一文讀懂TPU，

（一）TPU的基本概念

熱塑性彈性體的分類

所謂彈性體，是指玻璃化溫度低于室溫度，斷裂伸長率>50%，外力撤除后復原性比較好的高分子材料。聚氨酯彈性體是彈性體中比較特殊的一大類，聚氨酯彈性體的硬度范圍很寬，性能范圍很寬，所以聚氨酯彈性體是介于橡膠和塑料的一類高分子材料。

熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic polyurethane) ：可加熱塑化，化學結構上沒有或很少交聯，其分子基本是線性的，然而卻存在一定的物理交聯。這類聚氨酯稱為TPU 。

（二）TPU的基本結構 

TPU基本結構（一級結構）

PU合成的反應和副反應比較復雜，但合成TPU 的最基本的反應是由多元醇和異氰酸酯反應生成氨酯基。由此類含有氨酯基的結構鏈段為重復單元，再配以長鏈多元醇和短鏈多元醇（擴鏈劑）組合成硬段軟段相間的分子鏈結構，就是TPU的基本結構。

（a)TPU的一級結構（重復單元化學結構）

TPU 的分子鏈結構（二級結構）：

大分子二元醇和異氰酸酯連接形成長分子鏈，因為分子鏈較長，表現為柔性，就成為在整個分子鏈中的軟段結構。短鏈二元醇（擴鏈劑）和異氰酸酯連接成短鏈結構，因為鏈短，表現為剛性，就成為分子鏈中的硬段結構。這樣硬段軟段相間的特殊結構賦予了TPU既有彈性又有不錯的機械性能，且可熱塑加工的特殊性能，從而使TPU作為介于塑料和橡膠之間的一個新類高分子材料得到廣泛應用。對于不同的大分子多元醇，擴鏈劑和多異氰酸酯的選擇搭配可制取品種繁多各種性能的TPU產品。

（b)TPU的二級結構（鏈段結構）

根據以上的基本結構，我們可以看出對于不同的應用范圍，TPU的配方和性能可進行非常多種類的排列組合。但是在現實設計配方和工業化生產時，卻會因為原材料（多元醇和多異氰酸酯以及擴鏈劑）相互的限制，從而使真正可用于很高端的應用的研發還是非常地困難。近年隨著更多種類異氰酸酯的開發成功，TPU的發展也正進入一個更高的階段。

（三）TPU的基本性能 

TPU作為彈性體是介于橡膠和塑料之間的一種材料，這從它的剛性可以看出來，TPU的剛性可由彈性模量來度量。

橡膠的彈性模量通常在1~10Mpa，TPU在10~1000Mpa，塑料（尼龍，ABS，PC，POM）在1000~10000Mpa。TPU的硬度范圍相當寬，從Shore A 60~Shore D 80。并且在整個硬度范圍內具有高彈性。TPU在很寬的溫度范圍內-40~120℃，具有柔性，而不需要增塑劑。TPU對油類（礦物油，動植物油脂和潤滑油）和許多溶劑有良好的抵抗能力。TPU還有良好的耐天候性，極優的耐高能射線性能。耐磨性，抗撕裂性，屈擾強度都是優良的；拉伸強度高，伸長率大，長期壓縮永久變形率低等都是TPU的顯著優點。

這里介紹的TPU性能包括三個方面：力學性能，物理性能和環境性能。

1. 力學性能：

TPU彈性體的力學性能主要包括：硬度，拉伸強度，壓縮性能，撕裂強度，回彈性和耐磨性能，耐屈擾性等。除此，還有較高剪切強度和沖擊功等。

（a）硬度

硬度是材料抵抗變形、刻痕和劃傷的能力的一種指標。TPU硬度通常用邵爾A（Shore A）和邵爾D（shore D）硬度計測定，邵爾A用于比較軟的TPU，邵爾D用于較硬的TPU。硬度主要由TPU結構中的硬段含量來決定，硬段含量越高，TPU的硬度就會隨之上升。硬度上升后，TPU的其他性能也會發生改變，拉伸模量和撕裂強度增加，剛性和壓縮應力（負荷能力）增加，伸長率降低，密度和動態生熱增加，耐環境性能增加。TPU的硬度與溫度存在一定關系。從室溫冷卻降溫至突變溫度（-4~-12℃），硬度無明顯變化。在突變溫度下，TPU硬度突然增加而變得很硬并失去彈性，這是由于軟段結晶作用的結果。

硬度與定伸應力和伸長率的關系以及硬度與撕裂強度的關系。隨著TPU硬度的增加，100%定伸應力和300%定伸應力迅速增加，伸長率下降。這是由于硬度的增加主要是由于硬段含量增加的結果。硬段含量高，其所形成硬段相越易形成次晶或結晶結構增加了物理交聯的數量而限制材料變形。若使材料變形必須提高應力，從而提高了定伸應力，同時伸長率下降。TPU硬度與撕裂強度的關系，隨硬度增加，撕裂強度迅速增加，其理由亦與模量的解釋相同。

（b）TPU的拉伸性能

拉伸性能是指單向拉伸，即應力-應變性能。從TPU的應力-應變曲線可以獲得這些信息：拉伸強度（Tensile Strength，單位: Mpa），斷裂伸長率 (Elongation, 單位: %)，定伸應力 (定伸模量，單位: Mpa)等等。

拉伸性能與溫度的關系，以Texin 480AR商品為例，兩組曲線分別為高溫(23~121℃)和低溫（0~50℃）的拉伸應力-應變曲線。不難看出，在23℃時它是彈性體，在121℃時成為軟橡膠，在-50℃又呈現彈性塑料。在應力不變情況下，拉伸應力隨溫度的增加而下降。這是由于TPU硬段微區隨著溫度增加而逐漸軟化，以及硬段軟段混合度的增加導致拉伸應力的下降。

拉伸應力與拉伸速度的關系。圖示，曲線1的拉伸速度為500mm/min，曲線2是50mm/min。拉伸速度的不同，拉伸曲線的斜率不同，尤其是伸長300℃以上時。伸長率固定時，拉伸速度慢的曲線1比曲線2有較高的模量，拉伸強度亦較高，這是由于拉伸過程硬段和軟段重新取向，所以慢速拉伸使TPU有充分時間取向，TPU的取向使其模量增加。所以在測試TPU樣品時，不同的拉伸速度測得的結果會有比較大的差異。

簡單討論TPU的拉伸強度和伸長率以及影響因素：表中給出了TPU彈性體與傳統彈性高分子材料的比較?？梢奣PU彈性體的拉伸強度和伸長率遠優于其他彈性高分子材料。而且TPU在加工過程中不加或很少加入助劑，能滿足食品工業的要求。

TPU與其他彈性體高分子材料的拉伸強度比較：

影響TPU拉伸強度及伸長率的因素：后硫化的影響；吸濕后的影響；TPU分子量的影響。

后硫化對TPU拉伸強度和伸長率的影響。TPU的性能強烈地受到微區形態的影響。在加熱處理或處理TPU的期間，發生相混合；而在快速冷卻時，出現相分離。TPU的分離過程（脫混過程），由于其高粘度，決定于時間。而TPU的力學性能又強烈地關系到與時間有關的微區形態。因此為了獲得最佳性能，TPU應進行后硫化（也可稱之為退火）。后硫化條件隨TPU材料變化。一般而言，要使TPU達最優性能可在室溫儲存超過15天或在高溫下退火以縮短時間周期。此理論和處理方法也會在談TPU加工時再次著重提及。

吸濕對TPU拉伸強度和伸長率的影響

TPU因為具有酯基，所以有很高的吸水性，在暴露在空氣下時會吸收空氣中的水分。而且聚醚型TPU比聚酯型TPU的吸濕速度快，且含量可達1.5%。吸濕后的TPU會在加工時產生汽泡，所以在加工前必須除去。同時，它還使TPU的拉伸強度和伸長率下降。有實驗表明，吸濕量達0.182%時拉伸強度下降可達30%，不過此類吸收的水沒有引起降解，只是增塑作用，故可加熱除去，恢復其性能。

TPU分子量對拉伸強度和伸長率的影響，分子量對拉伸強度和伸長率的影響見表格?？梢?，平均分子量在33000~36000時，拉伸性能達到最大。這是因為隨著平均分子量的增加，增加了TPU物理交聯的網狀結構和TPU鏈的纏結，從而使TPU鏈的網狀結構剛性增加，伸長率下降。因此可利用這個特點來判斷TPU回料的降解情況（分子量降低）和TPU原料粒子的穩定性（批次之間的分子量是否存在大差異）。

TPU的彈性模量和定伸應力

彈性模量是指材料在比例限度內，張應力與相應的應變之比，即楊氏模量。表中所示的就是TPU的彈性模量，100%定伸應力和300%定伸應力。此表格選擇了兩種不同配方下制成的TPU，以及不同硬段含量下的數據?？梢姀椥阅Ａ亢投ㄉ炷Ａ慷茧S硬段含量的增加而增加。

結果很顯然，硬段增加，模量也會隨之上升（材料會變“硬” ）。從微觀角度解釋的話，硬段含量增加，形成硬段相的球晶體積分數增加，分散在軟段基料上的硬段分散微區逐漸連通而接近連續相，從而提高了模量。

TPU的韌性

韌性是使材料斷裂所需要的能量，等于應力-應變曲線下的面積。一般來說TPU的硬段含量在10%~21%之間時，TPU呈現軟橡膠態，此時TPU的韌性較低，且彈性模量也較低。當硬段含量在32%~55%之間時，TPU表現為彈性體，此時的韌性最高。當硬段含量在66%~77%之間時，TPU的模量達到較高的數值，呈現彈性塑料的性能。

韌性隨硬段含量增多而發生變化的原因是，硬段提供彈性模量，而軟段提供伸長率，當硬段含量較低時（硬段呈孤立球體分布在連續軟段相中）TPU的彈性模量低且伸長率很大，根據韌性的定義可得出韌性很低。而當硬段含量過高時（硬段呈連續相，軟段分散其間），彈性模量可達到很高的數值但伸長率會變得非常低，同理可知韌性也很低。而在硬段和軟段配比適當，硬段由分散相過度到連續相的狀態時，硬段的高模量高熔化熱加上軟段的高伸長率，使TPU得到了較高的韌性值。