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

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

L'élastomère de polyuréthane est une variété de matériaux synthétiques de polyuréthane (d'autres variétés font référence à la mousse de polyuréthane, à l'adhésif de polyuréthane, au revêtement de polyuréthane et à la fibre de polyuréthane), et l'élastomère de polyuréthane thermoplastique est l'un des trois types d'élastomère de polyuréthane, les gens l'appellent communément 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 dissolvable par solvant. Comparé au CPU et au MPU, le TPU présente une structure chimique peu ou pas réticulée. Sa chaîne moléculaire est essentiellement linéaire, mais présente une certaine réticulation physique. Cet élastomère de polyuréthane thermoplastique présente une structure très caractéristique.

Structure et classification du TPU

L'élastomère polyuréthane thermoplastique est un polymère linéaire séquencé (AB). A représente un polyol polymère (ester ou polyéther, de masse moléculaire comprise entre 1 000 et 6 000) de masse moléculaire élevée, dit à longue chaîne ; B représente un diol contenant 2 à 12 atomes de carbone à chaîne droite, dit à chaîne courte.

Dans la structure de l'élastomère de polyuréthane thermoplastique, le segment A est appelé segment souple. Il présente des caractéristiques de flexibilité et de souplesse, conférant au TPU une extensibilité. La chaîne uréthane générée par la réaction entre le segment B et l'isocyanate est appelée segment dur, présentant à la fois des propriétés rigides et dures. En ajustant le rapport entre les segments A et B, on obtient des produits en TPU aux propriétés physiques et mécaniques différentes.

Selon la structure du segment souple, on distingue les polyesters, les polyéthers et les butadiènes, contenant respectivement des groupes ester, éther ou butène. Selon la structure du segment dur, on distingue les uréthanes et les uréthanes-urées, obtenus respectivement à partir d'allongeurs de chaîne éthylène glycol ou diamine. La classification courante est la suivante : polyesters et polyéthers.

Quelles sont les matières premières pour la synthèse du TPU ?

(1) Polymère diol

Le diol macromoléculaire avec un poids moléculaire allant de 500 à 4000 et des groupes bifonctionnels, avec une teneur de 50% à 80% dans l'élastomère TPU, joue 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 (PBA) ε PCL, PHC ; les polyéthers comprennent le polyoxypropylène éther glycol (PPG), le tétrahydrofurane polyéther glycol (PTMG), etc.

(2) Diisocyanate

Son faible poids moléculaire, mais sa fonction remarquable, assure non seulement la liaison entre les segments souples et durs, mais confère également au TPU de bonnes propriétés physiques et mécaniques. Les diisocyanates utilisables pour le TPU sont : le méthylène diphényl diisocyanate (MDI), le méthylène bis (-4-cyclohexyl isocyanate) (HMDI), le p-phényldiisocyanate (PPDI), le 1,5-naphtalène diisocyanate (NDI) et le p-phényldiméthyl diisocyanate (PXDI).

(3) Rallonge de chaîne

Les allongeurs de chaîne de masse moléculaire comprise entre 100 et 350, appartenant à la famille des diols, à faible masse moléculaire, à structure à chaîne ouverte et sans groupe substituant, permettent d'obtenir des TPU d'une dureté et d'une masse scalaire élevées. Parmi les allongeurs de chaîne adaptés au TPU, on trouve 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 comme agent de renforcement

Afin de réduire les coûts des produits et d'obtenir des performances supplémentaires, les élastomères thermoplastiques en polyuréthane peuvent être utilisés comme agents de durcissement couramment utilisés pour durcir divers matériaux thermoplastiques et en caoutchouc modifiés.

Grâce à sa polarité élevée, le polyuréthane est compatible avec les résines ou caoutchoucs polaires, tels que le polyéthylène chloré (CPE), qui peut être utilisé dans la fabrication de produits médicaux. Son mélange avec l'ABS peut remplacer les thermoplastiques techniques. Associé au polycarbonate (PC), il présente des propriétés telles que la résistance à l'huile, aux carburants et aux chocs, et peut être utilisé pour la fabrication de carrosseries automobiles. Associé au polyester, sa ténacité peut être améliorée. De plus, il est compatible avec le PVC, le polyoxyméthylène ou le PVDC. Le polyuréthane polyester est compatible avec un mélange de 15 % de caoutchouc nitrile ou de 40 % de caoutchouc nitrile/PVC. Le polyuréthane polyéther est également compatible avec un mélange de 40 % de caoutchouc nitrile/polychlorure de vinyle. Il est également compatible avec les copolymères acrylonitrile-styrène (SAN). Il peut former des structures en réseau interpénétrant (IPN) avec des polysiloxanes réactifs. La grande majorité des adhésifs mélangés mentionnés ci-dessus ont déjà été officiellement produits.

Ces dernières années, les recherches sur la trempe du POM par le TPU se sont multipliées en Chine. Le mélange de TPU et de POM améliore non seulement la résistance à haute température et les propriétés mécaniques du TPU, mais renforce également significativement le POM. Des chercheurs ont montré, lors d'essais de rupture par traction, que l'alliage POM-TPU est passé d'une rupture fragile à une rupture ductile par rapport à la matrice POM. L'ajout de TPU confère également au POM des propriétés de mémoire de forme. La zone cristalline du POM sert de phase fixe à l'alliage à mémoire de forme, tandis que la zone amorphe du TPU et du POM amorphes sert de phase réversible. Lorsque la température de réponse de récupération est de 165 °C et le temps de récupération de 120 secondes, le taux de récupération de l'alliage atteint plus de 95 %, et l'effet de récupération est optimal.

Le TPU est difficilement compatible avec les matériaux polymères non polaires tels que le polyéthylène, le polypropylène, le caoutchouc éthylène-propylène, le caoutchouc butadiène, le caoutchouc isoprène ou les déchets de caoutchouc en poudre. Il ne permet donc pas la production de composites performants. Par conséquent, des méthodes de traitement de surface telles que le plasma, l'effet corona, la chimie humide, l'apprêt, la flamme ou le gaz réactif sont souvent utilisées pour ces derniers. Par exemple, l'American Air Products and Chemicals Company a réalisé un traitement de surface au gaz actif F2/O2 sur une fine poudre de polyéthylène de masse moléculaire ultra-élevée (3 à 5 millions), puis l'a ajouté à un élastomère de polyuréthane à raison de 10 %, ce qui a permis d'améliorer significativement son module de flexion, sa résistance à la traction et sa résistance à l'usure. Ce traitement de surface au gaz actif F2/O2 peut également être appliqué aux fibres courtes à allongement directionnel de 6 à 35 mm de longueur, améliorant ainsi la rigidité et la résistance à la déchirure du matériau composite.

Quels sont les domaines d’application du TPU ?

En 1958, Goodrich Chemical Company (aujourd'hui rebaptisée Lubrizol) a déposé pour la première fois la marque TPU Estane. Au cours des 40 dernières années, plus de 20 marques ont vu le jour dans le monde, chacune proposant plusieurs gammes de produits. Aujourd'hui, les principaux fabricants mondiaux de matières premières TPU sont : BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, etc.

Excellent élastomère, le TPU offre une large gamme de produits en aval, largement utilisés dans les produits de première nécessité, les articles de sport, les jouets, les matériaux de décoration et bien d'autres domaines. Voici quelques exemples.

1 Matériaux des chaussures

Le TPU est principalement utilisé dans les chaussures en raison de son excellente élasticité et de sa résistance à l'usure. Les chaussures contenant du TPU sont beaucoup plus confortables à porter que les chaussures classiques ; elles sont donc plus largement utilisées dans les chaussures haut de gamme, notamment les chaussures de sport et les chaussures décontractées.

2 Tuyaux

En raison de sa douceur, de sa bonne résistance à la traction, de sa résistance aux chocs et de sa résistance aux températures élevées et basses, 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, la 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 de leurs conceptions complexes, et leurs applications se généralisent.

④ Dispositifs médicaux

Le TPU est un matériau de substitution au PVC sûr, stable et de haute qualité. Il ne contient ni phtalates ni autres substances chimiques nocives, et risque de migrer vers le sang ou d'autres liquides contenus dans le cathéter ou la poche médicale, provoquant ainsi des effets secondaires. De plus, le TPU spécialement développé pour l'extrusion et l'injection peut être facilement utilisé avec les équipements PVC existants, moyennant quelques ajustements.

⑤ Véhicules et autres moyens de transport

En extrudant et en enduisant les deux côtés du tissu en nylon avec un élastomère thermoplastique de polyuréthane, des radeaux d'attaque de combat gonflables et des radeaux de reconnaissance transportant 3 à 15 personnes peuvent être fabriqués, avec des performances bien meilleures que les radeaux gonflables en caoutchouc vulcanisé ; L'élastomère thermoplastique de polyuréthane renforcé de fibre de verre peut être utilisé pour fabriquer des composants de carrosserie tels que des pièces moulées des deux côtés de la voiture elle-même, des revêtements de porte, des pare-chocs, des bandes anti-friction et des grilles.