니트릴 고무 또는 40% 니트릴 고무/PVC 블렌드와도 상용성이 좋습니다. 폴리에테르 폴리우레탄은 40% 니트릴 고무/폴리염화비닐 블렌드 접착제와도 상용성이 우수합니다. 아크릴로니트릴 스티렌(SAN) 공중합체와도 상용성이 있으며, 반응성 폴리실록산과 상호침투망(IPN) 구조를 형성할 수 있습니다. 앞서 언급된 혼합 접착제의 대다수는 이미 공식적으로 생산되었습니다.
최근 중국에서는 TPU를 이용한 POM의 인성 향상 연구가 활발히 진행되고 있습니다. TPU와 POM의 혼합은 TPU의 고온 저항성과 기계적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 POM의 인성도 크게 향상시킵니다. 일부 연구에서는 인장 파괴 시험에서 POM 매트릭스와 비교했을 때 TPU가 첨가된 POM 합금이 취성 파괴에서 연성 파괴로 전환되는 것을 보여주었습니다. TPU 첨가는 또한 POM에 형상 기억 특성을 부여합니다. POM의 결정질 영역은 형상 기억 합금의 고정상 역할을 하고, 비정질 TPU와 POM의 비정질 영역은 가역상 역할을 합니다. 회복 반응 온도가 165℃이고 회복 시간이 120초일 때, 합금의 회복률은 95% 이상에 도달하여 최상의 회복 효과를 나타냅니다.
TPU는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌프로필렌 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무 또는 폐고무 분말과 같은 비극성 고분자 재료와 상용성이 낮아 우수한 성능의 복합재료를 생산하는 데 사용할 수 없습니다. 따라서 후자의 경우 플라즈마, 코로나, 습식 화학, 프라이머, 화염 또는 반응성 가스와 같은 표면 처리 방법이 종종 사용됩니다. 예를 들어, 미국 에어 프로덕츠 앤 케미컬스(AAC)는 분자량이 300만~500만인 초고분자량 폴리에틸렌 미세 분말에 F2/O2 활성 가스 표면 처리를 하고 이를 폴리우레탄 엘라스토머에 10% 비율로 첨가하여 굴곡 탄성률, 인장 강도 및 내마모성을 크게 향상시켰습니다. 또한 F2/O2 활성 가스 표면 처리는 길이가 6~35mm인 방향성 연신 단섬유에도 적용할 수 있으며, 복합재료의 강성과 인열 인성을 향상시킬 수 있습니다.
TPU의 응용 분야는 무엇입니까?
1958년, 굿리치 화학 회사(현재 루브리졸)는 TPU 브랜드인 에스탄(Estane)을 최초로 등록했습니다. 지난 40년 동안 전 세계적으로 20개 이상의 브랜드가 출시되었으며, 각 브랜드는 다양한 제품 시리즈를 보유하고 있습니다. 현재 세계 주요 TPU 원료 제조업체로는 BASF, 코베스트로, 루브리졸, 헌츠먼, 맥킨지, 골딩 등이 있습니다.
TPU는 우수한 탄성체로서 생활용품, 스포츠 용품, 장난감, 장식 재료 등 다양한 분야에 널리 사용되는 광범위한 파생 제품을 생산합니다. 아래는 몇 가지 예입니다.
① 신발 소재
TPU는 뛰어난 탄성과 내마모성 덕분에 주로 신발 소재로 사용됩니다. TPU가 함유된 신발 제품은 일반 신발 제품보다 착용감이 훨씬 편안하기 때문에 고급 신발, 특히 스포츠화와 캐주얼화에 널리 사용됩니다.
② 호스
TPU 호스는 부드러운 성질, 우수한 인장 강도, 충격 강도, 고온 및 저온 저항성 덕분에 중국에서 항공기, 탱크, 자동차, 오토바이, 공작기계와 같은 기계 장비용 가스 및 오일 호스로 널리 사용됩니다.
③ 케이블
TPU는 인열 저항성, 내마모성, 굽힘 저항성을 제공하며, 고온 및 저온 저항성은 케이블 성능의 핵심 요소입니다. 따라서 중국 시장에서는 제어 케이블 및 전력 케이블과 같은 첨단 케이블에 TPU를 사용하여 복잡한 케이블 설계의 코팅 재료를 보호하고 있으며, 그 적용 범위가 점점 확대되고 있습니다.
④ 의료기기
TPU는 안전하고 안정적이며 고품질의 PVC 대체 소재로, 프탈레이트 및 기타 유해 화학 물질을 함유하지 않아 의료용 카테터나 의료용 백 내의 혈액 또는 기타 액체로 용출되어 부작용을 일으키지 않습니다. 또한, 특수 개발된 압출 등급 및 사출 등급 TPU는 약간의 조정만으로 기존 PVC 장비에 쉽게 적용할 수 있습니다.
⑤ 차량 및 기타 운송 수단
나일론 직물의 양면에 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머를 압출 및 코팅함으로써 3~15인승의 전투 공격용 보트 및 정찰용 보트를 제작할 수 있으며, 이는 가황 고무 보트보다 훨씬 우수한 성능을 발휘합니다. 또한 유리 섬유로 강화된 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머는 자동차 차체 양쪽의 성형 부품, 도어 패널, 범퍼, 마찰 방지 스트립, 그릴 등의 차체 부품을 제작하는 데 사용할 수 있습니다.
게시 시간: 2021년 1월 10일