TPU材料的熱壓成型工藝研究

陳兵勇，丁 寧，劉 軍，韓 申，林春梅，李 斌

（湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003）

熱塑性聚氨酯（TPU）是一種分子主鏈含有較多氨基甲酸酯基團（─NHCOO─）的嵌段型高分子材料，其分子鏈基本呈線型，有一定量或少量物理交聯[1-2]，因具有優異的耐磨性能、良好的彈性以及環保性能，在航空航天、汽車制造、醫療器械等多個領域得到廣泛的應用[3]。TPU材料由于流動性能差和對加工成型設備粘著性強等缺點，一直被認為是成型困難的熱塑性彈性體[4-5]。對于一般規則結構的TPU制品，通常采用注塑成型、吹塑成型和3D打印成型[6-8]生產，對于大型中空曲面薄壁結構及其他復雜結構的TPU制品，由于結構復雜，傳統成型方法很難獲得尺寸和結構滿足設計要求的制品，可采用蘸塑成型、滾塑成型、熱合成型以及熱壓成型工藝[9-11]生產。本工作簡要介紹TPU材料的熱壓成型工藝，探討成型工藝對TPU材料性能的影響，并對TPU材料成型前后性能變化原因進行分析，為后續研究奠定基礎。

1 實驗

1.1 原材料

TPU粒料，美國路博潤公司產品，經流延加工成型為厚0.70 mm的膜片。

1.2 主要設備和儀器

350 t橡膠平板硫化機，磐石油壓工業（安徽）有限公司產品；UTM7103Z08型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司產品；CFT-500EX型毛細管流變儀，日本島津公司產品；ARES型高級擴展流變儀，美國TA公司產品。

1.3 熱壓成型工藝

TPU材料熱壓成型原理是利用TPU材料熱塑性特點，將TPU材料填入預熱模具使其充分軟化并在壓力作用下迅速充滿型腔，然后進行冷卻，以獲得與型腔結構相應的制品，其工藝流程如圖1所示。

1.4 試樣制備

TPU材料試片的成型模具在烘箱或在平板硫化機上預熱至140～165 ℃后開啟，填入厚度為0.75 mm的TPU材料膜片（膜片已先在70 ℃烘箱中加熱干燥4 h，確保材料得到充分干燥[12]），合模后加壓至5～7 MPa，模具在加壓狀態下冷卻至60℃以下開模，制得TPU試片。

模具冷卻采用如下3種工藝。

（1）工藝一：快速冷卻，即平板硫化機加熱板處于常溫狀態，填入TPU材料膜片后采用硫化機加熱板熱傳導快速降溫，冷卻時長約1 h。

（2）工藝二：風冷，即平板硫化機加熱板處于高溫狀態，填入TPU材料膜片后停止硫化機加熱，采用大功率風扇降溫，冷卻時長約4 h。

（3）工藝三：自然冷卻，即平板硫化機加熱板處于高溫狀態，填入TPU材料膜片后停止硫化機加熱，自然降溫，冷卻時長約8 h。

1.5 性能測試

邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行測定；拉伸性能按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》進行測定；撕裂性能按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》進行測定；相對分子質量及其分布按照GJB 1965—1994《端羥基聚丁二烯的相對分子質量及其分布（凝膠色譜法）》進行測定。

2 結果與討論

2.1 TPU材料熱壓成型溫度

TPU材料的流變性能反映了其在高溫狀態下的流動特性，是確定其模壓成型工藝參數的重要依據[13-15]。采用擴展流變儀測試的TPU材料的流變曲線如圖2所示，其中η*為粘度，G′為彈性模量，G″為粘性模量。

從圖2可以看出，在測試溫度為100 ℃以下，TPU材料的粘度基本維持恒定；在測試溫度為100℃以上，隨著測試溫度的升高，TPU材料的粘度逐漸下降，TPU材料具有一定的流動性；測試溫度升至160 ℃以上時，TPU材料的彈性模量和粘性模量急劇下降；當測試溫度為167 ℃時，TPU材料的彈性模量與粘性模量達到平衡，表明TPU材料開始進入粘流態。

采用毛細管流變儀測試的TPU材料的行程-溫度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，測試溫度達到140 ℃后，TPU材料開始軟化，表明軟化點在140 ℃左右。

TPU材料的熱壓成型溫度應選擇在軟化溫度與粘流溫度之間，結合TPU材料的實際熱壓成型效果，最終確定TPU材料的熱壓成型溫度范圍為140～165 ℃。

2.2 熱壓成型對TPU材料性能的影響

2.2.1 表觀性能

在熱壓成型前TPU材料膜片為白色半透明膜片，在熱壓成型后TPU材料試片呈透明微黃色。TPU材料試片的顏色深淺與熱壓成型工藝有關，采用自然冷卻和風冷工藝成型的TPU材料試片的顏色明顯深于快速冷卻工藝成型的TPU材料試片，且隨著存放時間的延長，TPU材料試片的顏色逐漸加深。

2.2.2 物理性能

TPU材料試片經模具加熱加壓后需加壓冷卻定型，由于冷卻時間較長，TPU材料試片長時間處于高溫環境下會導致早期黃變和性能下降。熱壓成型冷卻工藝對TPU材料物理性能的影響如表1所示。

表1 熱壓成型冷卻工藝對TPU材料物理性能的影響Tab.1 Effect of cooling processes of hot pressing on physical properties of TPU materials

從表1可以看出，熱壓成型后TPU材料的性能較原TPU材料出現明顯降低，邵爾A型硬度、拉伸強度和撕裂強度均下降，降低幅度與冷卻方式有關，其中快速冷卻降低幅度較小，而自然冷卻降低幅度較大，表明TPU材料熱壓成型后出現一定程度的降解。在自然冷卻過程中，由于TPU材料長時間處于高溫狀態，導致其在熱氧環境中出現了氧化降解；而在快速冷卻過程中，因處于高溫狀態的時間相對較短，TPU材料的降解程度也較低。

2.3 凝膠色譜（GPC）分析

在熱加工條件下，由于受到熱氧環境的影響，聚醚型TPU分子容易出現軟段降解和斷裂，特別是聚醚軟段的—C—O—C—鏈段容易熱氧化降解而生成過氧化物或醛，導致TPU的相對分子質量減小，而相對分子質量減小程度可采用GPC數據作為評價依據[16-18]。熱壓成型前后TPU材料的GPC測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出，與TPU材料相比，熱壓成型后TPU材料出現相對分子質量減小現象，其中采用快速冷卻工藝制得的TPU材料的相對分子質量減小約8%，風冷工藝制得的TPU材料的相對分子質量減小約15%。

GPC分析結果表明，長時間熱壓成型造成TPU材料一定程度的降解，導致成型后TPU材料的早期黃變和物理性能下降，而采用快速冷卻方式降溫，TPU材料處于高溫環境中的時間相對較短，TPU材料的早期黃變和物理性能下降問題可得到較好控制。

3 結論

（1）TPU材料的熱壓成型溫度可根據其流變曲線確定，應在軟化溫度與粘流溫度之間，本研究確定為140～165 ℃。

（2）熱壓成型導致TPU材料的相對分子質量減小、早期黃變和物理性能下降，而這些現象的出現與TPU材料的熱壓時間有關，熱壓時間長則這些現象明顯。因此，TPU熱壓成型后快速冷卻或/和選擇氮氣保護氛圍。