熱塑性聚氨酯彈性體（簡稱TPU），以其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用，已成為重要的聚氨酯材料之一。近年來約以10%速度逐年增長，2000年全球TPU總產(chǎn)量約為14萬~15萬t。我國2000年TPU產(chǎn)量估計(jì)為0.4萬t左右。由于聚氨酯原料多元醇及異氰酸酯品種較多，不同相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)的軟、硬段結(jié)合，所得的TPU的種類及性能各不相同。TPU兼有塑料加工工藝性能和橡膠的物理機(jī)械性能，其耐磨、耐油、耐低溫、耐輻射性能尤為優(yōu)良，使其應(yīng)用廣泛。我國由沈陽化工學(xué)院設(shè)計(jì)的年產(chǎn)1000t的TPU生產(chǎn)線在遼寧省錦州天工實(shí)業(yè)公司已試車成功，并即將投入生產(chǎn)，產(chǎn)品性能經(jīng)過測試已達(dá)國際水平。山東煙臺華大公司和天津堯舜聚氨酯制品有限公司從國外引進(jìn)的TPU生產(chǎn)裝置，目前按各自的銷售渠道在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。近年來，由于原料生產(chǎn)裝置和設(shè)備的大量引進(jìn)，更會促使我國TPU生產(chǎn)的發(fā)展。
1． TPU的合成
TPU合成方法可分為一步法及預(yù)聚法，由于反應(yīng)條件不同，聚合物的性能出現(xiàn)較大的差異。其中最佳的方法是一步法用雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)TPU。對于一步法制得的TPU，基本上是屬于一種嵌段線型聚合物，基本反應(yīng)式為： 2nOCN-R-NCO nHO-R'-OH nHO-R"-OH→∈CONH-R-NHCOO-R'-O-CONH-R-NHCOO-R"-On 采用雙螺桿擠出機(jī)連續(xù)合成TPU，其工藝步驟是由原料預(yù)備、計(jì)量輸送、混合反應(yīng)、擠出造粒四個部分組成。該工藝具有原料配比計(jì)量精確、混合均勻、反應(yīng)溫度均一及物料在機(jī)內(nèi)停留時間均勻等特點(diǎn)。但工藝流程中，對原料水分的控制、計(jì)量的精度、輸送、溫度分布以及切粒技術(shù)都不可忽視[1]。根據(jù)需要，通過配方的調(diào)整，可設(shè)計(jì)出具有合適性能指標(biāo)的TPU產(chǎn)品。TPU的合成是一個系統(tǒng)工程，把握好各項(xiàng)要素，就可以取得滿足的效果。TPU合成工藝研究動向，應(yīng)著重在改善其物理機(jī)械性能及耐熱性能。
2．TPU的應(yīng)用開發(fā)
TPU由于性能優(yōu)異，深受人們的青瞇，它的應(yīng)用幾乎滲透到各個工業(yè)領(lǐng)域，如建筑、汽車制造、防震緩沖材料、鋪裝材料、制革等領(lǐng)域，而且還有很多潛在領(lǐng)域有待開拓。
2.1．在紡織工業(yè)上的應(yīng)用
TPU在紡織上的應(yīng)用，主要是采用熔融法紡氨綸，國內(nèi)也開展了這方面的工作[2~6]。目前，世界上氨綸生產(chǎn)大部分是以干法為主，美國杜邦公司的氨綸產(chǎn)量占世界氨綸產(chǎn)量的一半以上。采用干法紡絲生產(chǎn)的氨綸性能優(yōu)良，但投資過高（年產(chǎn)500 t的工廠約需投資2億元人民幣），投資回收期長，生產(chǎn)成本也較高，并且存在污染環(huán)境問題，危害人體健康。而熔紡法生產(chǎn)氨綸具有投資較少、成本低、對環(huán)境無污染等優(yōu)勢，并可利用現(xiàn)有其它纖維的熔紡設(shè)備，并無需作大改動和更新設(shè)備就可生產(chǎn)中等品質(zhì)的氨綸，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。我國在此領(lǐng)域的開發(fā)與研究均有報(bào)道，工業(yè)性氨綸試紡亦取得很好的效果。熔紡氨綸與干法氨綸性能差異正在縮小。熔紡法將成為氨綸的主要生產(chǎn)方法之一。目前，熔紡氨綸的伸長率已達(dá)干法水平，其拉伸強(qiáng)度則明顯高于干法氨綸，由于干法氨綸比熔紡氨綸有較好的微相分離程度和硬段區(qū)穩(wěn)定性，決定了熔紡氨綸在彈性恢復(fù)率上存在差距。因此，假如經(jīng)化學(xué)交聯(lián)處理后，纖維的回彈性可以得到明顯的改善。熔紡氨綸工藝大致在一步法、二步法、封端法和直接法四個方面有報(bào)道[2,3,7]。有人曾用熔紡一步法，優(yōu)化配方，在未加任何添加劑的情況下，制得的氨綸纖維拉伸強(qiáng)度1.3 cN/dtex，斷裂伸長率729.1%。我國深圳新綸公司采用二步法制成的氨綸纖維拉伸強(qiáng)度1.6 cN/dtex、斷裂伸長率600%，300%定伸恢復(fù)率97%。盡管如此，我國對熔紡法氨綸的研究，還很不夠系統(tǒng)和深入。隨著對紡絲過程中，微相分離結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、動力學(xué)及紡絲成型性能方面的深入研究，會進(jìn)一步完善熔紡工藝，從而制造出性能優(yōu)異的氨綸，這對于我國熔紡氨綸工業(yè)的發(fā)展將起到很大的促進(jìn)作用。氨綸新品種開發(fā)領(lǐng)域著重在原絲新品種上，例如在耐氯、耐水解、耐熱、耐潮、耐霉菌以及阻燃方面。在加工方面，氨綸可與尼龍等纖維進(jìn)行包復(fù)或包纏，其染色性、機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性均優(yōu)良。用氨綸作芯絲，外面用蠶絲進(jìn)行螺旋式包纏，可以提高真絲產(chǎn)品檔次，增加我國絲綢產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。采用純棉紗和氨綸加工成包芯紗，經(jīng)過整染加工后，布面經(jīng)向具有彈性，所開發(fā)的高彈牛仔布及燈芯絨也深受消費(fèi)者喜愛。
2.2．汽車保險(xiǎn)杠 注：TPU保險(xiǎn)杠由沈陽化工學(xué)院開發(fā)制造；PP-EPDM保險(xiǎn)杠為國內(nèi)外使用的現(xiàn)有產(chǎn)品。
TPU可應(yīng)用于汽車車體的多種構(gòu)件，如保險(xiǎn)杠、儀表板、減震墊等零部件。汽車保險(xiǎn)杠一般由面層和增強(qiáng)梁組成。國內(nèi)外的保險(xiǎn)杠多為聚丙烯（PP）與乙丙橡膠（EPDM）共混物材質(zhì)。有專利報(bào)道[8]，使用TPU制成的保險(xiǎn)杠，先后經(jīng)歷了以40~80 km/h的車速進(jìn)行的撞車沖擊試驗(yàn)，和用10 kg大錘60余次的重砸，未發(fā)現(xiàn)明顯破裂，說明其安全性能很高，在事故中可降低車輛損傷程度和人員傷亡。該保險(xiǎn)杠生產(chǎn)成本較低，值得開發(fā)。TPU彈性體材料與PP-EPDM共混材料的性能見表1。我國即將進(jìn)入WTO，汽車行業(yè)必須有新的特色方可立于不敗之地。因此開發(fā)具有安全性能高的保險(xiǎn)杠，應(yīng)引起有關(guān)方面的注重。
2.3．鐵軌枕墊板
國內(nèi)外鐵路使用的軌枕墊板，其綜合性能尚不足之處，使用壽命短，影響了列車的提速和綜合設(shè)施配套。專利報(bào)道[10]，在TPU中添加廉價填料制成的軌枕墊板，性能優(yōu)于橡膠墊板，可較大限度地吸收行駛的列車對鋼軌和路基的沖擊壓力，從而在不增加列車牽引動力、不改造路基、不減少停站點(diǎn)的情況下，使列車達(dá)到提速目的，行車速度可提高到250 km/h以上。測試結(jié)果表明，新型軌枕墊板對鐵路通訊的指揮系統(tǒng)無任何干擾，其磨耗指標(biāo)比橡膠墊板低10倍，使用壽命大為提高，從而減少墊板更換次數(shù)，降低更換費(fèi)用，綜合性能優(yōu)良。
2.4．TPU在航空業(yè)上的應(yīng)用開發(fā)
攔阻網(wǎng)用于阻止飛機(jī)起飛或著陸滑跑時發(fā)生意外沖出跑道，而保證飛行人員和飛機(jī)的安全，避免重大事故發(fā)生。國外的機(jī)場攔阻網(wǎng)大多由尼龍編織制成。我國用TPU為原料采用擠出方法制成的攔阻網(wǎng)，具有強(qiáng)度大、重量輕、彈性好、不易霉?fàn)€、耐撕裂、耐低溫、耐油性能好等優(yōu)良性能。在TPU原料中加入熒光物質(zhì)制成的網(wǎng)體能晚上發(fā)光。其各種性能均優(yōu)于國際上用尼龍編織的網(wǎng)體。例如尼龍編織的豎帶，其拉伸強(qiáng)度為139.2 MPa，用TPU制成的豎帶拉伸強(qiáng)度為186.3 MPa。因而TPU可應(yīng)用于機(jī)場攔阻網(wǎng)。該攔阻網(wǎng)亦可用作在高速公路或盤山公路危險(xiǎn)地段的護(hù)攔。用TPU制成的飛機(jī)薄壁油箱，不但工藝簡單，且壁薄，重量輕，使用壽命長。TPU又具有較高的抗輻射性，適用于制作宇宙飛行人員、X射線和原子能工作人員的保護(hù)衣。隨著航空事業(yè)不斷發(fā)展，對飛機(jī)維護(hù)技術(shù)需求也相應(yīng)增加，同時對復(fù)原技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格，采用壓縮空氣充氣的由TPU制成的氣囊抬高技術(shù)，可滿足以上的要求。
2.5．電纜外套
用于海底等的浮電纜、光纜、地震電纜、飛機(jī)電纜的護(hù)套一般可用TPU加工而成，由于其體積電阻率≥1012Ω·cm，同時具有耐水解、耐候、耐磨、耐曲撓、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，TPU制造電纜、電線外套，不僅電絕緣性能好，而且對導(dǎo)體有很好保護(hù)性能，使用安全，不易引起意外火災(zāi)事故。
2.6．在醫(yī)療、衛(wèi)生方面的應(yīng)用開發(fā)
TPU具有良好的生物相容性、抗凝血性和優(yōu)良的物理性能，在醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域中用量雖少，卻占有重要的地位。TPU可用來制造人工喉、人造腦殼、人造心臟瓣膜、血管、人工腎、人造皮、人造尿道、人造假肢等以及醫(yī)療用品如輸液管、導(dǎo)液（尿）管、冰敷袋等。目前TPU在醫(yī)療衛(wèi)生中的開發(fā)，正向生物工程、細(xì)胞工程和免疫工程等方面迅速發(fā)展。估計(jì)目前世界上醫(yī)用TPU用量可達(dá)1.5萬t/a。山西省化工研究所和山西醫(yī)學(xué)院開發(fā)的聚氨酯氣管套管，比金屬套管用起來方便適應(yīng)、柔軟、不斷裂、可減輕病人痛苦，無不良反應(yīng)。
2.7．在油田及礦山中的應(yīng)用
全國油田每年要耗資數(shù)千元購買200多萬件的橡膠易損件，如泥漿泵活塞、旋流器、凡爾膠皮、高壓密封圈等，在油田中，多泥沙河流中的水力機(jī)械設(shè)備，會受到泥沙磨損和氣蝕破壞的聯(lián)合作用，其損壞速度相當(dāng)驚人。在這些領(lǐng)域的使用效果很好，可節(jié)約大量資金。中國科學(xué)院力學(xué)研究所在這方面做了大量的開發(fā)工作，其機(jī)械設(shè)備配合TPU配件在油田應(yīng)用，效果不錯。礦用篩有金屬篩網(wǎng)及彈性篩板等幾類。與金屬篩相比，由TPU制成的PU彈性篩板噪音小、篩分質(zhì)量高、使用壽命長，耐磨性是鋼的6~12倍。TPU的優(yōu)良性能礦山機(jī)械上用途十分廣闊。煤礦每年需1000多萬件高壓密封圈和相當(dāng)數(shù)量的礦用電機(jī)聯(lián)軸節(jié)，需要寬800~1100 mm、長78 mm的煤礦用阻燃抗靜電輸送帶1700萬m。開采礦石和輸送條件的惡劣，橡膠帶很難滿足使用要求，TPU取代橡膠制作礦用運(yùn)輸帶是一種發(fā)展趨勢。其阻燃、抗靜電的TPU運(yùn)輸帶還可用作其它工業(yè)的多種運(yùn)輸帶。
3．建議
（1）我國TPU合成工藝尚屬起步階段，與世界先進(jìn)國家相比，還有一定差距。TPU的質(zhì)量好壞又是熔融紡絲的要害，因此要加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究，改進(jìn)工藝、優(yōu)選出適合于熔紡的TPU設(shè)計(jì)配方，為熔融法紡氨綸領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。
（2）我國TPU正處于發(fā)展時期，還有許多新技術(shù)、新產(chǎn)品需要我們?nèi)ラ_發(fā)，其中重點(diǎn)是加強(qiáng)TPU的改性和應(yīng)用開發(fā)，盡快開拓新市場。TPU的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，上述文中僅在一些應(yīng)用領(lǐng)域舉了數(shù)例作拋磚引玉。 | 
