熱可塑性ポリウレタンエラストマーとは何ですか？
ポリウレタン エラストマーは、ポリウレタン合成材料の一種です (他にポリウレタン フォーム、ポリウレタン接着剤、ポリウレタン コーティング、ポリウレタン ファイバーなどもあります)。熱可塑性ポリウレタン エラストマーは、3 種類のポリウレタン エラストマーのうちの 1 つで、一般的に TPU と呼ばれています (ポリウレタン エラストマーの他の 2 つの主な種類は、キャスト ポリウレタン エラストマー (CPU と略される) と混合ポリウレタン エラストマー (MPU と略される) です)。
TPUは、加熱により可塑化し、溶剤に溶解するポリウレタンエラストマーの一種です。CPUやMPUと比較すると、TPUの化学構造には化学架橋がほとんど、あるいは全くありません。分子鎖は基本的に直線状ですが、ある程度の物理架橋が存在します。これは、構造的に非常に特徴的な熱可塑性ポリウレタンエラストマーです。
TPUの構造と分類
熱可塑性ポリウレタンエラストマーは、(AB)ブロック線状ポリマーです。Aは高分子量のポリマーポリオール（エステルまたはポリエーテル、分子量1000～6000）で、長鎖と呼ばれます。Bは2～12個の直鎖炭素原子を含むジオールで、短鎖と呼ばれます。
熱可塑性ポリウレタンエラストマーの構造において、Aセグメントはソフトセグメントと呼ばれ、柔軟性と柔軟性の特性を有し、TPUに伸長性を与えます。Bセグメントとイソシアネートとの反応によって生成されるウレタン鎖はハードセグメントと呼ばれ、剛性と硬さの両方の特性を持ちます。AセグメントとBセグメントの比率を調整することで、異なる物理的・機械的特性を持つTPU製品が製造されます。
ソフトセグメント構造により、ポリエステル型、ポリエーテル型、ブタジエン型に分類され、それぞれエステル基、エーテル基、ブテン基を含みます。ハードセグメント構造により、ウレタン型とウレタンウレア型に分類され、それぞれエチレングリコール系鎖延長剤またはジアミン系鎖延長剤から得られます。一般的な分類は、ポリエステル型とポリエーテル型です。
TPU 合成の原料は何ですか?
（１）ポリマージオール
分子量が 500 ～ 4000 で二官能基を有する高分子ジオールは、TPU エラストマー中に 50% ～ 80% 含まれており、TPU の物理的および化学的特性に決定的な役割を果たします。
TPU エラストマーに適したポリマージオールは、ポリエステルとポリエーテルに分けられます。ポリエステルには、ポリテトラメチレンアジピン酸グリコール (PBA) ε PCL、PHC が含まれ、ポリエーテルには、ポリオキシプロピレンエーテルグリコール (PPG)、テトラヒドロフランポリエーテルグリコール (PTMG) などが含まれます。
（２）ジイソシアネート
分子量は小さいものの、その機能は優れており、ソフトセグメントとハードセグメントを繋ぐ役割を果たすだけでなく、TPUに様々な優れた物理的・機械的特性を付与します。TPUに適用可能なジイソシアネートとしては、メチレンジフェニルジイソシアネート（MDI）、メチレンビス（-4-シクロヘキシルイソシアネート）（HMDI）、p-フェニルジイソシアネート（PPDI）、1,5-ナフタレンジイソシアネート（NDI）、p-フェニルジメチルジイソシアネート（PXDI）などがあります。
（３）チェーンエクステンダー
分子量100～350の低分子ジオールに属し、分子量が小さく、開鎖構造で置換基を持たない鎖延長剤は、TPUの高硬度と高スカラー重量の実現に寄与します。TPUに適した鎖延長剤としては、1,4-ブタンジオール（BDO）、1,4-ビス（2-ヒドロキシエトキシ）ベンゼン（HQEE）、1,4-シクロヘキサンジメタノール（CHDM）、p-フェニルジメチルグリコール（PXG）などが挙げられます。
TPUの改質による強化剤としての応用
製品コストを削減し、追加の性能を得るために、ポリウレタン熱可塑性エラストマーは、さまざまな熱可塑性および改質ゴム材料を強化するための一般的な強化剤として使用できます。
ポリウレタンは極性が高いため、塩素化ポリエチレン（CPE）などの極性樹脂やゴムと相溶性があり、医療製品の製造に使用できます。ABSと混合すると、エンジニアリング熱可塑性プラスチックの代替として使用できます。ポリカーボネート（PC）と組み合わせて使用すると、耐油性、耐燃料性、耐衝撃性などの特性があり、車体の製造に使用できます。ポリエステルと組み合わせると、靭性が向上します。さらに、PVC、ポリオキシメチレン、PVDCとの相溶性も良好です。ポリエステルポリウレタンは、15％ニトリルゴムまたは40％ニトリルゴム/ PVCブレンドと相溶性がよく、ポリエーテルポリウレタンは、40％ニトリルゴム/ポリ塩化ビニルブレンド接着剤と相溶性がよく、アクリロニトリルスチレン（SAN）コポリマーとも共相溶性があります。反応性ポリシロキサンと相互浸透ネットワーク（IPN）構造を形成できます。上記の混合接着剤の大部分は、すでに正式に生産されています。
近年、中国ではTPUによるPOMの強化に関する研究が増加しています。TPUとPOMのブレンドは、TPUの耐高温性と機械的性質を向上させるだけでなく、POMを大幅に強化します。一部の研究者は、引張破壊試験において、POMマトリックスと比較して、TPUを含むPOMアロイは脆性破壊から延性破壊に遷移したことを示しています。TPUの添加により、POMは形状記憶性能も付与されます。POMの結晶領域は形状記憶合金の固定相として機能し、非晶質TPUとPOMの非晶質領域は可逆相として機能します。回復応答温度が165℃、回復時間が120秒の場合、合金の回復率は95％を超え、回復効果が最も高くなります。
TPUは、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、廃ゴム粉末などの非極性ポリマー材料と相溶性が難しく、性能の良い複合材料を製造することができません。そのため、後者にはプラズマ、コロナ、湿式化学、プライマー、火炎、反応性ガスなどの表面処理法がよく用いられます。例えば、アメリカのエアプロダクツ＆ケミカルズ社は、分子量300万～500万の超高分子量ポリエチレン微粉末にF2/O2活性ガス表面処理を施し、ポリウレタンエラストマーに10%添加することで、曲げ弾性率、引張強度、耐摩耗性を大幅に向上させることができます。また、F2/O2活性ガス表面処理は、長さ6～35mmの方向性伸長短繊維にも適用でき、複合材料の剛性と引き裂き靭性を向上させることができます。
TPU の応用分野は何ですか?
1958年、グッドリッチ・ケミカル社（現ルーブリゾール社）が初めてTPUブランド「エスタン」を登録しました。過去40年間で、世界中で20以上のブランドが展開され、各ブランドには複数の製品シリーズがあります。現在、世界の主なTPU原料メーカーは、BASF、コベストロ、ルーブリゾール、ハンツマン・コーポレーション、マッキンゼー、ゴールディングなどです。
TPUは優れたエラストマーとして、幅広い川下製品を有し、日用品、スポーツ用品、玩具、装飾材など、幅広い分野で利用されています。以下にその一部をご紹介します。
① 靴の素材
TPUは優れた弾力性と耐摩耗性を備えているため、主に靴の素材として使用されています。TPUを使用した履物は、通常の履物よりもはるかに履き心地が良いため、高級靴、特に一部のスポーツシューズやカジュアルシューズに広く使用されています。
② ホース
TPU ホースは柔らかく、引張強度、衝撃強度に優れ、高温や低温にも耐えられるため、中国では航空機、戦車、自動車、オートバイ、工作機械などの機械設備用のガスや石油のホースとして広く使用されています。
③ ケーブル
TPUは耐引裂性、耐摩耗性、屈曲性に優れており、特に高温・低温耐性はケーブル性能の鍵となります。そのため、中国市場では、制御ケーブルや電力ケーブルなどの高度なケーブルにおいて、複雑なケーブル設計における被覆材の保護にTPUが採用されており、その用途はますます広がっています。
④医療機器
TPUは安全で安定した高品質のPVC代替材料であり、フタル酸エステルなどの有害な化学物質を含まず、医療用カテーテルや医療用バッグ内の血液やその他の液体に移行して副作用を引き起こすことはありません。さらに、特別に開発された押出グレードおよび射出グレードのTPUは、わずかな調整で既存のPVC設備に容易に使用できます。
⑤ 車両その他の交通手段
ナイロン生地の両面にポリウレタン熱可塑性エラストマーを押し出し、コーティングすることで、3～15人を乗せる膨張式戦闘攻撃いかだや偵察いかだを製造でき、加硫ゴム膨張式いかだよりもはるかに優れた性能を発揮します。ガラス繊維強化ポリウレタン熱可塑性エラストマーは、車体両側の成形部品、ドアスキン、バンパー、摩擦防止ストリップ、グリルなどの車体部品の製造に使用できます。
投稿日時: 2021年1月10日