何為聚氨酯？

所謂的聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱，它是由多異氰酸酯與多元醇反應而成，在分子鏈上含有許多重復的氨基甲酸酯基團（—NH—CO—O—）。在實際合成的聚氨酯樹脂中，除了氨基甲酸酯基團外，還有脲、縮二脲等基團。多元醇屬長鏈分子，末端為羥基，稱為“軟鏈段”，多異氰酸酯稱為“硬鏈段”。

軟硬鏈段生成的聚氨酯樹脂中，氨基甲酸酯只占少數，所以稱為聚氨酯未必恰當，從廣義上講，聚氨酯乃是異氰酸的加聚物。 

不同類型的異氰酸酯與多羥基化合物反應后，生成各種結構的聚氨酯，從而獲得不同性質的高分子材料，如塑料、橡膠、涂料、纖維、粘合劑等。

聚氨酯橡膠 

聚氨酯橡膠于1940年首先在德國研制成功，1952后開始投入工業生產，而我國是從60年代中期開始研制并投入生產的。聚氨酯橡膠屬于一種特種橡膠，由聚醚或聚酯與異氰酸酯反應而制得，因原料種類、反應條件及交聯方法的不同而有許多品種。從化學結構上看，有聚酯型與聚醚型，從加工方法上看，有混煉型、澆注型和熱塑型三種。 

合成聚氨酯橡膠，一般先由線型聚酯或聚醚與二異氰酸酯反應，制成低分子量的預聚體，經擴鏈反應，生成高分子聚合物，然后添加適當的交聯劑，加熱使其固化，成為硫化橡膠，這種方法稱為預聚法或二步法。

也可以用一步法——將線型聚酯或聚醚直接與二異氰酸酯、擴鏈劑、交聯劑混合，使反應發生，生成聚氨酯橡膠。 

熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）

 

熱塑性聚氨酯橡膠是一種（AB）n型嵌段線性聚合物，A代表高分子量的聚酯或聚醚（分子量為1000～6000），稱為長鏈，B代表含2～12個直鏈碳原子二醇為短鏈，AB鏈段間化學結合是用二異氰酸酯。 

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TPU的結構與物理性質之間的關系

1、 鏈段結構 

TPU分子中A鏈段使得大分子鏈易于旋轉，賦予聚氨酯橡膠良好的彈性，使聚合物的軟化點與二級轉變點下降，硬度與機械強度降低。B鏈段會束縛大分子鏈的旋轉，使聚合物的軟化點與二級轉變點上升，硬度與機械強度提高，彈性降低。調節A與B之間的摩爾比，即可制得不同機械性能的TPU。 

2、 交聯結構 

TPU的交聯結構除一級交聯外，還必須考慮由分子間的氫鍵形成的二級交聯。聚氨酯的一級交聯鍵與羥類橡膠的硫化結構不同，它的氨基甲酸酯基、縮二脲、脲基甲酸酯基等基團規則而間隔地排列成剛性鏈段，故制得的橡膠具有規則的網狀結構，所以具有卓越的耐磨性能及其它的優異性能。

其次，由于聚氨酯橡膠中含有很多諸如脲基或氨基甲酸酯基這類內聚能較大的基團，所以分子鏈間形成的氫鍵具有很高的強度，氫鍵形成的二級交聯健對聚氨酯橡膠的性能也有重要影響。二級交聯使得聚氨酯橡膠一方面具有熱固性彈性體的特性，另一方面這種交聯又沒有真正地交聯起來，是一種虛交聯，交聯的狀況取決于溫度。

隨著溫度的升高，這種交聯逐漸減弱以至于消失，聚合物具有一定的流動性，可以進行熱塑性加工。當溫度降低時，這種交聯又逐漸恢復并再次形成。少量的填料的加入，使分子間的距離增大，分子間形成氫鍵的能力減弱，強度便會急劇下降。 

3、基團的穩定性 

研究表明，聚氨酯橡膠中各基團穩定性由高到低的順序是：酯、醚、脲、氨基甲酸酯、縮二脲，在聚氨酯橡膠的老化過程中，首先是縮二脲和脲基甲酸酯的交聯鍵斷裂，接著是氨基甲酸酯和脲鍵斷裂，即主鏈斷裂。

聚氨酯橡膠的性能

 

TPU的彈性模量介于橡膠與塑料之間，它的最大特點是，既具有硬度，又有彈性，這種性能是其它的橡膠與塑料所沒有的。

TPU分聚酯型與聚醚型兩類，從物理性質進行比較，低硬度的橡膠以聚酯型的性能較好，而高硬度的橡膠以聚醚型的為優。聚酯型的橡膠耐油、耐熱及與金屬的粘合性較好，而耐水解、耐寒及抗菌性以聚醚型的為好。 

1、 環境特性 

TPU一般都具有較好的耐溫性，連續長期使用的溫度為80～90℃，短時間可達到120℃左右。聚氨酯的耐低溫性能也較好，聚酯型的聚氨酯的脆性溫度為-40℃，而聚醚型的聚氨酯則達-70～-80℃，但在低溫下會變硬。 

TPU的耐油性都比較好，但耐水性卻因結構的不同而異。酯形成反應可逆性所引起的TPU降解最為嚴重。當酯與水接觸時，酸的再形成是引致分子解體的自身催化反應的原因。聚酯型的聚氨酯在空氣中和濕氣接觸時解體的程度比完全浸在水中時更甚。這是因為浸在水中，形成的酸會不斷地被沖走。

而聚醚型的聚氨酯耐水解性則是聚酯型聚氨酯的3～5倍，因醚基不會與水發生反應。

水的侵入導致聚氨酯性能下降的原因有兩個方面：一是侵入的水與聚氨酯中的極性基團形成氫鍵，使聚合物分子之間的氫鍵減弱，這個過程是可逆的，當干燥后物理性質又得到恢復。

二是侵入的水使聚氨酯發生水解，此過程為不可逆。 

聚氨酯在長時間的日光照射下會變色發暗，物理性能逐漸降低。酶菌也會導致聚氨酯的降解，因此工業生產中使用的聚氨酯橡膠中都添加了防老劑、紫外線吸收劑、防酶劑等。 

2、 機械特性 

拉伸強度：聚氨酯橡膠的拉伸強度較高，一般可達28～42兆帕，TPU居中，約為35兆帕。 

伸長率：一般可達400～600，最大為1000%。 

彈性：聚氨酯的彈性比較高，但它的滯后損失也比較大，因此生熱高。在多次彎曲及高速滾動的負荷條件下容易損壞。 

硬度：聚氨酯的硬度范圍較其它的橡膠都寬，最低為邵氏硬度10，其中大多數制品具有45～95的硬度。硬度高于70度時，拉伸強度和定伸強度都高于天然橡膠，中80～90度時，拉伸強度、定伸強度、抗撕裂強度都相當高。 

撕裂強度：聚氨酯的撕裂強度較高，當試驗溫度升高到100～110℃時，抗撕裂強度就與丁苯橡膠相當。 

耐磨性：聚氨酯的耐磨性十分優良，比天然橡膠高9倍，比丁苯橡膠高1～3倍。