Сайт И.А. Барвинского
 

    Перейти в раздел:    
Начало справочника

      

  

Справочник по литьевым термопластичным материалам

Термопластичные полиуретаны (TPU)

И.А. Барвинский, И.Е. Барвинская
Опубликовано: 2002. Обновлено: 8.02.2018

 
Название и обозначения

     Зарубежные: Thermoplastic polyurethane, TPU, TPE-U, TPURTP Urethane, TPU elastomer, PUT, PUR-T, RTPU, ETPU и др.
     Отечественные: 
термопластичные полиуретаны, полиуретановые ТЭП, ТПУ.

      Примечание: обозначение ETPU применяется для жестких термопластичных полиуретанов (Engineered thermoplastic polyurethane), а также для вспенивающихся термопластичных полиуретанов (Expanded thermoplastic polyurethane).

      

Класс, группа материалов

     Термопластичные эластомеры. Термопласты инженерно-технического назначения.

 

Общая характеристика и свойства

     Аморфные материалы. Максимальная температура длительной эксплуатации: 70 - 120 оС. Температура стеклования: -69 / -13 оС. Температура хрупкости: -70 / -45 оС.
     Механические и другие свойства термопластичных полиуретанов изменяются в очень широком диапазоне в зависимости от химического состава. При низком содержания жестких блоков термопластичные полиуретаны являются эластичными материалами (TPU elastomer), при высоком - жесткими материалами (RTPU,
Engineered thermoplastic polyurethane, ETPU). Эластичные полиуретаны относятся к термоэластопластам инженерно-технического назначения.
     Существуют несколько типов материалов: на основе простых эфиров (ether TPU), сложных эфиров (ester TPU), простых и сложных полиэфиров (polyether/polyester TPU), сложных полиэфиров и капралактонов (capralacton-ester TPU, capralacton TPU), поликарбонатов (polycarbonate-urethane), полибутиленадипинатов (polybutyleneadipate TPU), алифатические ТПУ (aliphatic TPU), на основе силиконов и поликарбонатов (silicon-polycarbonate TPU,
TSPCU), силиконов и простых полиэфиров (silicon-polyether TPU, TSPU). Свойства материала значительно изменяются в зависимости от химического состава.
     ТПУ на основе сложных полиэфиров имеют лучшие физико-механические свойства, более стойки к свето- и термоокислительной деструкции, легче перерабатываются. 
     ТПУ на основе простых полиэфиров обладают большей морозостойкостью, гидролитической стойкостью и большей стойкостью к действию микроорганизмов, но имеют большую стоимость.
     Поликарбонат-уретаны имеет высокую стойкость к действию микроорганизмов, гидролизу, характеризуются низким набуханием в воде. 
     ТПУ на основе простых и сложных полиэфиров имеют промежуточные свойства. 
     ТПУ на основе сложных полиэфиров и капралактонов характеризуются лучшей стойкостью к маслам, топливам, отличается большей теплостойкостью, хорошей гидролитической стойкостью (лучшей среди материалов на основе сложных полиэфиров).
    ТПУ на основе полибутиленадипинатов имеют высокую стойкость к маслам и высокую термостойкость.
    Алифатические ТПУ имеют высокую светостойкость (не желтеют при действии УФ-излучения). 
    ТПУ отличаются высокой износостойкостью. Хорошо восстанавливают форму после деформирования. Стойки к динамическим нагрузкам, вибростойки. 
     Существуют прозрачные марки.
     Могут окрашиваться, свариваться.

         

Показатели ненаполненных и наполненных марок

(приводятся минимальные и максимальные значения показателей для литьевых марок, выпускаемых современной промышленностью)
  

Показатели

Polyether TPU
(полиуретановые ТЭП: ПУ на основе простых полиэфиров)
Polyester TPU
(полиуретановые ТЭП: ПУ на основе сложных полиэфиров)
Физические    
Плотность (23 оС), г/см3 1.06 - 1.21 1.12 - 1.28
Механические    
Прочность при растяжении (23 оС), МПа 24 - 62 12 - 70
Напряжение при 100% удлинения (23 оС), МПа 5 - 19 1.5 - 31
Напряжение при 300% удлинения (23 оС), МПа 9 - 31 4 - 45
Модуль при 100% удлинения (23 оС), МПа 6 - 24 5.5 - 21
Модуль при 300% удлинения (23 оС), МПа 11 - 39 10 - 43
Относительное удлинение при растяжении (23 оС), % 250 - 840 300 - 1580
Относительная остаточная деформация после сжатия (23 оС, 22 ч),% 13 - 90 20 - 100
Относительная остаточная деформация после сжатия (70 оС, 22 ч),% 28 - 100 23 - 80
Модуль упругости при изгибе (23 оС), МПа 29 - 97  28 - 414
Сопротивление раздиру (23 оС), кН/м 55 - 171 60 - 193
Твердость по Шору (23 оС) A72 - D76 А56 - D78
Коэффициент трения по стали динамический (23 оС) 0.3 - 3.7  
Теплофизические    
Температура размягчения по Вика ( 10Н), оС 67 - 145 76 - 166
Температура изгиба под нагрузкой (0.45 МПа), оС   46 - 61
Температура изгиба под нагрузкой (1.8 МПа), оС    39 - 48
Температура стеклования, оС  -69  -13 -49  -15
Электрические    
Удельное объемное электрическое сопротивление (23 оС), Ом.см 1011 - 1012 1012 - 1013
Удельное поверхностное электрическое сопротивление (23 оС), Ом  1011 - 1012  1011 - 1012
Диэлектрическая проницаемость (23 оС, 100 Гц) 5.8 - 8.0 5.1 - 7.1
Диэлектрическая проницаемость (23 оС, 1 МГц) 4.6 - 6.5 4.1 - 6.1
Тангенс угла диэлектрических потерь (23 оС, 100 Гц) 0.035 - 0.120 0.034 - 0.200
Тангенс угла диэлектрических потерь (23 оС, 1 МГц) 0.048 - 0.087 0.048 - 0.087
Контрольный индекс трекингостойкости, В 600 600
Другие    
Водопоглощение (23 оС, 24 ч, при погружении), %    0.3 - 1.1

Показатели

RTPU RTPU + 30% GF
Физические    
Плотность (23 оС), г/см3 1.19 - 1.36 1.41 - 1.62
Механические    
Прочность при растяжении (23 оС), МПа 40 - 45  117 - 152
Модуль упругости при растяжении (23 оС), МПа 1380 - 2100 7580 - 9650
Относительное удлинение при растяжении (23 оС), % 10 - 160 2.5 - 6
Модуль упругости при изгибе (23 оС), МПа 1720 - 2100 6890 - 8270
Твердость по Роквеллу (23 оС) R116 R119 - R125
Теплофизические    
Температура изгиба под нагрузкой (0.45 МПа), оС  80   
Температура изгиба под нагрузкой (1.8 МПа), оС 60 - 68 82 - 132
Электрические    
Диэлектрическая проницаемость (23 оС, 1 МГц)    3.6 - 3.7
Тангенс угла диэлектрических потерь (23 оС, 1 МГц)    0.003 - 0.012
Другие    
Водопоглощение (23 оС, 24 ч, при погружении), % 0.1 - 0.2 0.1 - 0.2
 
      Механические и прочие характеристики литьевых деталей могут быть значительно хуже показателей, определенных стандартными методами (на стандартных образцах). Они в частности, могут ухудшаться при образовании концентраторов напряжений, спаев, неустойчивом заполнении, проблемах уплотнения, деструкции полимерного материала и пр.
     Для марок, содержащих стеклянное или углеродное волокно, механические свойства очень сильно зависит от разрушения волокна при переработке (особенно интенсивное разрушение происходит при переработке композиций с длинным волокном), ориентации частиц волокна (влияют места впуска, конструкция литьевой детали и пр.).

  
Примеры применения

     Эластичные детали автомобиля. Рулевые колеса. Грязезащитные чехлы. Покрытие для педалей. Мягкие дверные ручки.
     Гибкие детали бытовой и оргтехники. Детали пылесосов.
Эластичные детали мобильных телефонов.  
     Детали сельскохозяйственных машин.

     Эластичные детали инженерно-технического назначения. Элементы гибкого привода. Зубчатые и клиновые ремни. Бесшумные шестерни.
     Износостойкие детали текстильной промышленности. Шкивы. Ремни. Катушки. Шпули. 
     Уплотнения.
Уплотнительные кольца. Уплотнительные элементы для пневмо- и гидроцилиндров. Прокладки.
     Колеса для колясок. Ролики для роликовых коньков.
     Покрытие ступеней эскалаторов. Ленты конвейеров.
     Эластичные детали медицинского назначения. Катетеры. Детали искусственных органов.
     Детали обуви (подошва и др.). 
     Детали спортивной обуви, снарядов и оборудования. 

     Идентификационные бирки для животных.

   

Переработка

     Температура материального цилиндра: 190 - 220; 215 - 230; 220 - 250 оС. 
     Материал имеет узкий температурный диапазон переработки.
     Температура формы: 10 - 30; 20 - 40; 40 - 60 оС

     Линейная скорость вращения шнека при загрузке: не более 300 мм/с.
     Противодавление: 0.35 МПа. 
    
Скорость впрыска: принципы оптимизации скорости впрыска рассмотрены в статье.
    
Макс. давление при впрыске зависит от вязкости материала, конструкции изделия (толщина, длина затекания) и литниковой системы.
     Макс. скорости сдвига при впрыске: 20000 1/с.
     Давление выдержки: 30 - 80 МПа.

     Температура потери текучести: 120 - 220 оС.
     Допустимая влажность: 0.01 - 0.07 %.
     Температура сушки: 100 - 110 оС.
     Время сушки: 1 - 2 ч (по некоторым данным до 6 ч). Примечание:
время сушки зависит от типа сушилки. При сушке сухим воздухом точка росы воздуха: -18 оС.

     Примечания: Температура материального цилиндра может значительно отличаться от фактической температуры расплава из-за диссипативного тепловыделения при течении вязкой жидкости и других факторов. Фактическую температуру расплава нельзя определить путем ее измерении при открытой литьевой форме.
     Оптимальный режим литья конкретного изделия для определенной марки термопластичного материала может быть определен с помощью инженерных расчетов.  

  

Типичные проблемы литья под давлением

     Недолив.
     Облой.
     Низкое качество спаев.
     Подгары и неоднородность цвета из-за термоокислительной деструкции и механодеструкции в материальном цилиндре литьевой машины и литниковой системе.
     Проблемы уплотнения: утяжины, волнистая поверхность.
     Несоответствие размеров.
     Коробление с потерей устойчивости.
     Залипание отливки в форме (для марок с низкой твердостью).
     Длительный цикл литья.

     Слабая адгезия при 2-х компонентном литье.

  
     Проводятся платные консультации по анализу причин брака проблем литья и их устранению (в том числе с использованием инженерных расчетов).

    
Технологическая усадка при литье под давлением

     Типичная технологическая усадка для ненаполненных марок: 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.7; 0.8%.

     Примечания: Технологическая усадка литьевых термопластичных материалов может выходить за пределы диапазона значений, определенного на стандартных образцах. Она зависит от конструкции изделия и литьевой формы, а также технологического режима литья. Подробнее о колебании усадки. 
     Усадочное поведение термопластичных эластомеров отличается высокой сложностью, и может значительно изменяться от марки к марке при изменении твердости материала. Термопластичные эластомеры с малой твердостью могут давать отрицательную технологическую усадку. 

   

Торговые марки (изготовители)

     AVALON (Huntsman)
     Apilon (API)
     Badaflex TPU (Bada)
     CarboSil (DSM)
     Complet (PlastiComp)
RTPU наполненный
    
ChronoFlex (AdvanSource Biomaterials)
    
ChronoThane (AdvanSource Biomaterials)
     Desmopan (Covestro)
    
Elast-U (Cheng Yu Plastic Company)
    
Elasthane (DSM)
     Elastollan (
BASF Polyurethanes)
    
Estaloc (Lubrizol) RTPU наполненный
     Estane (Lubrizol)
    
IROGRAN (Huntsman)
     Isoplast (Lubrizol) RTPU
    
Texin (Covestro)
     TPU (PolyTherm)

     

Конструирование изделий и литьевых форм

Проводятся платные консультации.
 

  
Литература

     Апухтина Н.П. Уретановые каучуки // Энциклопедия полимеров. Т. 3. -М.: Советская энциклопедия, 1977. С. 679-689.
     Изюмов В.М., Ананьев В.К., Страхов В.В. Свойства, переработка и применение термопластичных полиуретанов // Междун. н.-практ. конф. "Состояние и перспективы развития машиностроения, технологий в производстве, переработке пластмасс и вторичного их использования. Москва, 5-6 марта 2003 г.". Тезисы докладов. -М.: MAXIMA, 2003. С. 69-70.  
     Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий: Справочное пособие. 
-Л.: Химия, 1987. 416 с.

     Керча Ю.Ю. Физическая химия полиуретанов. -Киев: Наукова Думка, 1979. 220 с.
     Крайненков Г.Е., Страхов В.В., Ананьев В.К., Малинин Л.Н. Перспективы применения ТПУ в автомобильной промышленности // Пласт. массы. 1991. № 5. С. 9-11.
     Кресге Э. Смеси полимеров со свойствами термоэластопластов // Полимерные смеси / Под ред. Д. Пола, С.Н. Ньюмена. -М.: Мир, 1981. Т. 2. С. 312-338.
     Литье пластмасс под давлением / Под ред. Т. Оссвальда, Л.-Ш. Тунга, П.Дж. Грэманна. Пер с англ. под ред. Э.Л. Калинчева. -СПб: Профессия, 2006. 712 с.
     Малинин Л.Н., Владимиров Ю.И., Косорогов А.А., Страхов В.В. Особенности переработки, свойства и основные области применения термопластичных полиуретанов // Тезисы докладов V всес. симп. «Научные достижения и прогрессивная технология переработки полимеров». 30 июня - 2 июля. Сызрань. 1981. С. 75-76.

     Николаев А.Ф. Технология пластических масс. -Л.: Химия, 1977. 368 с.
     Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры. -Л.: Химия, 1973. 304 с.

     Термопластичные полиуретаны. Каталог. - Черкассы: НИИТЭХИМ, 1983. 13 с.
     Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. - М.: Химия, 1985. 560 с.
    
Точные пластмассовые детали и технология их получения / Старжинский В.Е., Фарберов А.М., Песецкий С.С., Осипенко С.А., Брагинский В.А. -Минск: Навука i тэхнiка, 1992. С. 53-55.
     Biomedical applications of polyurethanes / Ed. by Vermette P. et. al. Eurecah.com, 2001. 373 p.
     Bonk H.W., Sardanopoli A.A., Ulrich H., Sayigh A.A.R. Pellethane: A new generation of polyurethane thermoplastic elastomers // J. Elastoplastics. 1971. V. 3. P. 157-186.
     Brentin R.P. TPU: the performance elastomer // Rubber World. 1993. Apr. P. 22-26.
     Carmago, R.E.  Limerkens N., Roberts C.M. TPUs new material options for high performance footwear // Rubber World. 2002. Oct.
     Chen A.T., Wells R.R., O’Connor J.M. TPU from aliphatic diisocyanates // Rubber World. 1995. Apr.
     Coots R.J., Kolycheck E.G. TPU: the first commercial TPEs // Rubber World. 1993. Apr. P. 19-21, 30.
     Costa F.R., Dutta N.K., Choudhury N.R., Bhowmick A.K. Thermoplastic elastomers // Current topics in elastomers research / Ed. by A.K. Bhowmick. CRC Press (Taylor & Francis Group), 2008. P. 101-164.
     DiBattista G., Peerlings H.W.I., Kaufhold W. Aliphatic TPUs for light-stable applications // Rubber World. 2003. March.
     DiBattista G., Gestermann E., Brauer W. Next generation of soft TPUs // Rubber World. 2004. Dec.
     DiBattista G., Gestermann E., Braeuer W. Next generation of soft TPUs // SPE ANTEC Tech. Papers. 2005. V. 51. P. 3594-3602.
     Ehrlich B.S., Farrissey W.J., Goldwasser D.J., Oertel R.W., Onder K. A high-impact polyurethane engineering thermoplastic // J. Elastom. Plast. 1984. V. 16. P. 136-146.
     Esposito L. Wider niche for TPUs // Mach. Des. 2007. Oct. 11. P. 90-92.
     Gedeon B.J. Anisotropy in thermoplastic elastomers // Rubber World. 1998. Oct.

     Grande J.A. Slush-molded TPUs challenge PVC for auto instrument-panel skins // Mod. Plast. Int. 1998. July. P. 30-31.
     Holden G. Thermoplastic elastomers // Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology. 4 th edition. 27 volumes. John Wiley & Sons, 1998. V. 9. 543 p. P. 11-22.
     Holden G. Understanding thermoplastic elastomers. – Munich: Hanser, Hanser Gardner, 2000.
     Holden G. Elastomers, thermoplastic // Encyclopedia of polymer science and technology. 3rd edition. 12 volumes /Ed. by. H.F. Mark. V. 6. John Wiley & Sons, 2004. P. 63-88.
     Hoodbhoy A.I. New dimensions in automotive use of thermoplastic urethane elastomers // J. Elastom. Plast. 1974. V. 6. P. 269-275.
     Hudson J.A. Injection molding thermoplastic elastomers // Rubber World. 1989. July.
     Hudson J.A. Injection molding thermoplastic elastomers // Rubber World. 1991. July.
     Kresge E.N. Synthesis and morphology of TPEs // Rubber World. 1993. May.
     Krol P. Linear polyurethanes: Synthesis methods, chemical structures, properties and applications. –Leiden, Boston: VSP, 2008. 270 p.

     Mapleston P. Multifaceted TPU formulations expand performance envelope // Mod. Plast. Int. 2000. Oct. P. 122-124.
     Marechal E. Creation and development of thermoplastic elastomers, and their position among organic materials // Handbook of condensation thermoplastic elastomers / Ed. by S. Fakirov. - Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2005. 619 p. P. 3-31.
    
Margolis J.M. Elastometic materials and processes // Modern plastics handbook / Ed. by Ch.A. Harper. McGraw-Hill, 2000. P. 3.1-3.52.
     Pigott K.A., Britain J.W., Archer W., Frye B.F., Cote R.J., Saunders J.H. New techniques in processing urethane elastomers // I & EC Prod. Res. Dev. 1962. V. 1, № 1. P. 28-31.

     Rees H. Mold Engineering. -Munich, Vienna, N.Y., Cincinnati: Hanser, Hanser Gardner, 2002. 688 p.
     Schollenberger C.S. Thermoplastic polyurethane elastomers // Handbook of elastomers / 2 nd edition. Ed. by A.K. Bhowmick, H.L. Stephens. – N.Y., Basel: Marcel Dekker, 2001. 922 p. Ch. 14. P. 387-415.
     Thermoplastic elastomers. 2nd edition / Ed. by G. Holden, N.R. Legge, R.P. Quirk, H.E. Schroeder. – Munich: Hanser, Hanser Gardner, 1996.

    
           
Rambler's Top100       Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2018

Перепечатка публикаций сайта допускается только с разрешения авторов