影响TPU硬度的因素及应用案例
TPU 材料的硬度与以下因素有关： 配方因素 硬段与软段比例：TPU 一般由多元醇构成的软段和二异氰酸酯及扩链剂构成的硬段组成。硬段含量越高，TPU 的硬度就会随之上升，因为硬段之间相互作用较强，可形成结晶或物理交联点，限制分子链的运动，从而提高材料的刚性和硬度。相反，软段比例增加则会使材料更具柔韧性，硬度降低。 交联剂的使用：添加交联剂可以提高 TPU 的交联密度，使分子链之间形成更紧密的网络结构，进而增加材料的硬度。交联剂的种类和用量对硬度有显著影响，适量增加交联剂用量能有效提高硬度，但过量使用可能会导致材料的柔韧性和加工性能下降。 增塑剂的影响：增塑剂可以降低 TPU 分子链间的作用力，增加分子链的移动性，从而使材料变软，硬度降低。不过，增塑剂的加入可能会对材料的其他性能，如强度、耐热性等产生一定的负面影响。 加工工艺因素 成型方法：不同的成型方法，如注塑、挤出、压延等，会使 TPU 材料在成型过程中受到不同的应力和剪切作用，从而影响其内部结构和硬度。例如，注塑成型时，较高的注射压力和速度可能会使分子链取向程度增加，进而提高材料的硬度。 成型温度：温度是影响 TPU 硬度的重要因素之一。提高成型温度，分子链的运动能力增强，材料的结晶度可能会降低，导致硬度下降。但如果温度过高，可能会引起材料的降解，影响其性能。相反，降低成型温度则有利于提高硬度，但过低的温度会使材料的流动性变差，难以成型。 压力控制：在加工过程中，适当增加压力可以使 TPU 分子链排列更加紧密，从而提高材料的硬度。例如，在注塑成型时，较高的保压压力可以使制品的密度增加，硬度相应提高。 原材料质量因素 多元醇的种类和质量：不同种类的多元醇合成的 TPU，其硬度会有所不同。一般来说，分子量较大、分子链柔性较好的多元醇所制得的 TPU 硬度较低；而分子量较小、刚性较强的多元醇则会使 TPU 的硬度升高。此外，多元醇的纯度和质量也会影响 TPU 的性能，如果多元醇中含有杂质或水分，可能会导致反应不完全，进而影响材料的硬度。 二异氰酸酯的种类和质量：二异氰酸酯的结构和活性对 TPU 的硬度也有重要影响。不同结构的二异氰酸酯与多元醇反应生成的硬段结构和性能不同，从而影响 TPU 的硬度。例如，芳香族二异氰酸酯所制得的 TPU 硬度相对较高，而脂肪族二异氰酸酯制得的 TPU 硬度则较低。同时，二异氰酸酯的纯度和活性也会影响反应的进行和材料的性能，如果二异氰酸酯质量不佳，可能会导致 TPU 的硬度不均匀或性能不稳定。 扩链剂的种类和质量：扩链剂在 TPU 的合成中起着重要作用，它可以增加分子链的长度和交联程度，从而影响材料的硬度。不同种类的扩链剂对硬度的影响不同，一般来说，短链扩链剂会使 TPU 的硬度增加，而长链扩链剂则会使硬度降低。此外，扩链剂的纯度和活性也会影响 TPU 的合成反应和性能，如果扩链剂质量不好，可能会导致 TPU 的硬度和其他性能出现问题。 其他因素 环境温度：TPU 材料的硬度会随环境温度的变化而改变。在高温环境下，分子链运动加剧，材料的硬度会降低；而在低温环境下，分子链运动减缓，硬度则会增加。例如，在炎热的夏季，TPU 制品可能会变得相对较软，而在寒冷的冬季则会变硬。 填料的添加：添加无机填料如碳酸钙、二氧化硅等，可以提高 TPU 的硬度、刚性和耐磨性等性能。填料的种类、粒径、用量等因素都会对 TPU 的硬度产生影响。一般来说，填料的粒径越小、用量越大，对硬度的提高效果越明显，但同时也可能会影响材料的透明度和柔韧性等性能 。 以下是一些关于 TPU 材料硬度的具体案例： 鞋底材料 应用场景与要求：在运动鞋鞋底的应用中，需要 TPU 材料有一定的弹性和耐磨性，同时硬度要适中，以提供良好的缓冲和支撑。一般来说，鞋底用 TPU 材料的硬度在 70A - 90A 之间。例如，耐克的一些高端运动鞋，鞋底采用硬度约为 80A 的 TPU 材料，这种硬度既可以保证鞋底在运动过程中有足够的弹性来缓冲脚部的冲击力，又能提供稳定的支撑，防止脚部扭伤。 硬度影响因素分析：从配方角度看，在这种鞋底 TPU 材料中，软段多元醇选择了分子量适中的聚酯多元醇，以提供一定的柔韧性；硬段则通过控制二异氰酸酯和扩链剂的比例，使硬段含量保持在一定水平，从而达到 80A 左右的硬度。在加工工艺方面，采用注塑成型，成型温度控制在 190 - 210℃，这个温度范围有助于保持 TPU 分子链的适当运动，使材料的结晶度和硬度达到理想状态。如果温度过高，会导致硬度下降，影响鞋底的支撑性能。 手机保护套材料 应用场景与要求：手机保护套需要 TPU 材料有较好的柔韧性，方便安装和拆卸手机，同时还要有一定的抗冲击性和硬度，以保护手机免受日常碰撞和刮擦。通常，手机保护套用 TPU 材料的硬度在 60A - 80A 之间。以苹果手机的一些品牌保护套为例，其 TPU 材料硬度约为 70A。这种硬度的 TPU 材料可以紧密贴合手机，并且在手机掉落时能够有效地吸收冲击力，保护手机。 硬度影响因素分析：在配方上，为了达到 70A 的硬度，会适当增加软段的比例，使材料更具柔韧性。同时，添加少量的交联剂来调整材料的内部结构，提高其抗冲击性能，而不会使硬度过度增加。在加工过程中，采用注塑成型，注射压力相对较低，以避免材料分子链过度取向而导致硬度升高。成型温度在 180 - 200℃左右，这个温度有利于材料的均匀填充和成型，保证保护套的硬度和其他性能符合要求。 汽车内饰材料 应用场景与要求：汽车内饰中的一些部件，如仪表盘表皮、座椅扶手等，使用 TPU 材料可以提供舒适的触感和良好的耐磨性。这些部件要求 TPU 材料的硬度在 75A - 95A 之间。例如，汽车座椅扶手部分采用硬度约为 85A 的 TPU 材料，这样的硬度可以让乘客在依靠扶手时感觉舒适，同时能够承受一定的压力和摩擦，经久耐用。 硬度影响因素分析：从配方考虑，在制作汽车内饰 TPU 材料时，硬段采用芳香族二异氰酸酯，其合成的硬段结构可以使材料硬度相对较高。同时，通过控制软段多元醇的种类和比例，调整到合适的硬度。在加工方面，压延工艺是常用的成型方法之一。在压延过程中，控制压力和温度，温度一般在 190 - 220℃，压力适中，使 TPU 材料形成均匀的薄片，达到 85A 左右的硬度，并且保证表面的平整度和光泽度。 工业密封件材料 应用场景与要求：在工业领域，TPU 用于制作密封件，如管道密封垫圈等，需要材料有较高的硬度和良好的弹性回复能力，以确保密封效果。一般工业密封件用 TPU 材料的硬度在 90A - 98A 之间。例如，在化工管道的密封垫圈中，采用硬度约为 95A 的 TPU 材料，这种高硬度可以保证在管道压力变化时，密封垫圈能够紧密贴合管道，防止液体或气体泄漏。 硬度影响因素分析：在配方设计上，为了达到高硬度，密封件 TPU 材料的硬段含量较高，使用短链扩链剂来增加分子链的交联程度。同时，不添加增塑剂，以避免降低材料的硬度。在加工过程中，采用注塑或挤出成型，对于挤出成型，螺杆转速和挤出压力都较高，这样可以使材料分子链紧密排列，提高硬度。成型温度控制在 200 - 230℃左右，确保材料的充分塑化和成型，使密封件具有良好的尺寸精度和高硬度，满足工业密封的要求。 3D 打印材料 应用场景与要求：在 3D 打印领域，TPU 材料的硬度可以根据打印模型的具体需求进行调整。一般用于打印柔性模型，如玩具、鞋垫等，硬度在 60A - 80A 之间；用于打印功能性部件，如工具手柄等，硬度在 80A - 90A 之间。例如，打印一款定制的鞋垫，TPU 材料硬度约为 70A，这种硬度可以使鞋垫贴合脚部形状，提供舒适的支撑。 硬度影响因素分析：对于 3D 打印 TPU 材料，在配方上可以通过改变硬段和软段的比例来调整硬度。在 3D 打印过程中，打印温度是影响硬度的关键因素。以 FDM（熔融沉积成型）打印为例，打印温度一般在 210 - 230℃，这个温度区间会影响 TPU 材料的流动性和分子链的排列，从而影响打印制品的硬度。此外，打印速度、层厚等参数也会对硬度产生一定的影响，较低的打印速度和适当的层厚有助于提高制品的硬度。