Структуроване зведення для R&D-інженерів і технологів виробництва: чому один і той самий клас матеріалу може бути м'яким, як гумка, і жорстким, як підошва черевика — і як не помилитися з вибором марки.
Визначення
Термопластичний поліуретан (TPU, thermoplastic polyurethane) — це лінійний блок-кополімер, у якому чергуються «жорсткі» і «м'які» сегменти. За класифікацією ISO 18064 він належить до родини термопластичних еластомерів (TPE) і маркується як TPU. На відміну від литих (термореактивних) поліуретанів, TPU не зшивається у процесі переробки: його можна плавити, формувати і переробляти повторно, як звичайний термопласт. Саме це поєднання — еластичність гуми плюс технологічність пластику — зробило TPU одним із найуніверсальніших інженерних еластомерів.
Хімія і структура
Уявіть ланцюг, зібраний з двох видів ланок, що чергуються блоками. Перші — жорсткі сегменти — утворюються реакцією діізоціанату (найчастіше MDI) з невеликою молекулою-подовжувачем ланцюга (наприклад, 1,4-бутандіолом). Другі — м'які сегменти — це довгі гнучкі макромолекули поліолу (поліестерного або поліетерного). Жорсткі блоки прагнуть зібратися разом і утворюють фізичні «вузли» — кристалічні домени, які працюють як тимчасові зшивки. М'які блоки між ними розтягуються, як пружинки.
Коли матеріал нагрівають, жорсткі домени «розплавляються» і ланцюги течуть — TPU можна лити чи екструдувати. Коли він охолоджується, домени знову збираються, і виріб повертає еластичність. Це принципова відмінність від класичної вулканізованої гуми, де зшивки хімічні і незворотні: гуму не переплавиш, а TPU — так.
Співвідношення жорстких і м'яких сегментів визначає твердість. Більше жорстких блоків — твердіший матеріал (ближче до 95A і навіть у зону Shore D). Більше м'яких — гнучкіший (80A і нижче). Тому марки TPU називають за твердістю: м'які й середні — за Shore A (80A, 90A, 95A), тверді — за Shore D (55D, 65D). Скловолоконне армування зміщує матеріал ще далі у зону Shore D.
Властивості
| Параметр | TPU 85A | TPU 95A | Метод | Примітка |
|---|---|---|---|---|
| Твердість | 85 Shore A | 95 Shore A | ISO 868 | визначальний параметр марки |
| Густина | 1,12 г/см³ | 1,20 г/см³ | ISO 1183 | типово для класу |
| Міцність на розрив | 35–45 МПа | 45–55 МПа | ISO 37 | типово для класу |
| Видовження при розриві | 500–650% | 400–550% | ISO 37 | дуже висока еластичність |
| Опір роздиранню | 60–90 кН/м | 90–140 кН/м | ISO 34 | типово для класу |
| Стійкість до стирання | 25–40 мм³ | 20–35 мм³ | ISO 4649 | одна з найкращих серед еластомерів |
| Робочий діапазон | −40…+80°C | −40…+90°C | — | короткочасно вище |
Значення у таблиці — типові для класу TPU відповідної твердості, а не паспортні дані конкретної марки. Точні параметри під конкретну рецептуру уточнюйте за TDS і на тестовому литті.
Зверніть увагу на два рядки, які роблять TPU унікальним: видовження при розриві (сотні відсотків — матеріал тягнеться у рази) і стійкість до стирання. За абразивостійкістю поліестерний TPU перевершує більшість гум і навіть багато інженерних пластиків — саме тому з нього роблять ролики, привідні ремені і захисні чохли інструменту.
Поліестер чи поліетер: два «характери» одного класу
М'який сегмент визначає, у яких умовах TPU почуватиметься комфортно. Це найважливіший вибір, який часто недооцінюють:
- Поліестерний TPU — вища механіка, краща стійкість до стирання, масел і вуглеводнів. Слабкість — гідроліз: у гарячій воді й вологому кліматі поліестерний ланцюг поступово розщеплюється.
- Поліетерний TPU — краща гідролітична стійкість, поведінка на холоді й опір мікроорганізмам (грибку). Поступається поліестеру за абразивом і стійкістю до олив.
- Полікапролактоновий TPU — компромісний варіант, що поєднує частину переваг обох, але дорожчий.
Несподіваний для багатьох факт: дві марки з однаковою цифрою «85A» можуть поводитися протилежно у вологому теплому середовищі лише через те, що в одній поліестерний поліол, а в іншій — поліетерний. Тому твердість за Shore — необхідна, але недостатня характеристика для вибору.
Як виробляється
TPU синтезують поліприєднанням (поліаддицією): діізоціанат реагує з сумішшю поліолу і подовжувача ланцюга. Є два основні маршрути — преполімерний (спершу готують форполімер, потім подовжують ланцюг) і one-shot (усі компоненти змішують одночасно). Реакцію ведуть у реакторі або безпосередньо у реакційному екструдері; готовий розплав гранулюють.
Перші поліуретани синтезував Отто Баєр з командою у компанії IG Farben у 1937 році — за поширеною версією, почасти щоб обійти патенти DuPont на поліамід (нейлон). Історично поліуретан і нейлон — це «двоюрідні» матеріали, що народилися з конкуренції за один і той самий ринок волокон. Термопластичні поліуретани як окремий клас з'явилися пізніше, у 1950–60-х, і відтоді стали стандартом там, де потрібна «гума, яку можна лити».
Готову гранулу TPU перед переробкою обов'язково сушать — матеріал гігроскопічний, а волога при високих температурах руйнує ланцюг (про це детальніше у блоці обмежень). Переробляють TPU литтям під тиском, екструзією (плівки, шланги, профілі, кабельна ізоляція), роздувом, а останніми роками — і 3D-друком (філамент для FDM та порошок для SLS).
Типові застосування
- Взуття. Підошви, проставки, амортизаційні елементи, шиповані набійки. TPU тримає форму, не «розкисає» і чудово протистоїть стиранню.
- Промислові ролики й колеса. Поліуретанові бандажі на колеса навантажувачів, рольгангів, конвеєрів — там, де гума зноситься швидко.
- Привідні й транспортувальні ремені. Висока міцність і стійкість до згину.
- Гнучкі шланги і трубки. Пневматика, паливні й гідравлічні магістралі низького тиску (поліестерний TPU — стійкий до олив).
- Кабельна ізоляція й оболонки. Гнучкі кабелі, що працюють на згин і стирання (робототехніка, спіральні кабелі).
- Захисні чохли і демпфери. Корпуси інструменту, бампери, ущільнювачі, віброгасники.
- Спорттовари і носимі пристрої. Ремінці, накладки, захисні елементи, 3D-друковані устілки.
Порівняння з сусідами по класу
| Властивість | TPU | TPE-S (SBS/SEBS) | Вулканізована гума | М'який ПВХ |
|---|---|---|---|---|
| Стійкість до стирання | дуже висока | середня | висока | низька |
| Стійкість до олив (поліестер) | висока | низька | залежить | середня |
| Можливість переплавки | так | так | ні | так |
| Робота на холоді | −40°C | до −60°C | залежить | гірша |
| Пластифікатори у складі | ні | ні | ні | так (мігрують) |
Висновок: TPU виграє там, де одночасно потрібні висока механіка, стійкість до стирання й олив і технологічність термопласту. SBS/SEBS-компаунди (родина Exaflex® теж їх охоплює) часто дешевші й м'якші, але поступаються за абразивом і маслостійкістю. М'який ПВХ дешевий, але містить пластифікатори, що з часом мігрують — для контакту зі шкірою чи харчовими продуктами це часто небажано.
Маркування у промисловості
Твердість TPU вказують за шкалою Shore: Shore A для м'яких і середніх (ISO 868, ISO 7619-1), Shore D для жорстких. Тут діє практичне правило: до ~95A твердість читають за Shore A, далі переходять на Shore D. Шкала Shore A не може перевищити 100 і близько стелі «стискається», тому втрачає роздільність. У точці переходу шкали стикуються: 95A ≈ 45D. Орієнтири на дотик: 80A — як шина велосипеда, 95A — як колесо ролика, 65D — вже тверда деталь, майже як конструкційний пластик. Залежність A↔D нелінійна: 65D відповідає приблизно 99A — близько до стелі шкали (вище 100 шкала A не йде), а тверді марки й вимірюють за Shore D. Загалом ненаповнені TPU доходять до ~80–85D, склонаповнені й армовані — вище.
Повне позначення матеріалу за ISO 1043 / ISO 18064 для родини термоеластопластів — TPU; інколи додають індекс типу поліолу: ester (поліестер) або ether (поліетер). У технічних специфікаціях зустрічаються скорочення TPU-ARES (ароматичний жорсткий сегмент + поліестерний поліол) і TPU-ARET (ароматичний + поліетерний) — літери кодують тип сегментів за ISO 18064.
Обмеження, про які варто знати заздалегідь
TPU — потужний матеріал, але має чесні межі, і відповідальний вибір починається саме з них:
- Гідроліз поліестерних марок. У гарячій воді, парі чи постійній високій вологості поліестерний TPU поступово втрачає міцність. Для таких умов — поліетерна марка.
- Температурна стеля. Тривала експлуатація зазвичай до ~80–90°C; за вищих температур еластомер розм'якшується. Для гарячих зон потрібні інші класи матеріалів.
- Гігроскопічність. Незасушена гранула при литті дає бульбашки, сріблястість і падіння міцності — сушка обов'язкова.
- Чутливість до УФ і озону (для деяких марок) — для зовнішнього застосування потрібна стабілізація.
- Прилипання у формі й до шнека. М'які марки схильні «тягнутися» — потрібні відповідні налаштування і конструкція форми.
- Не для постійного контакту з концентрованими кислотами/лугами і деякими розчинниками.
Що перевірити перед серійним запуском
- Вологість гранули. Просушити за рекомендованим режимом (типово 70–90°C, кілька годин) і контролювати вологу — це критичніше для TPU, ніж для багатьох інших термопластів.
- Тип поліолу під середовище. Поліестер чи поліетер — звірити з реальними умовами експлуатації (волога, температура, контакт з оливами).
- Твердість на готовій геометрії. Shore-значення зразка і тонкостінної деталі можуть відчуватися по-різному — перевірити на реальному виробі.
- Компресійний залишок (compression set). Для ущільнень і демпферів — оцінити, наскільки деталь «запам'ятовує» стиснення.
- Поведінка на згин і втому. Для ременів, шлангів, кабелів — циклічні випробування у робочому діапазоні температур.
- Стирання у реальних парах тертя. Лабораторний ISO 4649 — орієнтир, але фінальне слово за натурним тестом.
- Стабільність партій і колір. Для видимих деталей — контроль відтінку між партіями.
Марки Material Wizard у цій категорії
Material Wizard постачає термопластичні поліуретани під брендом Exaflex® — лінійкою за твердістю від м'яких 80A до твердих марок у зоні Shore D (Exaflex® TPU 55D і 65D-EF), а також склонаповнений LGF30. Підбір марки залежить від середовища (волога, оливи, температура), геометрії деталі й способу переробки.
Exaflex® TPU 80AМ'який термопластичний поліуретан · висока еластичність · демпфери, гнучкі деталіУточнити умови поставки → Exaflex® TPU 90AУніверсальна твердість · ремені, шланги, кабельна ізоляціяУточнити умови поставки → Exaflex® TPU 95AЖорсткий зносостійкий поліуретан · ролики, підошви, навантажені деталіУточнити умови поставки → Exaflex® TPU 55DТвердий поліуретан, зона Shore D · конструкційні деталі, висока жорсткістьУточнити умови поставки → Exaflex® TPU 65D-EFНайтвердіша марка, ~65D · максимальна жорсткість і розмірна стабільністьУточнити умови поставки → Exaflex® TPU LGF30Армований TPU з довгим скловолокном · підвищена жорсткість і розмірна стабільністьУточнити умови поставки →Усі марки Exaflex® можна купити з доставкою по Україні. Ціна залежить від твердості, типу поліолу, обсягу партії й термінів — уточнюйте у спеціаліста: підкажемо марку під конкретне середовище і поточну наявність. Якщо у вас є зразок чи специфікація іншого виробника, ми підберемо співмірний матеріал, виготовлений за нашою рецептурою.
5 експертних питань перед вибором TPU
1. У якому середовищі працюватиме деталь — суха, волога чи гаряча вода?
Це визначає вибір між поліестерним і поліетерним поліолом. Помилка тут — найчастіша причина передчасного руйнування виробу через гідроліз.
2. Чи буде контакт з оливами, паливом або вуглеводнями?
Якщо так — схиляйтеся до поліестерної марки, вона значно стійкіша до набухання в оливах.
3. Яка реальна твердість потрібна — і чи врахована геометрія?
Тонка стінка з 95A відчувається жорсткішою, ніж масивна деталь з тієї самої марки. Shore — стартова точка, а не фінальна.
4. Деталь працює статично чи на постійний згин/удар?
Для динаміки критичні втомна довговічність і опір роздиранню, а не лише міцність на розрив.
5. Як деталь перероблятимуть — литтям, екструзією чи 3D-друком?
Від способу залежать вимоги до плинності й сушіння, а отже — і до вибору конкретної марки.
FAQ
Чим TPU відрізняється від звичайної гуми?
Гума вулканізована — її зшивки хімічні й незворотні, тому переплавити її не можна. TPU тримає форму завдяки фізичним «вузлам» із жорстких сегментів, які розплавляються при нагріві. Це робить TPU термопластом: його можна лити, екструдувати й переробляти повторно, зберігаючи при цьому гумоподібну еластичність. За стійкістю до стирання й олив поліестерний TPU часто перевершує звичайну гуму.
Що означає твердість 80A, 95A чи 65D?
Це твердість за шкалою Shore A. 80A — м'який, гнучкий матеріал (приблизно як ластик чи протектор велосипедної шини), 95A — жорсткий і пружний (як колесо ролика). Чим вище число, тим твердіший матеріал. М'які й середні марки міряють за шкалою Shore A, тверді (від ~55D) — за Shore D: до ~95A це Shore A, далі переходять на Shore D.
Чому TPU треба обов'язково сушити перед переробкою?
TPU гігроскопічний — вбирає вологу з повітря. При температурах переробки волога вступає в реакцію з полімерним ланцюгом і розриває його (гідроліз у розплаві). Результат — бульбашки, сріблястість на поверхні й падіння механічних властивостей. Тому гранулу сушать перед литтям чи екструзією, зазвичай за температури близько 70–90°C протягом кількох годин.
Поліестерний чи поліетерний TPU — що обрати?
Якщо деталь працюватиме у вологому, гарячому середовищі або контактуватиме з гарячою водою — поліетерний (краща гідролітична стійкість, поведінка на холоді й опір грибку). Якщо головне — механіка, стійкість до стирання й до олив — поліестерний. Це рішення важливіше за саму цифру твердості.
Чи можна друкувати TPU на 3D-принтері?
Так. TPU випускають як філамент для FDM/FFF-друку і як порошок для SLS. Для гнучких марок при FDM важливі прямий шлях подачі філамента і невисока швидкість друку. Технологія SLS дозволяє друкувати ґратчасті (lattice) структури зі змінною щільністю — саме так роблять сучасні устілки й підошви.
Material Wizard (Деражня, Харків) — український постачальник інженерних полімерів з власним технічним підбором матеріалу. Уточнюйте у спеціаліста — підкажемо марку TPU під конкретне завдання і супроводимо випробування. Читайте також: каталог Exaflex® TPU · вуглеволоконне армування у поліамідах · поліамід PPA для високих температур.