TPU（热塑性聚氨酯弹性体）是一种介于橡胶和塑料之间的高性能材料，因其优异的综合性能被广泛应用于多个领域。以下是其特性的详细解释：

1. 力学性能

TPU的核心力学性能包括：

• 高弹性与硬度范围广

  • TPU的硬度范围非常宽，从 Shore A 60（软）到 Shore D 80（硬），且在不同硬度下仍保持良好的弹性。
  • 硬度与结构的关系：硬度由分子链中“硬段”含量决定。硬段越多，硬度越高，但伸长率会降低。
  • 典型应用：运动鞋底（高弹性）、密封件（高硬度）。

• 高强度与耐磨性

  • TPU的拉伸强度、撕裂强度和压缩性能优异，尤其在动态载荷下表现突出。
  • 数据参考：TPU的拉伸模量可达 10~1000 MPa，远高于橡胶（1~10 MPa）。
  • 应用案例：汽车轮胎、工业传送带、运动鞋气垫。

• 耐屈扰性

  • TPU在反复弯曲或扭转时不易疲劳断裂，适合动态使用场景（如鞋底、电缆护套）。

2. 物理性能

• 耐寒性

  • TPU在 -40°C 以下仍能保持柔韧性和弹性，不会因低温变脆。
  • 原因：分子链中的软段（如聚醚或聚酯）具有低玻璃化转变温度（Tg）。
  • 对比：普通橡胶在-20°C时可能失去弹性。

• 耐热性

  • 芳香族TPU（如MDI基）耐温可达 120°C，脂肪族TPU（如HDI基）则更适合低温环境。
  • 特殊改性：通过调整分子结构（如增加硬段交联密度），可进一步提升耐热性。

• 耐油、耐溶剂性

  • TPU对矿物油、动植物油脂、润滑油等具有良好的抗性，但对强酸碱或极性溶剂（如酮类）较敏感。
  • 应用案例：液压系统密封件、汽车油路部件。

• 耐水解性

  • 聚酯型TPU：易水解（酯基易水解），长期接触水或高温湿气会降解。
  • 聚醚型TPU：耐水解性优异，适合潮湿环境（如海洋电缆、医疗设备）。
  • 改性方案：通过添加抗水解剂或使用聚己内酯（PCL）软段提升耐水性。

3. 环境与化学性能

• 耐候性

  • 脂肪族TPU在紫外线照射下不易黄变，适合户外应用（如汽车外饰、智能穿戴设备）。
  • 对比：芳香族TPU在阳光下易黄变，需添加抗UV剂。

• 耐霉菌性

  • TPU本身对霉菌具有一定的抗性，但需通过配方优化（如添加抗菌剂）以满足国军标（GJB）要求。

• 生物相容性

  • 部分TPU符合FDA和EC1935/2004食品接触标准，可用于医疗器械（如导管、输液管）和食品级密封件。

4. 加工性能

• 热塑性加工

  • TPU可通过注塑、挤出、压延等传统热塑性工艺加工，无需硫化。
  • 优势：生产周期短、能耗低、适合大批量生产。

• 成型适应性

  • 挤出级TPU：流动性好，适合高速薄壁线缆护套（厚度≤0.1mm）。
  • 注塑级TPU：易脱模，成型良品率高，适合复杂结构件（如手机保护套、汽车内饰件）。

• 回收利用性

  • TPU废料可直接粉碎后重新加工，符合循环经济理念。例如，ASICS的 NEOCURVE 运动鞋采用100%回收旧鞋材料3D打印。

5. 分子结构与性能关系

TPU的性能由 软段 和 硬段 的协同作用决定：

• 软段（聚醚、聚酯、聚烯烃）：

  • 决定材料的柔韧性、低温性能和弹性。
  • 聚醚型：耐低温、耐水解（如海洋电缆）。
  • 聚酯型：高强度、高耐磨性（如汽车密封件）。
  • 聚烯烃型：微相分离度高，适合超低温应用（如-50°C冷冻设备）。

• 硬段（二异氰酸酯+扩链剂）：

  • 提供刚性、耐磨性和热稳定性。
  • 芳香族TPU（如MDI）：耐热性好，但低温性能差。
  • 脂肪族TPU（如HDI）：耐低温、耐黄变，适合户外应用。

6. 特殊改性与应用扩展

• 化学发泡改性

  • 通过发泡工艺降低密度（0.7~0.8 g/cm³），用于漂浮电缆、轻量化鞋垫等。

• 环保性能提升

  • 生物降解性：巴斯夫推出低VOC TPU，符合欧盟REACH法规，适合环保包装。
  • 抗UV/耐霉菌：通过添加稳定剂，使TPU满足GJB 150.01A耐霉菌测试。

• 复合材料

  • TPU与PP、PA等塑料共混（如苏州孔帆塑料的改性方案），可提升弹性、耐磨性，用于汽车轻量化部件。