热塑性聚氨酯弹性体(TPU)及生产设备

浅谈热塑性聚氨酯弹性体（TPU）母料的生产技术及设备

温州飞龙机电设备工程有限公司陈鑫实

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摘要：本文简介了热塑性聚氨酯弹性体（TPU）母料的生产工艺有主要设备。

关键词：TPU、双螺栓连续法、传送床连续法。

热塑性聚氨酯弹性体（TPU），是由低聚物多元醇软段与二异氰酸酯—扩链剂硬段构成的线性嵌段共聚物。它和其他热塑性塑料相似，室温下具有橡胶弹性和塑料特性，高温下会熔成粘流体，可由注塑机加工（如挤出、注射、压延、吹塑、模压等），无需混炼与硫化等后处理工艺，可节约能量，且制品可回收再利用。TPU是加热可塑化，溶剂可溶解的聚氨酯弹性体。与MPU（混炼型聚氨酯弹性体）和CPU（浇注型聚氨酯弹性体）比较，化学结构上没有或少有化学交联，分子基本上是线性的，而存在一定的物理交联。它具有高模量、高强度、高伸长和高弹性。优良的耐磨、耐油、耐低温、耐老化性能。可用一般塑料加工方法生产各种制品，废料可回收利用，可广泛使用助剂与填料，以改善某些物理性能、加工性能或降低成本。

1、分类：

1.1按结构特点分：（1）全热塑型：分子之间不存在化学交联链，仅有以氢键为主的物理交联键，可溶于DMF等溶剂，其异氰酸酯指数（NCO/OH）r0≤1。

（2）半热塑型：分子之间含有少量脲基甲酸酯化学交联剂键，是热塑性和热固性的聚合物，由于其颗粒中存有少量异氰酸酯基，故贮存中必须避免接触水分。为使制品成型后的交联反应趋于完全，须进行加热熟化，其再生利用较难（其化学键在150℃以上时会断裂，才能复用）但少量的化学交联键的存在对改善制品的压缩永久变形和耐化学品性能有所改进。

1.2按制备的原料分：（1）聚酯型：其耐热与机械性能比聚醚型优越。

（2）聚醚型：指以PPG或PTMG为原料制成的TPU，PPG型物性较差，较少实用，而PTMG 型价格较高，仅用于一些特需之处。

2、原料和配方：

2.1原料

2.1.1聚醇

1）聚酯多元醇（PES）

聚己二酸乙二醇酯，Mn 2000，羟值55±3 mgKOH/g（PEA-2000）

聚己二酸乙二醇丁二醇酯Mn 2000，羟值56±3 mgKOH/g（PEB-2000）

2）聚醚多元醇（PET）

①聚氧化丙烯二醇二醇（PPG）Mn 2000，羟值56±3 mgKOH/g

②聚四氧呋喃二醇（PTMG）Mn 2000，羟值56±3 mgKOH/g。

2.1.2二异氰酸酯，常用MDI（价格较低，来源方便，全面的经济技术效果好），它具有环状、紧

密、对称的核能加强TPU物性。二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）（芳香族）纯MDI在常温下为白色或微黄色固体，加热时有刺激性臭味，熔点≥38℃，沸点194~199℃/5mmHg，密度：

1.19。分子式及分子量：C15H10N2O2；250

2.1.3扩链剂（低分子二醇）：

1，4丁二醇（BDO）（脂肪开链二醇）

为无色油状液体，极易吸水，相对分子量M=90.1、密度1.02，沸点：229.5℃，熔点20.1℃

2.2配方：

PES（M W2000，二官能度）1摩尔

MDI 3摩尔

BDO 2摩尔

异氰酸酯指数R=（NCO/OH）=0.97~1.03

性能：密度 1.2 硬度（邵A）70-95

拉伸强度MPa 35-40 300%模量MPa 3-18

伸长率% 450-700

磨耗（克损失）0.0025~0.15 脆化温度-17~-30℃

3、生产方法：

3.1一步法：用既定原料，在一定的设备中，将聚酯、MDI、BDO三种按一定配比混合制成TPU，若用二组份：常将MDI为一个组份，聚酯和BDO混合成一个组份。

3.2预聚体法：先将聚酯和MDI预聚，再用BDO扩链而生成TPU，按理论上它可使刚性和柔性链段分布均匀，TPU物性较佳，但实际工业生产中很难做到，存在下列问题：1）由于MDI比较活泼，在预聚体制作中，粘结反应釜壁严重，清理困难，使传热效率降低，延长了操作时间；2）预聚体法生产周期长，生产效率低，不适用于工业，仅适合实验室操作。3）预聚体法能源耗费高，生产成本较高；4）由于MDI预聚体粘壁会产副反应，打乱了-NCO和OH的含量比，使制成TPU 物性达不到原先的要求。

3.3按以上所述，目前TPU母料的工业化生产以采用一步法为宜。

4、生产工艺：

4.1双螺杆连续法：

4.1.1生产工艺：

将高分子聚酯二醇（PES）熔化后加入A料罐，加热到要求料温（100~120℃）后在低速搅拌下真空脱水2~3h，使之含水量＜0.05%，解除真空通氮气后备用；

将MDI熔化后加入B料罐，加热到要求温度（60~70℃）后在低速搅拌下真空脱气0.5~1h，使之达到要求后，解除真空并通氮气后备用；

将低分子二醇（BDO）加入C料罐加热到要求温度（30~50℃）后在低速搅拌下真空脱水0.5~1h，使之含水量达到要求后，解除真空并通氮气后备用。

为了给浇注机各计量泵的连续供料，每个组份均设有相同规格两套料罐，以便作到一个真空脱水，另一个给计量泵供料。

各组原液按配方要求通过计量泵的精确计量输到浇注头，在高速搅拌下进行均匀初混合后，输至双螺反应挤出机使其进一步混合均匀和化学反应，再进行切粒和筛分等。

4.1.2工艺过程（采用双螺杆连续化工艺）

（1）TPU浇注机

①原料处理：使原料熔化，达到要求温度和脱气，为了作到连续生产，设备两组

贮罐，以便分别进行脱气和供料。

②计量及混合：对各组份进行连续精确计量和初步混合。

（2）双螺杆反应挤出机：物料的进一步混合和化学反应及输送。（双轴同向旋转、完全啮合，具有自清洁作用）

具有下列特点：

①在高温高压下进行反应（温度140~250℃，压力4~7MPa）可确保副反应降到最低限度，高

压可抑制带有气体的分解反应。

②使低分子量齐聚物（~1500g/mol）的质量分数降到最低（~0.36%）

③相对运动的两螺杆间应有较高的剪切速度梯度（＞2000S-1）使物料良好混合，均质完全，

使其反应均匀，不会出现局部凝胶。捏合次数可达7~15次/S。

④要求料筒各段温度控制必须均匀而准确，并备快速加热和冷却功能，应具有良好的传热效

率。各段控温参数举例：

一段温控80~180℃六段温控150~210℃

二段温控100~200℃七段温控140~200℃

三段温控150~210℃八段温控100~190℃

四段温控150~210℃九段温控90~200℃