Qu'est-ce qu'un élastomère thermoplastique en polyuréthane ?

Qu'est-ce qu'un élastomère thermoplastique en polyuréthane ?

L'élastomère de polyuréthane est une variété de matériaux synthétiques en polyuréthane (d'autres variétés désignent la mousse de polyuréthane, l'adhésif polyuréthane, le revêtement polyuréthane et la fibre de polyuréthane), et l'élastomère thermoplastique de polyuréthane est l'un des trois types d'élastomères de polyuréthane, communément appelé TPU (les deux autres principaux types d'élastomères de polyuréthane sont les élastomères de polyuréthane coulés, abrégés en CPU, et les élastomères de polyuréthane mixtes, abrégés en MPU).

Le TPU est un élastomère de polyuréthane plastifiable par chauffage et soluble dans un solvant. Contrairement au CPU et au MPU, le TPU présente peu ou pas de réticulation chimique dans sa structure. Sa chaîne moléculaire est essentiellement linéaire, mais comporte néanmoins un certain degré de réticulation physique. Il s'agit d'un élastomère thermoplastique de polyuréthane à la structure très caractéristique.

Structure et classification des TPU

L'élastomère thermoplastique polyuréthane est un polymère linéaire à blocs (AB). A représente un polyol (ester ou polyéther, masse moléculaire de 1000 à 6000) de masse moléculaire élevée, appelé chaîne longue ; B représente un diol contenant de 2 à 12 atomes de carbone à chaîne linéaire, appelé chaîne courte.

Dans la structure d'un élastomère thermoplastique polyuréthane (TPU), le segment A, dit souple, est caractérisé par sa flexibilité et sa douceur, conférant ainsi au TPU son extensibilité. La chaîne d'uréthane, issue de la réaction entre le segment B et l'isocyanate, est appelée segment rigide et possède à la fois des propriétés de dureté et de rigidité. En ajustant le rapport des segments A et B, on obtient des produits en TPU aux propriétés physiques et mécaniques variées.

Selon la structure de leur segment souple, on distingue les types polyester, polyéther et butadiène, qui contiennent respectivement des groupes ester, éther ou butène. Selon la structure de leur segment rigide, on distingue les types uréthane et uréthane-urée, obtenus respectivement à partir d'allongeurs de chaîne d'éthylène glycol ou de diamine. La classification courante oppose les types polyester et polyéther.

Quelles sont les matières premières nécessaires à la synthèse du TPU ?

(1) Polymère diol

Le diol macromoléculaire, dont le poids moléculaire varie de 500 à 4000, et les groupes bifonctionnels, présents à une concentration de 50 % à 80 % dans l'élastomère TPU, jouent un rôle décisif dans les propriétés physiques et chimiques du TPU.

Le polymère diol adapté à l'élastomère TPU peut être divisé en polyester et polyéther : le polyester comprend le polytétraméthylène glycol d'acide adipique (PBA) ε PCL, PHC ; les polyéthers comprennent le polyoxypropylène éther glycol (PPG), le tétrahydrofurane polyéther glycol (PTMG), etc.

(2) Diisocyanate

Bien que de faible masse moléculaire, ce diisocyanate possède des propriétés fonctionnelles remarquables. Il assure la liaison entre les segments souples et rigides et confère au TPU d'excellentes propriétés physico-mécaniques. Parmi les diisocyanates utilisables avec le TPU, on trouve : le diisocyanate de méthylène diphényle (MDI), le bis(4-cyclohexyl)isocyanate de méthylène (HMDI), le p-phényldiisocyanate (PPDI), le 1,5-naphtalène diisocyanate (NDI) et le p-phényldiméthyl diisocyanate (PXDI).

(3) Rallonge de chaîne

L'allongeur de chaîne, de masse moléculaire comprise entre 100 et 350, appartenant à la famille des diols à faible masse moléculaire, présentant une structure à chaîne ouverte et dépourvu de groupe substituant, favorise l'obtention d'un TPU à haute dureté et à masse volumique élevée. Parmi les allongeurs de chaîne adaptés au TPU, on peut citer le 1,4-butanediol (BDO), le 1,4-bis(2-hydroxyéthoxy)benzène (HQEE), le 1,4-cyclohexanediméthanol (CHDM) et le p-phényldiméthylglycol (PXG).

Application de modification du TPU en tant qu'agent de renforcement

Afin de réduire les coûts de production et d'obtenir des performances supplémentaires, les élastomères thermoplastiques de polyuréthane peuvent être utilisés comme agents de renforcement couramment utilisés pour renforcer divers matériaux thermoplastiques et en caoutchouc modifié.

Grâce à sa forte polarité, le polyuréthane est compatible avec les résines ou caoutchoucs polaires, comme le polyéthylène chloré (CPE), et peut être utilisé pour la fabrication de dispositifs médicaux. Mélangé à l'ABS, il peut remplacer les thermoplastiques techniques. Associé au polycarbonate (PC), il présente des propriétés de résistance aux huiles, aux carburants et aux chocs, et peut servir à la fabrication de carrosseries automobiles. Combiné au polyester, sa ténacité est améliorée. De plus, il est compatible avec le PVC, le polyoxyméthylène et le PVDC. Le polyuréthane polyester est compatible avec 15 % de caoutchouc nitrile ou un mélange 40 % caoutchouc nitrile/PVC. Le polyuréthane polyéther est également compatible avec un adhésif composé de 40 % de caoutchouc nitrile et de polychlorure de vinyle. Il est aussi compatible avec les copolymères d'acrylonitrile styrène (SAN). Enfin, il peut former des réseaux interpénétrés (IPN) avec des polysiloxanes réactifs. La grande majorité des adhésifs mélangés mentionnés ci-dessus sont déjà commercialisés.

Ces dernières années, la recherche sur le renforcement du POM par le TPU s'est intensifiée en Chine. Le mélange de TPU et de POM améliore non seulement la résistance aux hautes températures et les propriétés mécaniques du TPU, mais renforce également considérablement le POM. Des études ont montré que, lors d'essais de traction, l'alliage POM-TPU présente une transition d'une rupture fragile à une rupture ductile, comparativement à la matrice POM seule. L'ajout de TPU confère également au POM des propriétés de mémoire de forme. La région cristalline du POM constitue la phase fixe de l'alliage, tandis que la région amorphe du TPU et du POM amorphes constitue la phase réversible. Pour une température de récupération de 165 °C et un temps de récupération de 120 secondes, le taux de récupération de l'alliage dépasse 95 %, ce qui représente un effet de récupération optimal.

Le TPU est difficilement compatible avec les polymères non polaires tels que le polyéthylène, le polypropylène, le caoutchouc éthylène-propylène, le caoutchouc butadiène, le caoutchouc isoprène ou les poudres de caoutchouc recyclé, et ne peut donc être utilisé pour produire des composites performants. C'est pourquoi des traitements de surface comme le plasma, l'effet corona, la chimie en solution, l'application d'un primaire, la flamme ou le traitement par gaz réactif sont souvent employés. Par exemple, la société américaine Air Products and Chemicals a appliqué un traitement de surface par gaz actif F₂/O₂ à une fine poudre de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (3 à 5 millions) et l'a incorporée à un élastomère de polyuréthane à raison de 10 %, ce qui améliore significativement son module de flexion, sa résistance à la traction et sa résistance à l'usure. Ce traitement F₂/O₂ peut également être appliqué à des fibres courtes orientées de 6 à 35 mm de longueur, améliorant ainsi la rigidité et la ténacité à la déchirure du matériau composite.

Quels sont les domaines d'application du TPU ?

En 1958, la société Goodrich Chemical Company (aujourd'hui Lubrizol) a déposé la marque TPU Estane. Au cours des 40 dernières années, plus de 20 marques ont été commercialisées à travers le monde, chacune proposant plusieurs gammes de produits. Actuellement, les principaux fabricants de matières premières TPU au monde sont : BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, etc.

Élastomère de haute qualité, le TPU trouve de nombreuses applications dans des produits dérivés largement utilisés dans les articles de consommation courante, les articles de sport, les jouets, les matériaux de décoration et bien d'autres domaines. Voici quelques exemples.

① Matériaux pour chaussures

Le TPU est principalement utilisé dans la fabrication de chaussures en raison de son excellente élasticité et de sa résistance à l'usure. Les chaussures contenant du TPU sont beaucoup plus confortables que les chaussures classiques ; c'est pourquoi on le retrouve plus fréquemment dans les chaussures haut de gamme, notamment certaines chaussures de sport et de ville.

② Tuyaux

Grâce à leur souplesse, leur bonne résistance à la traction, leur résistance aux chocs et leur résistance aux hautes et basses températures, les tuyaux en TPU sont largement utilisés en Chine comme tuyaux de gaz et d'huile pour les équipements mécaniques tels que les avions, les réservoirs, les automobiles, les motos et les machines-outils.

③ Câble

Le TPU offre une résistance à la déchirure, à l'usure et à la flexion, sa résistance aux hautes et basses températures étant essentielle à la performance des câbles. Ainsi, sur le marché chinois, les câbles de pointe, tels que les câbles de commande et d'alimentation, utilisent le TPU pour protéger les matériaux de revêtement des câbles complexes, et leurs applications se généralisent.

④ Dispositifs médicaux

Le TPU est un matériau de substitution au PVC sûr, stable et de haute qualité, exempt de phtalates et autres substances chimiques nocives. Il ne migre pas dans le sang ou les autres liquides contenus dans les cathéters ou poches médicales, évitant ainsi tout effet indésirable. De plus, les TPU extrudés et injectés, spécialement développés, s'intègrent facilement, moyennant quelques ajustements, aux équipements PVC existants.

⑤ Véhicules et autres moyens de transport

En extrudant et en enduisant les deux faces d'un tissu en nylon d'un élastomère thermoplastique de polyuréthane, on peut fabriquer des radeaux de combat gonflables et des radeaux de reconnaissance pouvant transporter de 3 à 15 personnes, avec des performances bien supérieures à celles des radeaux gonflables en caoutchouc vulcanisé ; l'élastomère thermoplastique de polyuréthane renforcé de fibres de verre peut être utilisé pour fabriquer des composants de carrosserie tels que des pièces moulées sur les deux côtés de la voiture elle-même, des panneaux de porte, des pare-chocs, des bandes antifriction et des grilles.