TPU 소재의 합성, 가공, 성능 및 응용

TPU(열가소성 폴리우레탄)열가소성 폴리우레탄은 가열에 의해 가소화되고 용매에 용해될 수 있는 폴리우레탄의 일종입니다. 혼합형 및 주조형 폴리우레탄과 비교했을 때, 열가소성 폴리우레탄은 화학 구조 내에 화학적 가교 결합이 없거나 거의 없으며, 분자 구조는 기본적으로 선형이지만 일정량의 물리적 교환이 존재합니다.
1958년 Schollenberger CS가 처음 제안한 소위 물리적 교환 개념은 열이나 용매에 노출될 때 선형 폴리우레탄 분자 사슬 사이에 가역적인 "연결점"이 존재한다는 것을 의미합니다. 이는 엄밀히 말하면 화학적 가교는 아니지만, 화학적 가교처럼 작용합니다. 이러한 물리적 가교로 인해 폴리우레탄은 이질적인 형태 구조를 형성하며, 폴리우레탄의 수소 결합은 형태를 강화하고 높은 습도에 대한 저항성을 부여합니다.

TPU의 분류는 무엇입니까?

이제 TPU가 무엇인지 알았으니, TPU의 분류는 어떻게 될까요? 다양한 분류 기준에 따라 TPU는 여러 가지로 분류될 수 있습니다.

예를 들어, 연질 세그먼트의 구조에 따라 에스테르기, 에테르기 또는 부텐기를 각각 포함하는 폴리에스테르형, 폴리에테르형 및 부타디엔형으로 나눌 수 있다. 경질 세그먼트의 구조에 따라 디올 사슬 연장제 또는 디아민 사슬 연장제로부터 각각 얻어지는 우레탄형과 우레탄우레아형으로 나눌 수 있다. 일반적으로는 폴리에스테르형과 폴리에테르형으로 구분한다.
가교 결합 유무에 따라 순수 열가소성 수지와 반열가소성 수지로 나눌 수 있다. 순수 열가소성 수지는 가교 결합이 없는 순수한 선형 구조이며, 반열가소성 수지는 소량의 알로파네이트 및 기타 가교 결합을 포함한다. 완제품의 용도에 따라 특수 형상 부품(각종 기계 부품), 파이프(외피, 봉형 프로파일), 필름(시트, 판재), 접착제, 코팅제 및 섬유로 분류할 수 있다.

TPU는 어떻게 합성되나요?

TPU는 여러 분류가 있지만 분자 구조상으로는 모두 폴리우레탄에 속합니다. 그렇다면 TPU는 어떻게 만들어졌을까요? 합성 공정에 따라 크게 벌크 중합과 용액 중합으로 나눌 수 있습니다.

대량 중합은 사전 반응의 유무에 따라 예비 중합법과 단일 단계법으로 나눌 수 있다. 예비 중합법은 디이소시아네이트와 고분자 디올을 일정 시간 동안 반응시킨 후 사슬 연장제를 첨가하여 TPU를 제조하는 방법이고, 단일 단계법은 고분자 디올, 디이소에스테르 및 사슬 연장제를 동시에 혼합하고 반응시켜 TPU를 형성하는 방법이다.
용액 중합은 먼저 다이이소시아네이트를 용매에 용해시킨 후, 고분자 다이올을 첨가하여 일정 시간 동안 반응시키고, 마지막으로 사슬 연장제를 첨가하여 TPU를 생성하는 공정입니다.
TPU의 밀도는 연질 세그먼트의 종류, 분자량, 경질 세그먼트 또는 연질 세그먼트 함량, 그리고 TPU의 응집 상태에 따라 달라집니다. TPU의 밀도는 1.10에서 1.25 사이로, 다른 고무 및 플라스틱과 크게 다르지 않습니다. 동일한 경도에서 폴리에테르 TPU의 밀도는 폴리에스터 TPU보다 낮습니다.

TPU는 어떻게 가공되나요?

TPU 수지는 완제품을 만들기 위해 가공 과정을 거쳐야 하며, 주로 용융법과 용액법으로 가공됩니다. TPU의 분자 구조는 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI) 또는 톨루엔디이소시아네이트(TDI)와 사슬 연장제, 그리고 디이소시아네이트(예: MDI 또는 TDI) 분자와 반응하여 얻은 강성 블록과, 고분자 폴리올이 교대로 반응하여 형성된 유연한 부분들로 구성됩니다.

용융 가공은 플라스틱 산업에서 흔히 사용되는 공정으로, 혼합, 캘린더링, 압출, 블로우 성형 및 성형(사출, 압축, 이송 및 원심분리 등 포함) 등이 있습니다. 용액 가공은 펠릿을 용매에 용해시키거나 용매에서 직접 중합시키는 공정입니다. 용액을 만든 후 코팅, 방사 등의 공정을 수행합니다.
TPU는 최종 제품으로 만들어질 때 일반적으로 가황 및 가교 반응이 필요하지 않으므로 생산 주기를 단축할 수 있으며 폐기물을 재활용 및 재사용할 수 있습니다.

TPU 성능

주조 폴리우레탄(액체) 및 혼합 폴리우레탄(고체)과 마찬가지로 TPU는 높은 탄성률, 고강도, 신장률 및 탄성, 우수한 내마모성, 내유성, 저온 저항성 및 내노화성을 가지고 있습니다. 특히 높은 인장 강도, 신장률 및 낮은 장기 압축 영구 변형률은 TPU의 중요한 장점입니다.

1. 높은 인장 강도 및 높은 연신율
TPU는 우수한 인장 강도와 신장률을 가지고 있습니다. 아래 그림의 자료에서 볼 수 있듯이, 폴리에테르 TPU의 인장 강도와 신장률은 폴리염화비닐(PVC) 플라스틱 및 고무보다 훨씬 뛰어납니다.

또한 TPU는 가공 과정에서 첨가제를 전혀 또는 거의 첨가하지 않고도 식품 산업의 요구 사항을 충족할 수 있는데, 이는 PVC나 고무와 같은 다른 소재로는 어려운 점입니다.

2. 회복탄력성은 온도에 매우 민감합니다.
TPU의 복원력은 변형 응력이 해제된 후 원래 형태로 빠르게 회복되는 정도를 나타내며, 이는 회복 에너지, 즉 변형에 필요한 에너지에 대한 변형 후 원래 형태로 되돌아가는 데 필요한 에너지의 비율로 표현됩니다. 복원력은 엘라스토머의 동적 탄성률과 내부 마찰에 따라 달라지며 온도 변화에 매우 민감합니다.

스프링백은 온도가 낮아짐에 따라 감소하다가 특정 온도에 도달하면 탄성이 다시 급격히 증가합니다. 이 온도는 연질 세그먼트의 결정화 온도이며, 이는 고분자 다이올의 구조에 따라 달라지는데, 폴리에테르 TPU의 결정화 온도는 폴리에스터 TPU보다 낮습니다. 결정화 온도 이하에서는 엘라스토머가 매우 단단해지고 탄성을 잃어버리기 때문에 반발력이 단단한 금속 표면에서 튕겨 나오는 것과 유사해집니다.

3. 경도 범위는 쇼어 A60~D80입니다.
경도는 재료가 변형, 흠집 및 긁힘에 저항하는 능력을 나타내는 지표입니다.
TPU는 연질 및 경질 사슬 부분의 비율을 조절하여 경도를 조절할 수 있습니다. 따라서 TPU는 비교적 넓은 경도 범위를 가지며, 쇼어 A60에서 D80까지의 경도 범위를 통해 고무와 플라스틱의 경도 범위를 아우르고, 전체 경도 범위에서 높은 탄성을 나타냅니다.
TPU의 경도가 변함에 따라 일부 물성이 변화합니다. 예를 들어, TPU의 경도가 증가하면 인장 탄성률 및 인열 강도 증가, 강성 및 압축 강도(하중 용량) 증가, 신장률 감소, 밀도 및 동적 발열량 증가, 환경 저항성 향상과 같은 성능 변화가 나타납니다.

TPU의 응용 분야

TPU는 1958년 미국의 굿리치 화학 회사(현 루브리졸)에서 최초로 상용화에 성공했으며, 이후 전 세계적으로 연구 및 개발이 확대되어 왔습니다. 현재 TPU 원료 제조업체로는 BASF, 코베스트로, 루브리졸, 헌츠맨, 완화화학, 상하이 헝안, 루이화, 아사히카와화학 등이 있습니다.
TPU는 우수한 성능을 지닌 엘라스토머로서 다양한 하위 제품을 생산하며 생활용품, 스포츠 용품, 장난감, 장식 재료 등 여러 분야에 널리 사용됩니다. 몇 가지 예를 들어보겠습니다.
1. 신발 소재
TPU는 뛰어난 탄성과 내마모성 덕분에 신발 소재로 주로 사용됩니다. TPU가 함유된 신발은 일반 신발보다 착용감이 훨씬 뛰어나기 때문에 고급 신발, 특히 스포츠화와 캐주얼화에 널리 사용됩니다.


2. 호스
TPU 호스는 부드러움, 우수한 인장 강도, 충격 강도 및 고온/저온 저항성을 가지고 있어 중국에서 항공기, 탱크, 자동차, 오토바이, 공작기계 및 기타 기계 장비의 가스 및 석유 운송용 호스로 널리 사용됩니다.



3. 케이블
TPU는 인열 저항성, 내마모성, 굽힘 저항성을 제공하며, 고온 및 저온 저항성은 케이블 성능의 핵심 요소입니다. 따라서 중국 시장에서는 제어 케이블이나 전력 케이블과 같은 고급 케이블에 TPU를 사용하여 복잡한 설계의 케이블 외피 소재를 보호하는 데 활용도가 점점 높아지고 있습니다.



4. 의료 장비
TPU는 PVC를 대체할 수 있는 안전하고 안정적이며 고품질의 소재입니다. 프탈레이트와 같은 유해 화학 물질을 함유하지 않아 의료용 카테터나 의료용 백에 함유된 혈액이나 기타 액체로 용출되어 부작용을 일으킬 염려가 없습니다. 압출용 및 사출용 TPU는 기존 PVC 장비에 약간의 조정만으로 쉽게 사용할 수 있습니다.