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Chemisch-physikalische Struktur

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Neben einer Reihe ähnlicher Grundeigenschaften hat jedes thermoplastische Polyurethan (TPU) eine eigene individuelle Struktur.

Ein weit verbreitetes TPU ist Desmopan®, ein mehrphasiges Block-Copolymer, das in einer sorgfältig koordinierten Polyadditionsreaktion selektiv hergestellt wird, bei der drei grundlegende Rohstoffe involviert sind: ein Polyol (oder langkettiges Diol), ein kurzkettiges Diol – auch bekannt als Kettenverlängerer – und ein Diisocyanat.
Schematischer Überblick über TPU
Die in dieser Reaktion verwendeten Polyole sind in der Regel Polyester, Polyether oder Polycarbonat-Diole mit einer Molekülmasse zwischen 1000 und 4000. Einige geläufige kurzkettige Diole sind Butan-Diol, Hexan-Diol oder auch aromatische Diole. Als Diisocyanat werden üblicherweise Diphenylmethan-Diisocyanat oder Hexamethylendiisocyanat verwendet. Das Diisocyanat sorgt für die chemische Bindung zwischen den Diolen. Chemiker nennen diese Bindung „Urethan“. Die Häufigkeit der Urethan-Verbindungen in langkettigen Polymer-Molekülen verleiht dem Material den Namen „Polyurethan“.

Ein strukturiertes Netzwerk aus festen und flexiblen Segmenten

Wenn die Reaktion zwischen den chemischen Bausteinen des TPU gezielt kontrolliert wird, ist es möglich, eine größere oder kleinere Blockstruktur zu erhalten. Dies wird durch die Häufigkeit (Separation) von flexiblen Polyol-Gruppen und festen (geordneten) Kettenverlängerern bestimmt. Diese Ordnung in den Kettenverlängerer-Blöcken ist auf eine physikalische Interaktion mit den Kettenverlängerer-Blöcken der benachbarten Polymerkette zurückzuführen. Diese Interaktionen stellen den Knotenpunkt für das elastische Verhalten eines TPU dar. Gleichzeitig sind diese reversibel schmelzbaren Knotenpunkte eine Bedingung für das thermoplastische Verhalten eines TPU.Die flexiblen Polyol-Blöcke bilden dann die sogenannten „flexiblen Segmente“ (im Diagramm als Schnörkel dargestellt) in dem dreidimensionalen makroskopischen Raum, während die festen Kettenverlängerer-Blöcke die sogenannten „festen Segmente“ bilden (als Stäbe dargestellt).Die festen und flexiblen Segmente bilden das, was man verschiedene morphologische „Phasen“ nennt. Die Form und die Verteilung dieser Phasen, zu denen auch gemischte
Phasen aus festen und flexiblen Segmenten zählen können, sind letztlich die primären Bestimmungsfaktoren der Anwendungs- und Verarbeitungseigenschaften eines TPU.

Anpassbare Bausteine und Verfahren

TPU besitzt eine hohe Anpassungsfähigkeit, sodass es auf die Anforderungen verschiedener Anwendungen und Verarbeitungsverfahren abgestimmt werden kann. Diese Anpassung kann einerseits bei den chemischen Bausteinen des TPU stattfinden, andererseits im Rahmen des Herstellungsverfahrens. Was die Bausteine betrifft, so sind die nicht geordneten, flexiblen Segmente für die chemischen Eigenschaften des Materials sowie für seine Widerstandsfähigkeit gegenüber der Hydrolyse, Mikroorganismen und Chemikalien verantwortlich. Auch die wichtige Eigenschaft der Flexibilität bei niedriger Temperatur kann über die flexiblen Segmente eingestellt werden. Die geordneten oder „kristallinen“, festen Segmente bestimmten die Verarbeitungseigenschaften des TPU, wie den Schmelzpunkt und das Erstarrungsverhalten, sowie thermische Eigenschaften wie die Wärmeformbeständigkeit.Darüber hinaus können die Materialeigenschaften eines TPU auch in starkem Maße durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden, das heißt durch die Reihenfolge und die Intensität, mit der die Rohmaterialien gemischt werden, sowie durch die Mischtemperatur. Durch das Mengenverhältnis von festen und flexiblen Segmenten kann die Härte sehr stark variieren (44 60 Shore A bis 85 70 Shore D). Das Gleiche gilt für die Moduli bei mechanischen Tests (1 – 2000 MPa). Die Kettenlänge des TPU-Polymers kann über den Anteil an
Diisocyanat im Verhältnis zur Gesamtmenge an Diolen reguliert werden. Für TPU kann eine Molekülmasse zwischen 20.000 und 150.000 Mn erreicht werden. Zusätzliche Eigenschaften wie das Schmelzverhalten, die Wärmeformbeständigkeitstemperatur und die mechanische Festigkeit eines TPU können auf ähnliche Weise beeinflusst werden.

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