Thermoplastisch polyurethaan (TPU) is een hoogwaardig polymeer dat de elasticiteit van rubber combineert met de verwerkingsvoordelen van kunststoffen. Het kan herhaaldelijk worden gesmolten en vervormd bij verhitting, en krijgt na afkoeling zijn oorspronkelijke eigenschappen terug. TPU wordt veel gebruikt in schoenen, kabels, medische apparatuur, auto-onderdelen en 3D-printen vanwege de uitstekende slijtvastheid, oliebestendigheid, elasticiteit en verwerkingsgemak.
In dit artikel vindt u een gedetailleerde analyse van de belangrijkste kenmerken, productieprocessen, toepassingen en vergelijkingen van TPU met andere materialen. Zo krijgt u meer inzicht in dit veelzijdige materiaal.
Wat zijn de eigenschappen van TPU?
De brede toepassing van TPU in diverse industrieën is te danken aan de unieke fysische en chemische eigenschappen. Dit materiaal heeft een blokcopolymeerstructuur, bestaande uit harde en zachte segmenten, wat het uitzonderlijke prestatie-eigenschappen geeft.
Qua mechanische eigenschappen biedt TPU een hoge treksterkte (doorgaans 30-50 MPa) en rek (tot 600% of meer), samen met een uitstekend elastisch herstel. Het hardheidsbereik is opmerkelijk breed, van Shore A60 tot D80, en is te bereiken door middel van formuleaanpassingen. De slijtvastheid van TPU is bijzonder hoog, met een 5-10 keer hogere slijtvastheid dan natuurlijk rubber, waardoor het ideaal is voor schoenzolen en slijtagegevoelige componenten.
Chemische stabiliteit is een ander belangrijk voordeel van TPU. Het is goed bestand tegen oliën, smeermiddelen en vele oplosmiddelen, en is daarnaast behoorlijk weerbestendig en uv-bestendig. Wat betreft temperatuuraanpassing: TPU werkt doorgaans effectief tussen -40 °C en 120 °C, met speciale formules tot 150 °C.
Voor de verwerking kan TPU worden gevormd met behulp van conventionele methoden voor de productie van kunststof, zoals spuitgieten, extrusie en blaasvormen, zonder dat vulkanisatie nodig is, wat de productie aanzienlijk vereenvoudigt. TPU biedt bovendien een goede transparantie en kleurbaarheid, waardoor het voldoet aan diverse esthetische eisen voor verschillende producten.
Hoe wordt TPU geproduceerd?
De productie van TPU omvat relatief complexe maar zeer goed beheersbare processen, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van de one-shot-methode of de prepolymeermethode. Beide benaderingen draaien om de additiepolymerisatiereactie tussen di-isocyanaat en polyol.
Bij de one-shot-methode worden alle grondstoffen (inclusief di-isocyanaat, polyolen met lange ketens en ketenverlengers met korte ketens) gelijktijdig aan de reactor toegevoegd, waar ze direct onder invloed van de katalysator polymeriseren tot TPU. Deze methode biedt eenvoudige verwerking en een hoge productie-efficiëntie, maar vereist strikte controle van de materiaalverhoudingen en reactieomstandigheden. Ongeveer 80% van de TPU-productie maakt momenteel gebruik van deze aanpak.
De prepolymeermethode verloopt in twee stappen: eerst reageert di-isocyanaat met polyolen met lange ketens om prepolymeer met isocyanaat-eindgroepen te vormen, waarna ketenverlengers worden toegevoegd voor ketenverlenging. Deze aanpak maakt een nauwkeurigere procescontrole mogelijk en is beter geschikt voor de productie van hoogwaardige, speciale TPU-producten.
Na voltooiing van de reactie wordt het gesmolten TPU gepelletiseerd door middel van onderwaterpelletisering of transportbandkoeling, gevolgd door droging en verpakking. Het gehele productieproces vereist strikte controle van temperatuur, vochtigheid, materiaalverhoudingen en andere parameters om een consistente productkwaliteit te garanderen.
Volgens Grand View Research bedroeg de wereldwijde TPU-markt in 2.5 ongeveer $ 2021 miljard, met een verwachte samengestelde jaarlijkse groei van 6.8% van 2022 tot 2030. Dit weerspiegelt zowel volwassen productietechnologieën als een groeiende marktvraag.
Waarvoor wordt TPU gebruikt?
TPU wordt in vrijwel alle aspecten van het moderne leven toegepast en is door zijn veelzijdigheid onmisbaar in talloze sectoren.
In schoenen en kleding is TPU een belangrijk materiaal voor tussenzolen van sneakers, ondersteunende delen in het bovenwerk en waterdichte, ademende membranen. Grote sportkledingmerken zoals Nike en Adidas gebruiken TPU veelvuldig voor schoenzolen en benutten de uitstekende veerkracht en slijtvastheid om atletische prestaties te verbeteren. Uit sectorgegevens blijkt dat schoenen goed zijn voor ongeveer 35% van het totale TPU-verbruik.
Voor industriële toepassingen wordt TPU veel gebruikt in hydraulische slangen, transportbanden, afdichtingen en kabelmantels. Dankzij de oliebestendigheid en mechanische sterkte is het bestand tegen zware industriële omstandigheden. Zo biedt TPU-kabelmantels een betere weersbestendigheid en een langere levensduur dan traditionele PVC-mantels.
De medische sector waardeert TPU vanwege zijn biocompatibiliteit en steriliseerbaarheid. Het wordt gebruikt voor de productie van katheters, kunstmatige hartkleppen, wondverbanden en andere medische hulpmiddelen. Bepaalde medische TPU's kunnen zelfs biocompatibiliteitstests voor langdurige implantatie doorstaan.
Opkomende 3D-printtechnologie maakt ook veelvuldig gebruik van TPU als printmateriaal, met name voor toepassingen die flexibele componenten vereisen. De flexibiliteit en de hechting tussen de lagen van TPU-filament maken het ideaal voor Fused Deposition Modeling (FDM)-printen. Volgens het rapport van 3D Hubs is TPU goed voor meer dan 15% van de professionele 3D-printmaterialen.
In de auto-industrie wordt TPU gebruikt voor de bekleding van instrumentenpanelen, airbagafdekkingen en carrosserieafdichtingen, en voldoet het aan zowel esthetische eisen als strenge prestatienormen. Met de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen nemen de toepassingen van TPU voor batterij-isolatie en -afdichting snel toe.
Hoe verhoudt TPU zich tot andere elastische materialen?
Het begrijpen van de prestatieverschillen tussen TPU en andere elastische materialen is cruciaal voor de juiste materiaalkeuze. Hieronder vergelijken we TPU met verschillende veelgebruikte elastomeren.
Vergeleken met thermohardende rubbers (zoals natuurrubber of styreen-butadieenrubber) ligt het grootste voordeel van TPU in het verwerkingsgemak. Rubber vereist complexe vulkanisatie, terwijl TPU direct kan worden gevormd met behulp van kunststofverwerkingsapparatuur, waardoor de productiecycli aanzienlijk worden verkort. TPU overtreft over het algemeen ook gewoon rubber in mechanische sterkte en slijtvastheid, hoewel sommige rubbers beter presteren bij extreme temperaturen.
. vergeleken met thermoplastische elastomeren (TPE)TPU heeft een hogere mechanische sterkte en temperatuurbestendigheid. Standaard TPE heeft doorgaans een treksterkte van 10-20 MPa, terwijl TPU meer dan 50 MPa kan hebben. TPU biedt ook een superieure olie- en chemische bestendigheid in vergelijking met de meeste TPE-materialen. TPE biedt echter doorgaans een zachtere touch en lagere kosten.
Vergeleken met PVC-elastomeren bevat TPU geen weekmakers en treedt er geen migratie of verharding door veroudering op. TPU is bovendien milieuvriendelijker en bevat geen schadelijke halogenen. PVC biedt echter duidelijke kostenvoordelen, vooral voor minder veeleisende toepassingen.
Polyolefine-elastomeren (zoals POE) zijn eenvoudiger te verwerken en goedkoper dan TPU, maar blijven aanzienlijk achter in mechanische eigenschappen en temperatuurbestendigheid. Voor toepassingen die hoge elasticiteit en sterkte vereisen, blijft TPU onvervangbaar.
Bij de materiaalkeuze moet niet alleen rekening worden gehouden met prestatieparameters, maar ook met praktische factoren zoals kosten, verwerkingsomstandigheden en levensduur. Hoewel TPU op veel prestatie-indicatoren de beste is, is het niet altijd de meest kosteneffectieve keuze.
Hoe selecteert u het juiste TPU-type voor specifieke toepassingen?
Met de vele TPU-producten op de markt, vereist een goede selectie meerdere belangrijke factoren. TPU valt grofweg in drie categorieën uiteen: op polyesterbasis, op polyetherbasis en op polycaprolactonbasis, elk met verschillende prestatiekenmerken.
TPU op polyesterbasis (zoals de Elastollan® C-serie van BASF) biedt uitstekende mechanische sterkte en oliebestendigheid, geschikt voor toepassingen met hoge belasting en hoge slijtage, zoals industriële rollen en hydraulische afdichtingen. De hydrolysebestendigheid is echter relatief laag, waardoor het minder geschikt is voor constant vochtige omgevingen.
TPU op polyetherbasis (zoals de Estane® E-serie van Lubrizol) biedt uitstekende hydrolysebestendigheid en flexibiliteit bij lage temperaturen, ideaal voor outdoorproducten en toepassingen in natte omgevingen. Veel hoogwaardige membranen voor duikuitrusting en skikleding maken gebruik van dit type TPU. De hittebestendigheid en mechanische sterkte zijn iets minder dan die van TPU op polyesterbasis.
TPU op basis van polycaprolacton levert evenwichtige prestaties met goede mechanische sterkte en hydrolysebestendigheid, maar is wel duurder. Het wordt voornamelijk gebruikt voor hoogwaardige medische apparatuur en speciale industriële componenten.
Naast het chemische type moet bij de selectie van TPU ook rekening worden gehouden met de volgende parameters:
- Hardheid: Kies de juiste hardheidsgraad op basis van de draagkracht en elasticiteitsbehoeften
- Transparantie: Toepassingen die transparantie vereisen, hebben speciaal transparant TPU nodig
- Vlamvertragend: Elektrische toepassingen vereisen vaak vlamvertragende TPU-kwaliteiten
- Voedselcontact: Voedselverpakkingen en keukengerei moeten voldoen aan de FDA- of EU-normen
- Weerbestendigheid: Buitentoepassingen vereisen UV-bestendige TPU-kwaliteiten
Voor de daadwerkelijke selectie adviseren wij nauwe samenwerking met materiaalleveranciers, waarbij we gedetailleerde toepassingsscenario's en vereisten aanleveren om de meest geschikte productaanbevelingen te verkrijgen. Toonaangevende leveranciers zoals Covestro en Lubrizol bieden professionele technische ondersteuning.
Wat zijn de toekomstige ontwikkelingstrends voor TPU?
Met de vooruitgang in materiaalkunde en de toenemende eisen op milieugebied, evolueert TPU-technologie naar betere prestaties, functionaliteit en duurzaamheid, wat brede toepassingsmogelijkheden biedt.
De ontwikkeling van hoogwaardige TPU is een belangrijke trend. Dankzij moleculair structuurontwerp en nanocomposiettechnologie blijven TPU-producten van de nieuwe generatie verbeteren op het gebied van temperatuurbestendigheid, mechanische sterkte en duurzaamheid. Sommige geavanceerde TPU's zijn nu bestand tegen temperaturen boven de 150 °C en vervangen bepaalde technische kunststoffen. Marktonderzoek toont aan dat hoogwaardige TPU jaarlijks met 8.5% groeit, wat de groei van conventionele TPU aanzienlijk overtreft.
Functioneel TPU krijgt ook steeds meer aandacht. Speciale TPU's met zelfherstellende, vormgeheugen- of geleidende eigenschappen verleggen de toepassingsmogelijkheden. Geleidend TPU is een onderzoeksfocus geworden in draagbare apparaten en flexibele elektronica. IDTechEx voorspelt dat de markt voor functioneel TPU in 1.2 de $ 2030 miljard zal overschrijden.
Duurzaamheid vertegenwoordigt een andere cruciale richting voor de TPU-industrie. Biobased TPU (met hernieuwbare materialen zoals ricinusolie) en recyclebare TPU-technologieën ontwikkelen zich razendsnel. Covestro heeft TPU-producten geïntroduceerd met tot wel 60% biobased materiaal. Tegelijkertijd maken ontwikkelingen in chemische recyclingtechnologieën het mogelijk om TPU in een gesloten kringloop te gebruiken, waardoor de impact op het milieu wordt verminderd.
Vanuit toepassingsperspectief zullen de gezondheidszorg en nieuwe energie de belangrijkste aanjagers zijn van de toekomstige groei van TPU. Door de vergrijzing van de bevolking blijft de vraag naar medische TPU stijgen, terwijl de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen kansen creëert voor TPU in batterijcomponenten. Tegen 2025 zal de TPU-consumptie in deze sectoren naar verwachting met respectievelijk 40% en 35% groeien.
Over het algemeen maken TPU's technologische ontwikkeling en markttoepassingen, als hoogwaardig polymeer met veelzijdige toepassingen, een snelle groei door. Het belooft traditionele materialen in meer sectoren te vervangen en innovatieve oplossingen voor diverse sectoren te bieden.
