热塑性聚氨酯(TPU)弹性体发泡成型研究进展
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∗ 通信作者 ｈｅｊｍ＠ ｍａｉｌ������ ｂｕｃｔ������ ｅｄｕ������ ｃｎ 作者简介: 杨昊运ꎬ １９９６ 年生ꎬ 在读硕士研究生ꎬ 研究方向为热塑性聚氨酯弹性体注射发泡成型ꎮ ｖｉｃｔｏｒｙａｎｇ９６＠ １６３������ ｃｏｍ
关键词: 热塑性聚氨酯ꎻ 发泡ꎻ 弹性体 ｄｏｉ: １０������ ３９６９ / ｊ������ ｉｓｓｎ������ １００５－５７７０������ ２０１９������ ０４������ ００２ 中图分类号: ＴＱ３３４ 文献标识码: Ａ 文章编号: １００５－５７７０ (２０１９) ０４－００１１－０４
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅꎻ Ｆｏａｍｉｎｇꎻ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ
热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体又被称为热塑性聚氨酯橡 胶ꎬ 属于嵌段聚合物ꎬ 由热力学不相容的硬段 ( 异氰酸酯) 和软段 (聚酯和聚醚) 组成ꎬ 是一类加热可以塑化、 加入溶 剂可以溶解的弹性体ꎬ 存在两相微观结构ꎬ 其分子链基本都 是线型的ꎬ 有一定量或少量的物理交联[１－２] ꎮ
第 ４７ 卷第 ４ 期 ２０１９ 年 ４ 月
塑料工业 ＣＨＩＮＡ ＰＬＡＳＴＩＣＳ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
������１１������
热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体发泡成型研究进展
杨昊运ꎬ 何继敏∗ꎬ 邵翠映ꎬ 安紫娟
( 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所ꎬ 北京 １０００２９)
摘要: 介绍了制备热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体发泡材料的物理发泡法和化学发泡法ꎬ 对热塑性聚氨酯弹性体的 挤出发泡成型、 注塑发泡成型的研究进展做了总结ꎬ 最后对热塑性聚氨酯弹性体发泡的未来研究方向做了展望ꎮ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ( ＴＰＵ) Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ
ＹＡＮＧ Ｈａｏ￣ｙｕｎꎬ ＨＥ Ｊｉ￣ｍｉｎꎬ ＳＨＡＯ Ｃｕｉ￣ｙｉｎｇꎬ ＡＮ Ｚｉ￣ｊｕａｎ
( Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９ꎬ Ｃｈｉｎａ)
ＴＰＵ 具有优良的物理力学性能ꎬ 如高强度、 高韧性、 高弹 性、 高模量ꎬ 还具有耐化学腐蚀、 耐磨、 耐油、 减震能力强等优 异的综合性能ꎬ 加工性能好ꎬ 被广泛应用于国防、 医疗、 食品、 汽车、 服饰等行业[３－４] ꎮ
国内外学者针对 ＴＰＵ 的发泡成型做了大量的研究ꎬ 本文 主要从物理发泡法、 化学发泡法两个方面对 ＴＰＵ 发泡材料的 研究进展进行详细地介绍ꎮ
材料引起了人们的极大兴趣ꎮ 超临界 ＣＯ２ 的绿色无毒、 价格 低廉的特性 使 其 非 常 适 合 替 代 对 环 境 有 很 大 影 响 的 有 机 发
泡剂[５] ꎮ １) ＴＰＵ 的间歇发泡 骆 君[６] 选 用 聚 酯 型 ＴＰＵ ( ＤＰ３０７０Ａ ) 和 聚 醚 型 ＴＰＵ
( Ｅｌａｓｔｏｌｌａｎ １１７０Ａ) ꎬ 以超临界 ＣＯ２ 为发泡剂ꎬ 通过间歇法制 备 ＴＰＵ 发泡珠粒ꎬ 研究饱和压力、 温度和时间对其发泡倍率、 表观形态的影响ꎮ 实验得出ꎬ 聚酯型 ＴＰＵ 发泡成型的最佳工 艺条件是: 发泡温度 ８５ ℃ ꎬ 饱和压力 １２ ＭＰａꎬ 发泡时间 ２ ｈꎬ 最终的发泡倍率为 ４������ ２０ 倍ꎬ 泡孔密度为 １������ ２１×１０８ 个 / ｃｍ３ ꎻ 聚 醚型 ＴＰＵ 发泡的最佳工艺条件是: 发泡温度 １０５ ℃ ꎬ 饱和压 力 １２ ＭＰａꎬ 发泡时间 ２ ｈꎬ 最终的发泡倍率为 ４������ １２ 倍ꎬ 泡孔 密度为 ８������ ７５×１０７ 个 / ｃｍ３ ꎮ
马文良[７] 使用超临界 ＣＯ２ 作发泡剂ꎬ 采用间歇式泄压升 温法制备 ＴＰＵ 发泡颗粒ꎬ 在反应釜中注入 ＣＯ２ ꎬ 加温 加 压ꎬ 使 ＣＯ２ 达到 超 临 界 状 态ꎬ 充 分 渗 透 于 ＴＰＵ 颗 粒 内 部ꎬ 形 成 ＴＰＵ / ＣＯ２ 均相体系ꎬ 当 ＣＯ２ 达到过饱和状态时ꎬ 泄压加热升 温ꎬ ＴＰＵ 颗粒就会发泡膨胀ꎬ 得到 ＴＰＵ 发泡颗粒ꎮ 改变工艺 条件会得到不同密度、 发泡倍率的材料ꎬ 研究发现当 ＣＯ２ 的 渗透温度为 ４０ ℃ 时ꎬ ＴＰＵ 发泡材料的密度最低ꎬ 为 ０������ １９ ｇ / ｃｍ３ ꎮ 此外ꎬ 他们还提出一种可行的加热发泡方式———高温水 蒸气加热发泡ꎬ 当水蒸气加热的温度为 １１０ ℃ 时ꎬ ＴＰＵ 发泡 材料的密度可达 ０������ １８ ｇ / ｃｍ３ ꎮ
１ ＴＰＵ 的物理发泡法
物理发泡法是在聚合物基体中加入物理发泡剂ꎬ 使其完 全溶解于熔融状态下的聚合物中ꎬ 通过挤出、 注射等ꎬ 成型 发泡制品ꎮ 常用的物理发泡剂有超临界二氧化碳 ( ＣＯ２ ) 、 超 临界氮气 ( Ｎ２ ) 等ꎮ
１������ １ 使用单一发泡剂
１������ １������ １ 使用超临界二氧化碳作为发泡剂 近年来ꎬ 使用超临界 ＣＯ２ 作为发泡剂产生的聚合物泡沫
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｗｏ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ( ＴＰＵ) ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｆｏａｍｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ ＴＰＵ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ.
∗ 通信作者 ｈｅｊｍ＠ ｍａｉｌ������ ｂｕｃｔ������ ｅｄｕ������ ｃｎ 作者简介: 杨昊运ꎬ １９９６ 年生ꎬ 在读硕士研究生ꎬ 研究方向为热塑性聚氨酯弹性体注射发泡成型ꎮ ｖｉｃｔｏｒｙａｎｇ９６＠ １６３������ ｃｏｍ
关键词: 热塑性聚氨酯ꎻ 发泡ꎻ 弹性体 ｄｏｉ: １０������ ３９６９ / ｊ������ ｉｓｓｎ������ １００５－５７７０������ ２０１９������ ０４������ ００２ 中图分类号: ＴＱ３３４ 文献标识码: Ａ 文章编号: １００５－５７７０ (２０１９) ０４－００１１－０４
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅꎻ Ｆｏａｍｉｎｇꎻ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ
热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体又被称为热塑性聚氨酯橡 胶ꎬ 属于嵌段聚合物ꎬ 由热力学不相容的硬段 ( 异氰酸酯) 和软段 (聚酯和聚醚) 组成ꎬ 是一类加热可以塑化、 加入溶 剂可以溶解的弹性体ꎬ 存在两相微观结构ꎬ 其分子链基本都 是线型的ꎬ 有一定量或少量的物理交联[１－２] ꎮ
第 ４７ 卷第 ４ 期 ２０１９ 年 ４ 月
塑料工业 ＣＨＩＮＡ ＰＬＡＳＴＩＣＳ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
������１１������
热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体发泡成型研究进展
杨昊运ꎬ 何继敏∗ꎬ 邵翠映ꎬ 安紫娟
( 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所ꎬ 北京 １０００２９)
摘要: 介绍了制备热塑性聚氨酯 ( ＴＰＵ) 弹性体发泡材料的物理发泡法和化学发泡法ꎬ 对热塑性聚氨酯弹性体的 挤出发泡成型、 注塑发泡成型的研究进展做了总结ꎬ 最后对热塑性聚氨酯弹性体发泡的未来研究方向做了展望ꎮ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ( ＴＰＵ) Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ
ＹＡＮＧ Ｈａｏ￣ｙｕｎꎬ ＨＥ Ｊｉ￣ｍｉｎꎬ ＳＨＡＯ Ｃｕｉ￣ｙｉｎｇꎬ ＡＮ Ｚｉ￣ｊｕａｎ
( Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９ꎬ Ｃｈｉｎａ)
ＴＰＵ 具有优良的物理力学性能ꎬ 如高强度、 高韧性、 高弹 性、 高模量ꎬ 还具有耐化学腐蚀、 耐磨、 耐油、 减震能力强等优 异的综合性能ꎬ 加工性能好ꎬ 被广泛应用于国防、 医疗、 食品、 汽车、 服饰等行业[３－４] ꎮ
国内外学者针对 ＴＰＵ 的发泡成型做了大量的研究ꎬ 本文 主要从物理发泡法、 化学发泡法两个方面对 ＴＰＵ 发泡材料的 研究进展进行详细地介绍ꎮ
材料引起了人们的极大兴趣ꎮ 超临界 ＣＯ２ 的绿色无毒、 价格 低廉的特性 使 其 非 常 适 合 替 代 对 环 境 有 很 大 影 响 的 有 机 发
泡剂[５] ꎮ １) ＴＰＵ 的间歇发泡 骆 君[６] 选 用 聚 酯 型 ＴＰＵ ( ＤＰ３０７０Ａ ) 和 聚 醚 型 ＴＰＵ
( Ｅｌａｓｔｏｌｌａｎ １１７０Ａ) ꎬ 以超临界 ＣＯ２ 为发泡剂ꎬ 通过间歇法制 备 ＴＰＵ 发泡珠粒ꎬ 研究饱和压力、 温度和时间对其发泡倍率、 表观形态的影响ꎮ 实验得出ꎬ 聚酯型 ＴＰＵ 发泡成型的最佳工 艺条件是: 发泡温度 ８５ ℃ ꎬ 饱和压力 １２ ＭＰａꎬ 发泡时间 ２ ｈꎬ 最终的发泡倍率为 ４������ ２０ 倍ꎬ 泡孔密度为 １������ ２１×１０８ 个 / ｃｍ３ ꎻ 聚 醚型 ＴＰＵ 发泡的最佳工艺条件是: 发泡温度 １０５ ℃ ꎬ 饱和压 力 １２ ＭＰａꎬ 发泡时间 ２ ｈꎬ 最终的发泡倍率为 ４������ １２ 倍ꎬ 泡孔 密度为 ８������ ７５×１０７ 个 / ｃｍ３ ꎮ
马文良[７] 使用超临界 ＣＯ２ 作发泡剂ꎬ 采用间歇式泄压升 温法制备 ＴＰＵ 发泡颗粒ꎬ 在反应釜中注入 ＣＯ２ ꎬ 加温 加 压ꎬ 使 ＣＯ２ 达到 超 临 界 状 态ꎬ 充 分 渗 透 于 ＴＰＵ 颗 粒 内 部ꎬ 形 成 ＴＰＵ / ＣＯ２ 均相体系ꎬ 当 ＣＯ２ 达到过饱和状态时ꎬ 泄压加热升 温ꎬ ＴＰＵ 颗粒就会发泡膨胀ꎬ 得到 ＴＰＵ 发泡颗粒ꎮ 改变工艺 条件会得到不同密度、 发泡倍率的材料ꎬ 研究发现当 ＣＯ２ 的 渗透温度为 ４０ ℃ 时ꎬ ＴＰＵ 发泡材料的密度最低ꎬ 为 ０������ １９ ｇ / ｃｍ３ ꎮ 此外ꎬ 他们还提出一种可行的加热发泡方式———高温水 蒸气加热发泡ꎬ 当水蒸气加热的温度为 １１０ ℃ 时ꎬ ＴＰＵ 发泡 材料的密度可达 ０������ １８ ｇ / ｃｍ３ ꎮ
１ ＴＰＵ 的物理发泡法
物理发泡法是在聚合物基体中加入物理发泡剂ꎬ 使其完 全溶解于熔融状态下的聚合物中ꎬ 通过挤出、 注射等ꎬ 成型 发泡制品ꎮ 常用的物理发泡剂有超临界二氧化碳 ( ＣＯ２ ) 、 超 临界氮气 ( Ｎ２ ) 等ꎮ
１������ １ 使用单一发泡剂
１������ １������ １ 使用超临界二氧化碳作为发泡剂 近年来ꎬ 使用超临界 ＣＯ２ 作为发泡剂产生的聚合物泡沫
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｗｏ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ( ＴＰＵ) ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｆｏａｍｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏａｍｉｎｇ ｏｆ ＴＰＵ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ.