Термопластичный полиуретан (ТПУ): чем отличается от литьевого и когда подходит для деталей

Полиуретан в деталях встречается в двух видах, которые в заявках часто не различают. Литьевой полиуретан получают из жидких компонентов прямо в форме, сетка у него химическая, и переплавить деталь нельзя. Термопластичный полиуретан приходит к переработчику в гранулах: его сушат, плавят и впрыскивают в металлическую форму или выдавливают через фильеру. Химия у обоих близкая, но технология и область применения различаются так сильно, что выбор между ними делают раньше выбора марки.

ТПУ плавится, потому что его сетка держится на жёстких блоках

Цепь ТПУ состоит из чередующихся мягких участков из полиэфира и жёстких участков из изоцианата с короткоцепным диолом. При комнатной температуре жёсткие участки собираются в домены, которые работают как узлы сетки, и материал пружинит как резина. При нагреве домены расходятся, и полимер течёт. По данным BASF, у марок Elastollan разложение начинается примерно с 230 °C, поэтому окно переработки узкое, а повторный перегрев отходов ухудшает свойства.

Второе следствие касается влаги. Гранулы ТПУ впитывают воду из воздуха, и без сушки при переработке появляются пузыри, а износостойкость падает. Изготовитель рекомендует сушить гранулы 3–4 часа: при 90–110 °C для марок 70–90 Shore A и при 100–120 °C для более жёстких. Для заказчика из этого вытекает простое правило: если деталь из ТПУ пузырится на срезе, причину ищут в подготовке материала, а не в самой марке.

Окно твёрдости ТПУ перекрывает резину и жёсткие пластики

Марки ТПУ выпускают от мягких, около 60 Shore A, до жёстких, около 74 Shore D, где материал уже ведёт себя почти как конструкционный пластик (данные BASF Elastollan). Литьевые системы для деталей обычно лежат в окне 60–95 Shore A, и выше по жёсткости там переходят на другие классы систем. Поэтому шестерню, зубчатый ремень или жёсткую втулку с упругостью делают из ТПУ шкалы D, а мягкий ролик, манжету или скребок из литьевого полиуретана.

Твёрдость в заявке на ТПУ указывают со шкалой. Запись «ТПУ 90» без буквы читают как 90 Shore A, но в спецификациях встречаются и марки, где число относится к шкале D, а разница между 90 A и 64 D для детали огромная.

Простоэфирный и сложноэфирный ТПУ делят воду и масло

Мягкий сегмент ТПУ строят на простом или сложном полиэфире, и от этого зависит, где деталь проживёт дольше. Сложноэфирные марки прочнее, лучше держат масло, топливо и износ. Их слабое место в гидролизе: при долгом контакте с горячей водой, паром или влажным тропическим воздухом цепи сложного полиэфира необратимо распадаются, и деталь теряет прочность. Мягкие марки страдают сильнее жёстких, потому что в них больше полиэфира.

Простоэфирные марки устойчивы к гидролизу и микроорганизмам, лучше гнутся на холоде, но набухают в масле больше. Пример выбора: скребок для мокрого конвейера и уплотнение в контакте с водой при +40 °C берут на простом эфире, деталь гидравлики в минеральном масле на сложном. Если в заявке написано «полиуретан» без уточнения, а деталь работает в воде, тип полиэфира становится первым вопросом изготовителя.

Длительное сжатие ограничивает ТПУ в уплотнениях

Для уплотнительной детали главное свойство в том, насколько она восстанавливает высоту после месяцев под поджатием. У ТПУ с физической сеткой это слабее, чем у резины и литьевого полиуретана, особенно при нагреве. BASF рекомендует не сжимать жёсткие марки больше 5 %, а мягкие больше 10 %, если остаточная деформация нежелательна, и отжигать готовые детали для лучшего результата. Уплотнительное кольцо в канавке сжато на 15–25 %, поэтому кольца круглого сечения из ТПУ для статики почти не применяют.

Зато в манжетах гидроцилиндров с подвижным контактом ТПУ работает: там деталь нагружена кромкой, а износостойкость важнее восстановления высоты. Отдельно смотрят на температуру: длительный предел для большинства марок ТПУ около +80…+100 °C, выше упругость падает быстро.

Количество деталей выбирает технологию

Литьё под давлением даёт деталь из ТПУ за секунды, но требует металлической литьевой формы и настройки машины. Экструзия даёт профиль, шланг или ленту, но под каждое сечение нужна фильера. Для единиц и десятков штук ни то ни другое не окупается. Тогда деталь либо точат из готового прутка или плиты ТПУ, либо переходят на литьевой полиуретан, где форма проще, а литьё полиуретана не требует термопластавтомата.

Пример: заказчику нужны 6 амортизирующих втулок 40×20×30 мм. Из ТПУ их можно выточить из прутка подходящей марки, если такой пруток есть в наличии; если нет, литьевая втулка из полиуретана нужной твёрдости делается в простой форме. На 5 000 таких втулок ответ обратный: ТПУ, отлитый под давлением, даст меньшую цену штуки и одинаковые размеры по всей партии.

Матрица отличий ТПУ и литьевого полиуретана в детали

Свойства обоих материалов перекрываются, поэтому сравнение полезно вести по тому, что заказчик получит в руки.

Толстые сечения важны для роликов и футеровки. При литье под давлением массивная деталь из ТПУ остывает неравномерно, и в центре возможны утяжины и пустоты, поэтому изделия толщиной в десятки миллиметров чаще делают из литьевых систем. Какие марки литьевых систем применяют и каковы их пределы, видно по литьевому полиуретану.

Заявка на ТПУ отделяет известное от предположений

Чаще всего в старом чертеже стоит одно слово «полиуретан». Технолог раскладывает такую заявку на две части. Известно: размеры, количество, среда со слов заказчика. Предполагается: тип полимера (ТПУ или литьевой), тип полиэфира, твёрдость и шкала, если старую деталь не измеряли.

Цвет образца о материале почти ничего не говорит: и ТПУ, и литьевой полиуретан бывают жёлтыми, красными, прозрачными, синими. Всё, что изготовитель выбрал сам, в КП подписывают как его предложение и согласуют до запуска, чтобы при повторе партии не появилась деталь из другого материала с тем же обозначением.

Чем ТПУ отличается от литьевого полиуретана?

Термопластичный полиуретан отличается от литьевого тем, что его сетка физическая: ТПУ плавится и перерабатывается литьём под давлением и экструзией, а литьевой полиуретан отверждается в форме из жидких компонентов и уже не плавится. ТПУ выгоден в серии и для жёстких марок до 74 Shore D, литьевой лучше для малых партий, толстых роликов и деталей под долгим поджатием.

Подходит ли ТПУ для уплотнений?

Термопластичный полиуретан подходит для подвижных уплотнений вроде манжет гидроцилиндров, где важны износ и стойкость к выдавливанию, при температуре до +80…+100 °C. Для неподвижных колец и прокладок под постоянным сжатием 15–25 % он хуже резины и литьевого полиуретана: изготовитель ТПУ рекомендует сжатие не больше 5–10 %, иначе растёт остаточная деформация. В воде выбирают марки на простом полиэфире.

Пробная деталь из ТПУ отвечает на вопрос о ресурсе

Ни таблица марок, ни паспорт гранул не скажут, сколько проработает деталь в вашем узле. Для серии разумно сделать несколько пробных деталей точением или печатью, поставить их в узел и записать условия: среду, температуру, число циклов, вид износа. Когда спор идёт между ТПУ и литьевым полиуретаном, пробу делают из обоих материалов на соседних позициях. Для расчёта полиуретановой детали пришлите чертёж или образец, количество сейчас и в год и условия работы, а тип полимера и полиэфира технолог предложит с основанием. Если деталь нужна для макета перед серией, сравните варианты с 3D-печатью резиноподобных деталей.