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熱可塑性ポリウレタン( TPU ) は、弾力性、透明性、油、グリース、摩耗に対する耐性など、多くの特性を持つポリウレタン プラスチックの一種です。技術的には、ハード セグメントとソフト セグメントからなる線状セグメント化ブロック コポリマーからなる熱可塑性エラストマーです。
化学
TPU は、(1)ジイソシアネートと短鎖ジオール(いわゆる鎖延長剤) および (2) ジイソシアネートと長鎖ジオールの反応によって形成される、ハードセグメントとソフトセグメントまたはドメインの交互配列からなるブロック共重合体です。反応化合物の比率、構造、および/または分子量を変えることで、多種多様な TPU を製造できます。これにより、ウレタン化学者はポリマーの構造を材料の望ましい最終特性に合わせて微調整できます。
形態学
TPU 樹脂は、ブロック構造の線状ポリマー鎖で構成されています。このような鎖には、比較的長い低極性セグメント (ソフトセグメントと呼ばれる) と、より短く高極性のセグメント (ハードセグメントと呼ばれる) が交互に含まれています。両方のタイプのセグメントは共有結合によってリンクされているため、実際にはブロックコポリマーを形成します。TPU のハードセグメントとソフトセグメントの混和性は、動的機械スペクトルによって識別可能なミクロブラウン運動の開始時に発生するガラス転移温度 (Tg) [1]の差に依存します。非混和性の TPU の場合、損失弾性率スペクトルは通常、2 つのピークを示し、それぞれが 1 つの成分の Tg に割り当てられます。2 つの成分が混和する場合、TPU は、純粋な成分の 2 つの元の Tg ピークの間に位置する単一の広いピークによって特徴付けられます。
硬い部分の極性により、硬い部分の間に強い引力が生まれ、この相に高度な凝集と秩序が生じ、柔らかく柔軟なマトリックス内に結晶または疑似結晶領域が形成されます。両ブロック間のいわゆる相分離は、柔軟な鎖の極性と分子量、製造条件などに応じて、多かれ少なかれ重要になります。結晶または疑似結晶領域は物理的な架橋として機能し、TPU の高弾性レベルの原因となります。一方、柔軟な鎖はポリマーに伸長特性を与えます。
しかし、これらの「疑似架橋」は熱の影響で消失するため、これらの材料には従来の押し出し成形、射出成形、カレンダー加工法が適用できます。その結果、TPU スクラップは再処理できます。
用途
TPUは、自動車の計器パネル、キャスターホイール、電動工具、スポーツ用品、医療機器、駆動ベルト、履物、インフレータブルラフト、消防用ホース、緩衝ウェイトチップ、さまざまな押し出しフィルム、シート、プロファイルの用途など、多くの用途があります。[2] [3] TPUは、携帯電話やキーボードプロテクターなどのデバイスの柔軟な外装ケースにも使用されている人気の素材です。[4]
TPUは、電線やケーブルの被覆、ホースやチューブ、接着剤や繊維コーティング、他のポリマーの耐衝撃性改質剤としての用途でよく知られています。[5]また、耐衝撃性の高いガラス構造などの高性能フィルムにも使用されています。
TPU は、熱溶解積層法(FFD) 3D 印刷で使用される熱可塑性エラストマーです。反りがなくプライマーも不要なため、オブジェクトに柔軟性と弾力性が必要な場合、3D プリンターに最適なフィラメントです。TPU は熱可塑性であるため、3D プリンターのホットエンドで溶かして印刷し、冷却して弾性固体にすることができます。TPU パウダーは、選択的レーザー焼結法(SLS) や3D インクジェット印刷などの他の 3D 印刷プロセスにも使用されます。また、フィラメント押し出しや粉末準備の中間ステップなしで直接印刷するために、大型の垂直射出成形機や押し出し成形機でも使用されます。
市場におけるTPUの概要
市販されている TPU の特性は次のとおりです。
- 高い耐摩耗性
- 低温性能
- 高いせん断強度
- 高い弾力性
- 透明性
- 油やグリースに対する耐性
現在入手可能な TPU は、ソフト セグメントの化学に基づいて、主に 2 つのグループに分けられます。
- ポリエステルベースのTPU（主にアジピン酸 エステル由来）
- ポリエーテルベースのTPU（主にテトラヒドロフラン（THF）エーテルベース）。
これら 2 つのグループの違いは以下の表に示されています。
プロパティの表
表1：ポリエステル系TPUとポリエーテル系TPUの主な違い。[6]
(A = 優れている、B = 良い、C = 許容できる、D = 悪い、F = 非常に悪い)
TPU は、低温での柔軟性や耐摩耗性熱可塑性エラストマー(TPE) が求められる場合に適しています。ポリエーテルベースの TPU は、さらに優れた加水分解性と微生物耐性が必要な場合や、極低温での柔軟性が重要な場合に使用します。エステルベースの TPU は、耐油性と耐グリース性がより重要になる場合に使用します。
安定した明るい色と黄変しない性能が求められる場合は、脂肪族イソシアネートをベースとした脂肪族TPUが使用されます。
BASF は、液体架橋剤の添加または固体粒状添加剤マスターバッチの使用によって可能になった、TPU 変換中の架橋の先駆者です。植物由来のバイオ TPU は、BASF、Merquinsa-Lubrizol、GRECO によってグリーン熱可塑性エラストマー用途向けに開発され、それぞれ Elastollan N、Pearlthane ECO、Isothane として販売されています。
安全性
TPUにはシロキサンが含まれている可能性があり、その一部は欧州連合によって非常に懸念される物質とみなされています。 [7] [8]
参照
参考文献
- ^ Olagoke Olabisi、Lloyd M. Robeson、Montgomery T. Shaw (2012)。ポリマー間の混和性。アムステルダム：バーリントンエルゼビアサイエンス。ISBN 978-0-12-525050-4。[ページが必要]
- ^ 「Texin® 熱可塑性ポリウレタン (TPU) 樹脂」。Bayer Material Science。2011 年 7 月 26 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年 2 月 26 日閲覧。
- ^ 「熱可塑性ポリウレタン」。アメリカ化学協会。2012年2月26日閲覧。
- ^ Michael, John. 「TPUケース」. Cellz . 2014年11月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年11月13日閲覧。
- ^ http://pub.lubrizol.com/Engineered-Polymers/Markets/Industrial-Solutions [リンク切れ ]
- ^ 「Pearlthane」。Merquinsa、Lubrizol Company 。2013年1月31日閲覧。
- ^ ドルテ・ノルガード・アンデルセン;リーゼ・モラー;ヘレ・ブシャルド・ボイド。ジュリー・ボバーグ。マルタ・アクセルスタッド・ピーターセン。ソフィー・クリスチャンセン。ウラ・ハス。ピア・ブルン・ポールセン。マリア・シュトランデセン。ダニエラ・バッハ (2012)。妊娠中の消費者の内分泌かく乱物質の疑いへの曝露(PDF)。ミルジョスティレルセン。 p. 21.ISBN 978-87-92903-02-0。
- ^ 「認可対象候補物質リスト」ECHA . 2019年12月18日閲覧。