一文看懂TPU材料是什么及TPU塑料的性能、优缺点及用途
2019-01-30
TPU是什么材料？
TPU是热塑性聚氨酯弹性体橡胶的简称，TPU的英文是Thermoplastic polyurethanes。它完全不是传统意义上的纺织品，更不是皮革。TPU克服了PVC、PU皮和PU涂层的诸多缺陷，为防水、透气面料应用取得了重大突破。TPU不但拥有橡胶及普通塑料的大部分特性，而且还拥有优良的综合物理及化学性能，是介于橡胶和塑料间的高分子新型环保材料，既有橡胶的柔软，也有硬质塑料的坚硬。
TPU主要分为有聚酯型和聚醚型之分，它硬度范围宽(60HA-85HD)、耐磨、耐油，透明，弹性好，在日用品、体育用品、玩具、装饰材料等领域得到广泛应用，无卤阻燃TPU还可以代替软质PVC以满足越来越多领域的环保要求。
所谓弹性体，是指玻璃化温度低于室温度、断裂伸长率>50%、外力撤除后复原性比较好的高分子材料。聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，聚氨酯弹性体的硬度范围很宽，性能范围很宽，所以聚氨酯弹性体是介于橡胶和塑料的一类高分子材料。
可加热塑化，化学结构上没有或很少交联，其分子基本是线性的，然而却存在一定的物理交联，这类聚氨酯称为TPU。
TPU的特性
TPU的主要特性有:
1、硬度范围广：通过改变TPU各反应组分的配比，可以得到不同硬度的产品，而且随着硬度的增加，其产品仍保持良好的弹性和耐磨性。TPU的刚性可由弹性模量来度量。橡胶的弹性模量通常在1~10Mpa，TPU在10~1000Mpa，而塑料如尼龙、ABS、PC、POM等在1000~10000Mpa。TPU的硬度范围相当宽，从Shore A 60~Shore D 85，并且在整个硬度范围内具有高弹性。
2、机械强度高：TPU制品的承载能力、抗冲击性及减震性能突出。
3、耐寒性突出：TPU的玻璃态转变温度比较低，在零下35度仍保持良好的弹性、柔顺性和其他物理性能。TPU在很宽的温度范围内如-40~120℃，具有柔性，而不需要增塑剂。
4、加工性能好：TPU可采用常见的热塑性材料的加工方法进行加工，如注塑、挤出、压延等等。同时，TPU与某些高分子材料共同加工能够得到性能互补的聚合物合金。
5、耐油、耐水、耐霉菌。TPU对油类(矿物油，动植物油脂和润滑油)和许多溶剂有良好的抵抗能力。
6、再生利用性好。
7、TPU 还有良好的耐天候性，极优的耐高能射线性能。
众所周知，TPU的耐磨性，抗撕裂性，屈扰强度都是优良的；拉伸强度高，伸长率大，长期压缩永久变形率低等都是TPU的显著优点。
TPU的三大性能介绍
这里介绍的TPU性能包括三个方面：力学性能，物理性能和环境性能。
1. 力学性能：
TPU弹性体的力学性能主要包括：硬度，拉伸强度，压缩性能，撕裂强度，回弹性和耐磨性能，耐屈扰性等，而TPU 弹性塑料的力学性能，除这些性能外，还有较高剪切强度和冲击功等。
(a)硬度:硬度是材料抵抗变形，刻痕和划伤的能力的一种指标。TPU硬度通常用邵尔A(Shore A)和邵尔D(shore D)硬度计测定，邵尔A用于比较软的TPU，邵尔D用于较硬的TPU。硬度主要由TPU结构中的硬段含量来决定，硬段含量越高，TPU的硬度就会随之上升。硬度上升后，TPU的其他性能也会发生改变，拉伸模量和撕裂强度增加，刚性和压缩应力(负荷能力)增加，伸长率降低，密度和动态生热增加，耐环境性能增加。TPU的硬度与温度存在一定关系。从室温冷却降温至突变温度(-4~-12℃)，硬度无明显变化;在突变温度下，TPU硬度突然增加而变得很硬并失去弹性，这是由于软段结晶作用的结果。
(b)硬度与定伸应力和伸长率的关系以及硬度与撕裂强度的关系。随着TPU硬度的增加，100%定伸应力和300%定伸应力迅速增加，伸长率下降。这主要是由于硬段含量增加的结果:硬段含量高，其所形成硬段相越易形成次晶或结晶结构增加了物理交联的数量而限制材料变形。若使材料变形必须提高应力，从而提高了定伸应力，同时伸长率下降。TPU硬度与撕裂强度的关系，随硬度增加，撕裂强度迅速增加，其理由亦与模量的解释相同。
TPU的配方和性能可进行非常多种类的排列组合。但是在现实设计配方和工业化生产时，却会因为原材料(多元醇和多异氰酸酯以及扩链剂)相互的限制，从而使真正可用于很高端的应用的研发还是非常的困难。
TPU性能缺点
1、内生热大，耐高温性能一般。正常使用温度范围是-40~120℃使用。若需在高频振荡条件或高温条件下长期作用，则必须在结构设计或配方上采取相应改性措施。
2、不耐强极性溶剂和强酸碱介质。在一定温度下，醇、酸、酮会使聚氨酯弹性体溶胀和降解，氯仿、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、三氯乙烯等溶剂在常温下就会使聚氨酯弹性体溶胀。
TPU的市场规模及发展前景
受益产业转移，中国及东南亚国家的TPU发展潜力大。
2007年至2010年，由于鞋材、机械、管材、汽车、建筑等行业发展很快，并且越来越多的耐磨材料采用TPU，全球对TPU的需求量日益增长，年复合增长率为6.6%。根据IAL统计，2007年全球TPU的消费量为38.43万吨，2010年为46.55万吨。随着TPU粒子及TPU薄膜的单价逐渐降低和欧盟地区对PVC等材料等限制，TPU材料的性价比渐渐凸现出来，同时TPU的卓越性能和环保特点也日益受到消费者的欢迎，未来预计年复合增长率将达到10%左右，预计2015年全球TPU材料的需求量将达到75万吨左右。
TPU行业在全球范围内发展相对不平衡，在欧美发达国家，TPU行业相对成熟；在中国及东南亚地区，由于产业转移，该地区的运动鞋、汽车、机械等行业的快速发展，逐步成为世界的加工厂，TPU行业得到了快速的发展。其中，亚洲是全球最大的TPU市场，其需求量约占全球的一半，欧州与北美各占据20%左右。
从需求领域来看，鞋材占比最大，接近整个TPU需求量的30%。其次是机械行业，约占28%左右，而管材、汽车、建筑领域各占据10%左右。
21世纪以来，我国TPU材料由于在鞋材、胶辊、滚轮、管材、胶黏剂、合成革、熔纺氨纶、薄膜等领域的巨大应用，市场迅速发展壮大。2010年国内市场消费15.4万吨，主要为中低端产品；而用于胶黏剂、熔纺氨纶、薄膜等领域的高端产品，因目前国内的产品质量尚差和不稳定，且规模小，还主要依靠欧、美进口。
TPU总的形势是欧、美进口，台湾、韩国在大陆厂生产产品和中国生产产品三分天下，但中国处于弱势。因此十二五期间，中国TPU主要目标为加大科研开发力度，提高工艺技术水平，扩大高端市场占有率。
台企发展成熟，大陆起步晚，主要针对中低端TPU薄膜。TPU行业竞争格局主要由三部分构成：中国台湾地区，国外，中国大陆。从地域角度来看，我国TPU行业主要生产企业与国外企业的对比情况如下：在中国市场，TPU行业的中高端市场主要由台湾地区及欧美企业所占据。台湾地区及国外TPU企业具有超过30年的发展历史，经验丰富，所以在中国TPU行业的市场地位十分重要。由于台湾及国外企业技术较为成熟，产品性能稳定，所以，台湾地区及国外企业主要占据中高端市场。国外企业多为多元化产品生产商，产品涉及聚氨酯产业链多个环节。如巴斯夫提供TPU上游原料如MDI、多元醇等基础化工材料，同时也生产TPU粒子，并在TPU粒子基础上生产TPU薄膜产品。再如拜耳（现改名为科思创）材料科技公司的TPU薄膜，主要是由其北美材料公司生产的Dureflex系列产品，拜耳材料也生产其他聚氨酯产品。亨斯迈的TPU薄膜产品主要专注于TPU玻璃板材，亨斯迈也提供MDI等基础化工产品。路博润生产多种型号TPU粒子和TPU薄膜产品。所以，国外企业的产品种类较多，TPU薄膜是多种材料产品中之一，产品结构综合性较强。
台湾企业的产品结构多为TPU薄膜与其他塑料制品，构成了台湾公司的主营产品。台湾地区企业产品主要集中在气动管、鞋材、粘合剂等市场。台湾鼎基化学除生产TPU薄膜外，还生产TPU密封件、气动管、传送带等相关TPU产品。台湾高鼎化学生产TPU粒子，并延伸TPU粒子生产线至TPU薄膜。由于中国TPU企业起步较晚，主要针对于中国中低端TPU薄膜市场，同时TPU薄膜生产的技术及生产经验门槛较高，所以造成现阶段中国专业TPU薄膜生产企业数量较少，行业集中度高。中国TPU薄膜生产商专业化程度最高。明显的特点是所生产的TPU薄膜种类多，覆盖TPU薄膜市场范围广泛。
国外TPU粒子企业产品主要集中在粘合剂、线缆、高端注塑等中、高端市场。除上述提及的台湾及国外企业外，还有韩国进兴工业，台湾昆仲和三晃都有生产TPU粒子。以巴斯夫、拜耳（科思创）为代表的国外企业占据了中国TPU粒子行业的高端市场。中国企业主要有烟台万华、浙江华锋和上海联景。TPU粒子整体行业集中度较高。
2015年我国TPU市场规模将近80亿。21世纪以来，我国TPU由于在鞋材、胶辊、滚轮、管材、胶黏剂、合成革、熔纺氨纶、薄膜等领域的巨大应用市场，2007年消费量11.5万吨，世界第一。2008年产能已达23万吨，为世界最大。目前，我国TPU市场整体需求较高，就TPU材料的发展趋势来看，其中TPU颗粒技术相对稳定，产品品种多，正处于不完全充分竞争和准入门槛上升的阶段；TPU薄膜现阶段技术不成熟，产品开发不稳定，品种有限，竞争者少，市场准入门槛暂时较高。依据行业成长性判断条件，初步可以确定，我国TPU颗粒行业处于成长期的初期阶段，TPU薄膜行业处于幼稚期向快速成长期迈进阶段。
2020年全球热塑性聚氨酯薄膜市场预测
热塑性聚氨酯薄膜市场收入将达7.246亿美元。根据美国市场调研公司GrandViewResearch发布的最新报告，至2020年，全球热塑性聚氨酯(TPU)薄膜市场收入预计将达7.246亿美元。汽车应用主导TPU薄膜市场，2013年需求量为1.16221万吨左右。在汽车领域，越来越多的TPU薄膜被用于油漆保护、防刮保护、抗碎片和后保险杠保护。售后市场的发展也将推动TPU薄膜市场增长。
亚太地区是全球最大的TPU薄膜区域市场，2013年需求量为1.6299万吨左右。未来六年内，预计汽车行业的发展以及运动产品和建筑领域对TPU薄膜需求的加大将促进这一市场的增长，2014-2020年复合年增长率有望达到7.8%。同时，相比其他区域市场，亚太地区TPU薄膜价格较低，这可能也有助于市场增长。
此外，报告还指出：2013年全球TPU薄膜市场需求为4.67691万吨。2014-2020年，预计复合年增长率为5.5%，至2020年需求量将达6.80331万吨。
航空航天业是需求增长最快的应用领域，预计2014-2020年复合年增长率将达6.6%。
2013年，北美和欧洲对TPU薄膜的需求量在全球总需求量中分别占27%和19%。汽车和建筑领域对TPU薄膜用量的加大将推动两地市场增长。
中国和印度主导亚太地区TPU薄膜市场。在2013年，两国需求量占该区域市场总需求量的60%以上。2013年，日本TPU薄膜需求为3,685.4吨左右。2014-2020年，预计当地需求复合年增长率将达4.9%。
全球TPU薄膜市场被四家公司高度占领：拜耳材料科技、亨斯曼、3M和PermaliGloucester。2013年这四家公司所占市场份额超过40%。其他领先公司还包括AmericanPolyfilm、PAR集团、Nippon、路博润和艾利丹尼森。
TPU新材料介绍
目前TPU系列的新材料有很多，如：防水透气TPU膜材、纳米纤维隔膜及防水透气PU涂层为主的面料，多种多样。有透明的、有彩色的，看上去很美；摸上去或光滑如丝，或带有丝丝缕缕纹路质感。这些TPU材料无半点橡胶、塑料的气味。
TPU复合面料有两种做法，一种叫后贴，先做成TPU薄膜再与面料上胶贴合；另一种叫在线复合，在面料上涂好胶或者不上胶，直接把TPU流延在面料上做成TPU复合面料或者夹网布。一般做后贴加工的工厂规模不大，在国内有许多小厂，多是从薄膜厂购买TPU薄膜，自身只完成上胶贴合的过程。后贴的过程要对TPU薄膜再次加高温高压，工艺控制不当便会对薄膜产生损伤，甚至出现细小破孔。
TPU的用途
用TPU复合面料做成的冲锋衣，看上去硬朗，很高大上；摸上去有柔滑、细腻的亲肤感；穿上能够明显感受到透气、防风、防水、且耐用等特点。既能满足登山、探险爱好者的保暖、防晒需求，又能保证人体排汗排湿的透气、透湿需求。
TPU的用途绝对不止是服饰。因为它具有硬度范围宽（60HA-85HD）、耐磨、耐油、透明、弹性好等特点，而且被公认为是绿色环保、性能优异的新型高分子材料，所以与TPU相关的新技术、新产品及新用途不断被开发并投入市场。在管材、薄膜和片材、线缆、汽车、建筑、医药卫生、国防、运动休闲以及鞋、包等功能性户外装备等几乎各行各业，都能看到TPU的影子，发展前景一片光明。
下面是各种TPU成型品的用途：
汽车部件方面：球型联轴节;防尘盖;踏板刹车器;门锁撞针;衬套；板簧衬套;轴承;防震部件;内外装饰件;防滑链等
机械·工业用部件：各种齿轮;密封件(主要起耐磨和耐油作用);防震部件;取模针;衬套;轴承；盖类;连接器;橡胶筛;印刷胶辊等
服饰辅料：女士文胸肩带、服装松紧带等。
鞋类：垒球鞋、棒球鞋、高尔夫球鞋、足球鞋鞋底及鞋前掌；女士鞋后跟;滑雪靴;安全靴，高档鞋底等
管材·软管；高压管;医疗管;油压管;气压管;燃料管;涂敷管；输送管;消防水带等
薄膜·板材：转动带(具有一定的拉伸作用);气垫;膜片;键盘板;复合布等
电线·电缆：电力通信电缆;计算机配线;汽车配线;勘探电缆等
其他：自位轮；把手；表带；各种环形管线;圆形带；V型带;同步带;防滑带等
压 延：软体槽、罐类;薄膜复合片材箱包面料等
吹 塑：各种车辆用箱类;各种容器类
吹 膜：超薄、宽幅薄膜(医疗、卫生用品)
溶液；熔接料;粘接剂;人造革、合成革、绳、铁丝、手套等涂层
油墨连接料:具有耐磨性好、高韧性、抗回粘性能优异等特点。
主要优点:优异的附着力;低粘度;良好的耐曲挠性;优异的耐磨性;高光泽度;耐候性能优。
溶剂体系:酮类溶剂；应用:各类鞋材油墨，丝印油墨，涂层色浆等。
随着社会的发展和技术的进步，新材料的应用越来越广泛，TPU自从上世纪80年代初开始从军用转为军民两用，并以民用为主后，产品的品种牌号不断增加，生产规模日益扩大，在国民经济各部门及人们的衣食住行各方面所发挥的作用将越来越重要。
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