用于产品设计的 TPU 塑料材料系列

热塑性聚氨酯（TPU）是一种多功能材料，因融合了塑料和橡胶的优点而闻名。其独特的成分具有优异的柔韧性、耐用性和回弹性，适用于各行各业的各种应用。本指南详细介绍了热塑性聚氨酯塑料、其特性、应用、加工方法以及为满足设计和制造需求而可能进行的改性。

什么是热塑性聚氨酯（TPU）？

热塑性聚氨酯（TPU）是一种可熔融加工的热塑性弹性体，以其高度耐用性和柔韧性而著称。它兼具塑料和橡胶的特性，具有多种物理和化学特性组合，适用于要求苛刻的应用。

热塑性聚氨酯的特性

热塑性聚氨酯塑料的类型

根据化学成分和用途，热塑性聚氨酯材料可分为几种类型。热塑性聚氨酯塑料的三种主要类型是

聚醚基热塑性聚氨酯

• 属性 聚醚基热塑性聚氨酯具有出色的低温柔韧性、耐水解性和抗微生物性。与聚酯基热塑性聚氨酯相比，它们的比重更低。.
• 应用： 适用于在潮湿和低温环境中使用的部件，如医疗器械、软管和户外设备。.

聚酯基热塑性聚氨酯

• 属性 聚酯基热塑性聚氨酯以其出色的机械性能、耐化学性和耐用性而著称。它们还具有优异的耐油和耐碳氢化合物性能。.
• 应用： 非常适合需要最佳物理性能和耐油性及耐化学性的应用，如汽车部件、工业部件和保护涂层。.

聚己内酯基热塑性聚氨酯

• 属性 聚己内酯基热塑性聚氨酯结合了聚酯基热塑性聚氨酯的韧性和耐性、低温性能和高抗水解性。.
• 应用： 非常适合液压和气动密封件，以及需要增强耐用性和稳定性的应用。.

热塑性聚氨酯的应用

热塑性聚氨酯塑料的多功能性使其适用于各行各业的广泛应用。下面是一些详细的例子：

汽车行业

• 密封件 热塑性聚氨酯树脂可提供坚固而灵活的密封件，能抵御温度变化和化学物质的影响，是车门密封件、车窗密封件和行李箱密封件的理想选择。.
• 汽车脚垫 热塑性聚氨酯汽车脚垫经久耐用、易于清洁、耐磨损。.
• 内部面板： 它具有柔软的触感，非常适合仪表板、扶手和其他内饰部件。.
• 安全气囊盖： 这种材料为安全气囊提供了必要的弹性和强度，确保安全有效地展开。.
• 防震尘靴 它用于减震器防尘罩，保护减震器不受灰尘和湿气的影响，延长其使用寿命。.

消费品

• 搅拌机 TPU 塑料用于搅拌机内的密封件和垫圈，以确保防漏操作，并在高速旋转时提供灵活性和耐用性。.
• 手机套： 这种材料具有出色的抗冲击性和柔韧性，是吸收冲击和防止损坏的手机保护壳的理想材料。.

食品和饮料行业

• 食品容器： 它具有柔韧性、耐化学性和形成气密密封的能力，因此被用于食品容器的密封件和盖子。.
• 水瓶 TPU 树脂为水瓶的盖子和密封件提供了一种耐用、柔韧的材料，确保水瓶防漏且易于打开和关闭。.

工业应用

• 密封件 它具有耐化学腐蚀、耐温度变化和耐机械应力的特性，因此被用于各种工业密封件中。.
• 灌木丛 TPU 材料制成的衬套既耐用又灵活，可以吸收工业机械中的冲击和振动。.
• 隔振支架： 热塑性聚氨酯是隔振支架的理想材料，它可以抑制振动，从而减少工业设备的噪音和磨损。.

医疗行业

• 软管： 热塑性聚氨酯材料因其柔韧性、生物相容性和耐消毒工艺的能力而被用于医用管道。.
• 牙科抛光机： 它为牙科抛光机提供了必要的柔韧性和耐用性，确保其使用的有效性和安全性。.
• 氧气面罩 TPU 塑料具有低过敏性和柔韧性，可为患者提供舒适的佩戴体验，因此被用于制造氧气面罩。.

运动装

• 头盔 它用于填充头盔，为佩戴者提供减震和舒适感。.
• 游泳鳍 这种材料为游泳鳍提供了柔韧性和耐用性，确保它们在水中性能良好而不退化。.
• 呼吸管 TPU 树脂具有柔韧性，能形成舒适的水密密封，因此被用于呼吸管中。.
• 鞋底 它为鞋底提供了柔韧性、耐用性和防滑性，提高了舒适性和安全性。.

电子产品

• 电缆绝缘 热塑性聚氨酯具有出色的电绝缘性、柔韧性和耐用性，是电缆绝缘的理想材料。.
• 插头 热塑性聚氨酯是一种柔韧耐用的电气插头材料，可确保插头经得起反复使用和压力。.

宠物用品

• 玩具 TPU 用于宠物玩具，具有耐用性、柔韧性和安全性，适合咀嚼和玩耍。.
• 喂食碗 TPU 可为喂食碗提供防滑底座，确保喂食时的稳定性。.
• 运输犬舍： 热塑性聚氨酯因其耐用性、抗冲击性和易清洗性而被用于运输犬舍。.

电动工具

• 柔软的工具手柄 人们在电动工具的手柄上使用热塑性聚氨酯，以提供舒适的防滑表面，吸收振动，减少用户疲劳，提高安全性。.

热塑性聚氨酯与热塑性弹性体的比较：区别

热塑性聚氨酯以其弹性、透明度、耐油、耐油脂和耐磨性而著称。它通常用于要求高性能、耐用性和柔韧性的应用领域，如鞋类、汽车零件和医疗设备。

另一方面，热塑性弹性体（TPE）是一类共聚物或聚合物（通常是塑料和橡胶）的物理混合物，兼具橡胶的特性和塑料的可回收性和加工优势。

说到它们的区别，这两种产品都有明显的特点，如下表所示。

对比表：热塑性聚氨酯与热塑性弹性体

提示：有关热塑性聚氨酯（TPU）和热塑性弹性体（TPE）之间区别的更多详情，请点击查看 热塑性聚氨酯与热塑性弹性体：工程应用、特性和选择指南.

热塑性聚氨酯的加工方法

我们可以使用各种传统和现代方法加工热塑性聚氨酯塑料。适当的加工可确保热塑性聚氨酯保持理想的性能，并在其预期应用中发挥有效作用。

注塑成型

注塑成型是将熔融热塑性聚氨酯注入模腔，冷却凝固成所需形状。

• 应用： 常用于生产具有严格公差的复杂形状，如手柄、垫圈、盖子和其他复杂零件。.
• 干燥要求 加工前确保残余含水量小于 0.05%，以防脆化。.

压缩成型

压缩成型是将热塑性聚氨酯材料放入加热的模具中，压缩形成所需的形状，然后冷却。

• 应用： 适用于生产需要高耐用性和抗冲击性的大型厚壁零件。.

吹塑

吹塑成型是将熔融热塑性聚氨酯吹入模腔，生产出空心零件。

• 应用： 是制作瓶子、容器和其他需要柔韧性和强度的中空零件的理想材料。.

挤压

挤出法是将熔融热塑性聚氨酯通过模具挤出管材、板材和型材等连续形状。

• 应用： 适用于制造大量统一产品，包括软管、薄膜和型材。.
• 干燥要求 加工前确保残余水分含量小于 0.02%。.

其他加工方法

• 复合： 热塑性聚氨酯可混合制成坚固的塑料模具，或使用有机溶剂加工成层压纺织品、保护涂层或功能性粘合剂。.
• 3D 打印： 热塑性聚氨酯长丝与 FDM（熔融沉积建模）和 SLS（选择性激光烧结）等 3D 打印技术兼容，可生产具有复杂几何形状的柔性零件。.

热塑性聚氨酯的改性

可对热塑性聚氨酯进行改性，以提高其性能和对特定应用的适用性。这些改性包括与其他材料混合、添加各种添加剂以及采用不同的加工技术。

与其他材料混合

• 将热塑性聚氨酯与聚醚和聚酯混合： 将热塑性聚氨酯与聚醚和聚酯相结合，可增强其在特定应用中的性能。聚醚基热塑性聚氨酯以其低温柔韧性和耐水解性著称，因此适用于湿度较高的环境。聚酯基热塑性聚氨酯具有优异的耐油和耐碳氢化合物性能，非常适合需要耐化学性的应用。.
• 聚碳酸酯二元醇（PCD）： PCD 生产出的热塑性聚氨酯具有卓越的性能特点，包括极高的耐用性、更强的耐化学性、更好的水解稳定性、更强的耐热性、更好的耐磨性和更优越的机械性能。.

添加剂

• 强化 TPU： 与玻璃或矿物填料/纤维混合后，热塑性聚氨酯成为一种结构工程聚合物，具有更强的耐磨性、更高的冲击强度、良好的耐燃料性和高流动性。.
• 紫外线稳定剂和抗氧化剂： 这些添加剂可防止热塑性聚氨酯因紫外线照射和氧化而降解，从而延长在户外或高温环境中使用的产品的使用寿命。.
• 阻燃剂： 在热塑性聚氨酯中添加阻燃剂可提高其阻燃性，使其适用于电缆护套和其他对阻燃性要求较高的应用。.

热塑性聚氨酯部件设计指南

为 SLS 制造设计热塑性聚氨酯部件

选择性激光烧结（SLS）是一种快速成型制造工艺，使用激光将粉末状材料（如热塑性聚氨酯粉末）逐层熔化。它可以在没有支撑结构的情况下制造出复杂的几何形状，因此适用于各种工业应用。

在设计用于使用 SLS 技术制造的热塑性聚氨酯部件时，必须考虑以下因素：

最小壁厚

热塑性聚氨酯粉末（SLS）要求最小壁厚为 1.5 毫米，以确保结构的完整性和灵活性。根据特定应用的需要，将壁厚增加到 3 毫米可增强刚性。

最小特征尺寸

• 设计特征不应小于 0.5 毫米，以确保印刷时的准确复制。
• 为提高可见度和耐用性，雕刻或压花细节的高度和宽度至少应为 1.5 毫米。

设计复杂性和装配

• 利用 SLS 技术生产复杂、封闭和联锁部件的能力，无需单独组装。
• 部件之间至少保持 1 毫米的间隙，以确保成功打印和组装。调整较大物体的间隙，以适应打印限制。

掏空和逃生孔

• 考虑将零件掏空，以节省材料并缩短打印时间。
• 镂空部件应包括直径至少为 1.5 毫米的逸出孔，以方便打印后清除粉末。

设计用于 FDM 制造的热塑性聚氨酯部件

熔融沉积建模（FDM）是一种快速成型制造工艺，在这种工艺中，热塑性材料（如 TPU 长丝）的连续长丝被加热并通过喷嘴逐层挤出，从而制造出所需的物体。

由于其方便性和成本效益，它被广泛用于原型设计和小规模生产。

以下是使用 FDM 技术有效设计热塑性聚氨酯部件的主要考虑因素。

最小壁厚

热塑性聚氨酯长丝（FDM）部件的最小壁厚应为 1.5 毫米，以确保结构的完整性，并防止在打印过程中发生翘曲。

最小特征尺寸

• 热塑性聚氨酯 FDM 设计中的特征应设计为不小于 0.5 毫米，以确保准确的印刷和功能性。
• 浮雕或雕刻细节的高度和宽度至少应为 1.5 毫米，以确保清晰可见和经久耐用。

设计复杂性和装配

• 简化用于 FDM 印刷的设计，最大限度地减少层粘合和材料柔性问题。
• 由于层粘结强度可能会受到限制，因此应避免复杂的连锁设计。

印刷注意事项

• 打印机要求 使用直接驱动挤压机，以便更好地控制柔性长丝。保持 50 ±10°C 的加热床温度。考虑将部件冷却风扇调至中或高。
• 打印速度 最佳速度为 15 至 20 毫米/秒，以确保正确的层粘合，并尽量减少长丝弯曲问题。
• 印刷温度： 挤出热塑性聚氨酯长丝的温度在 225-250°C 之间。温度越高，流动性越好，但可能会影响尺寸精度。
• 挤出设置： 调整挤出倍率，控制丝流，确保层间牢固粘合。
• 筏子和裙子 由于热塑性聚氨酯部件的翘曲极小，因此一般不需要裙边。取而代之的是，在打印开始时，使用裙边为挤出机填料，确保丝流。
• 撤回： 禁用回缩功能可防止长丝拉伸和喷嘴堵塞，这是柔性热塑性聚氨酯长丝的常见问题。

结论

热塑性聚氨酯（TPU）具有多功能性、耐用性和广泛的特性，是设计师和制造商不可多得的材料。通过了解不同类型的热塑性聚氨酯、其特性和潜在的改性，各行业可以做出明智的决定，在各种应用中充分发挥热塑性聚氨酯的优势。

无论是用于汽车零件、医疗设备、消费品还是工业部件，热塑性聚氨酯都能提供坚固耐用、适应性强的解决方案，满足现代制造业的需求。

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