열가소성 폴리우레탄 엘라스토머란?
폴리우레탄 엘라스토머는 다양한 폴리우레탄 합성 재료(다른 종류로는 폴리우레탄 폼, 폴리우레탄 접착제, 폴리우레탄 코팅 및 폴리우레탄 섬유가 있음)이고, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 세 가지 유형의 폴리우레탄 엘라스토머 중 하나입니다. 사람들은 일반적으로 이를 TPU라고 부릅니다(다른 두 가지 주요 유형의 폴리우레탄 엘라스토머는 주조 폴리우레탄 엘라스토머(CPU로 약칭)와 혼합 폴리우레탄 엘라스토머(MPU로 약칭)입니다).
TPU는 가열하면 가소화되고 용매에 의해 용해되는 폴리우레탄 엘라스토머의 일종입니다. CPU 및 MPU와 비교했을 때, TPU는 화학 구조상 화학적 가교가 거의 없거나 전혀 없습니다. 분자 사슬은 기본적으로 선형이지만, 일정량의 물리적 가교가 존재합니다. 이는 구조적으로 매우 특징적인 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머입니다.
TPU의 구조 및 분류
열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 (AB) 블록 선형 중합체입니다. A는 장쇄라고 불리는 고분자량의 중합체 폴리올(에스테르 또는 폴리에테르, 분자량 1000~6000)을 나타내고, B는 단쇄라고 불리는 2~12개의 직쇄 탄소 원자를 포함하는 디올을 나타냅니다.
열가소성 폴리우레탄 엘라스토머 구조에서 A 세그먼트는 소프트 세그먼트라고 하며, 이는 유연성과 부드러움의 특성을 가지고 있어 TPU에 신장성을 부여합니다. B 세그먼트와 이소시아네이트의 반응으로 생성된 우레탄 사슬은 하드 세그먼트라고 하며, 이는 강성과 경성을 모두 가지고 있습니다. A 세그먼트와 B 세그먼트의 비율을 조절함으로써 다양한 물리적, 기계적 특성을 가진 TPU 제품을 만들 수 있습니다.
소프트 세그먼트 구조에 따라 에스테르기, 에테르기, 부텐기를 각각 함유하는 폴리에스터계, 폴리에테르계, 부타디엔계로 구분할 수 있습니다. 하드 세그먼트 구조에 따라 에틸렌글리콜 사슬 연장제 또는 디아민 사슬 연장제로부터 얻어지는 우레탄계와 우레탄우레아계로 구분할 수 있습니다. 일반적으로 폴리에스터계와 폴리에테르계로 구분됩니다.
TPU 합성의 원료는 무엇입니까?
(1) 폴리머디올
분자량이 500~4000이고 이중 작용기를 갖는 거대 분자 디올은 TPU 엘라스토머에서 50~80%의 함량으로 존재하며, TPU의 물리적, 화학적 특성에 결정적인 역할을 합니다.
TPU 엘라스토머에 적합한 폴리머 디올은 폴리에스터와 폴리에터로 나눌 수 있습니다. 폴리에스터에는 폴리테트라메틸렌 아디프산 글리콜(PBA) ε PCL, PHC가 포함됩니다. 폴리에터에는 폴리옥시프로필렌 에터 글리콜(PPG), 테트라하이드로푸란 폴리에터 글리콜(PTMG) 등이 포함됩니다.
(2) 디이소시아네이트
분자량은 작지만 그 기능은 탁월하여 소프트 세그먼트와 하드 세그먼트를 연결하는 역할뿐만 아니라 TPU에 다양한 우수한 물리적 및 기계적 특성을 부여합니다. TPU에 사용 가능한 디이소시아네이트로는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI), 메틸렌 비스(-4-시클로헥실 이소시아네이트)(HMDI), p-페닐디이소시아네이트(PPDI), 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트(NDI), p-페닐디메틸 디이소시아네이트(PXDI) 등이 있습니다.
(3) 체인 익스텐더
분자량 100~350의 사슬 연장제는 저분자 디올(Diol) 계열에 속하며, 분자량이 작고, 개방 사슬 구조를 가지며, 치환기가 없어 TPU의 높은 경도와 높은 스칼라 중량을 얻는 데 적합합니다. TPU에 적합한 사슬 연장제로는 1,4-부탄디올(BDO), 1,4-비스(2-하이드록시에톡시)벤젠(HQEE), 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM), p-페닐디메틸글리콜(PXG) 등이 있습니다.
강화제로서 TPU의 개질 적용
제품 비용을 절감하고 성능을 높이기 위해 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머를 일반적으로 사용되는 강화제로 사용하여 다양한 열가소성 및 개질 고무 재료를 강화할 수 있습니다.
폴리우레탄은 높은 극성으로 인해 의료용 제품을 만드는 데 사용할 수 있는 염소화 폴리에틸렌(CPE)과 같은 극성 수지 또는 고무와 호환 가능합니다. ABS와 혼합하면 엔지니어링 열가소성 플라스틱을 대체하여 사용할 수 있습니다. 폴리카보네이트(PC)와 함께 사용하면 내유성, 내연료성, 내충격성과 같은 특성을 가지며 자동차 차체를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 폴리에스테르와 결합하면 인성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 PVC, 폴리옥시메틸렌 또는 PVDC와도 잘 호환됩니다. 폴리에스테르 폴리우레탄은 15% 니트릴 고무 또는 40% 니트릴 고무/PVC 블렌드와 잘 호환됩니다. 폴리에테르 폴리우레탄은 40% 니트릴 고무/폴리염화비닐 블렌드 접착제와도 잘 호환됩니다. 또한 아크릴로니트릴 스티렌(SAN) 공중합체와도 호환 가능합니다. 반응성 폴리실록산과 상호 침투 네트워크(IPN) 구조를 형성할 수 있습니다. 위에 언급된 혼합 접착제의 대부분은 이미 공식적으로 생산되었습니다.
최근 중국에서 TPU를 이용한 POM의 인성 향상 연구가 활발히 진행되고 있습니다. TPU와 POM을 혼합하면 TPU의 고온 저항성과 기계적 특성이 향상될 뿐만 아니라 POM의 인성도 크게 향상됩니다. 일부 연구자들은 인장 파괴 시험에서 POM 매트릭스와 비교했을 때 TPU가 포함된 POM 합금이 취성 파괴에서 연성 파괴로 전환되었음을 보여주었습니다. TPU를 첨가하면 POM에 형상 기억 성능이 부여됩니다. POM의 결정질 영역은 형상 기억 합금의 고정상으로 작용하는 반면, 비정질 TPU와 POM의 비정질 영역은 가역상으로 작용합니다. 회복 반응 온도가 165℃이고 회복 시간이 120초일 때 합금의 회복률은 95% 이상에 도달하여 회복 효과가 가장 좋습니다.
TPU는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌 프로필렌 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무 또는 폐고무 분말과 같은 비극성 고분자 재료와 상용성이 낮아 성능이 우수한 복합재를 생산하는 데 사용할 수 없습니다. 따라서 플라즈마, 코로나, 습식 화학, 프라이머, 화염 또는 반응성 가스와 같은 표면 처리 방법이 후자에 자주 사용됩니다. 예를 들어, American Air Products and Chemicals Company는 분자량이 300만~500만인 초고분자량 폴리에틸렌 미분말에 F2/O2 활성 가스 표면 처리를 수행하고 이를 폴리우레탄 엘라스토머에 10% 비율로 첨가하여 굴곡 탄성률, 인장 강도 및 내마모성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 F2/O2 활성 가스 표면 처리는 길이가 6~35mm인 방향으로 신장된 단섬유에도 적용할 수 있어 복합재의 강성과 인열 인성을 향상시킬 수 있습니다.
TPU의 적용 분야는 무엇입니까?
1958년, 굿리치 케미컬 컴퍼니(현재 루브리졸로 개명)가 처음으로 TPU 브랜드 '에스탄(Estane)'을 등록했습니다. 지난 40년 동안 전 세계적으로 20개가 넘는 브랜드가 존재했으며, 각 브랜드는 여러 시리즈의 제품을 생산하고 있습니다. 현재 세계 주요 TPU 원료 제조업체는 BASF, 코베스트로(Covestro), 루브리졸(Lubrizol), 헌츠먼(Huntsman), 맥킨지(McKinsey), 골딩(Golding) 등입니다.
우수한 엘라스토머인 TPU는 다양한 다운스트림 제품을 보유하고 있으며, 이는 생활용품, 스포츠용품, 장난감, 장식재 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 아래는 몇 가지 예입니다.
① 신발 소재
TPU는 뛰어난 탄성과 내마모성으로 인해 주로 신발 소재로 사용됩니다. TPU가 포함된 신발 제품은 일반 신발 제품보다 착용감이 훨씬 뛰어나 고급 신발 제품, 특히 일부 운동화와 캐주얼화에 널리 사용됩니다.
② 호스
TPU 호스는 부드러움, 인장 강도, 충격 강도, 고온 및 저온 내성 등의 특징으로 인해 항공기, 탱크, 자동차, 오토바이, 공작 기계 등 기계 장비의 가스 및 오일 호스로 중국에서 널리 사용됩니다.
③ 케이블
TPU는 인열 저항성, 내마모성, 굽힘 특성을 제공하며, 고온 및 저온 내성은 케이블 성능의 핵심 요소입니다. 따라서 중국 시장에서는 제어 케이블 및 전력 케이블과 같은 첨단 케이블에 TPU를 사용하여 복잡한 케이블 설계의 코팅재를 보호하고 있으며, 그 적용 범위가 점점 더 넓어지고 있습니다.
④ 의료기기
TPU는 안전하고 안정적이며 고품질의 PVC 대체 소재로, 프탈레이트 및 기타 유해 화학 물질을 포함하지 않으며, 의료용 카테터나 의료용 백의 혈액이나 기타 액체로 이동하여 부작용을 유발하지 않습니다. 또한, 특별히 개발된 압출 등급 및 사출 등급 TPU는 기존 PVC 장비에서 약간의 디버깅만으로 쉽게 사용할 수 있습니다.
⑤ 차량 및 기타 교통수단
나일론 원단의 양면을 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머로 압출 및 코팅하면 3~15명을 태울 수 있는 팽창식 전투 공격용 뗏목과 정찰용 뗏목을 만들 수 있으며, 가황 고무로 만든 팽창식 뗏목보다 성능이 훨씬 뛰어납니다. 유리 섬유로 강화된 폴리우레탄 열가소성 엘라스토머는 차량 자체의 양면에 성형된 부품, 도어 스킨, 범퍼, 마찰 방지 스트립, 그릴과 같은 차체 구성품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
게시 시간: 2021년 1월 10일