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TPU车衣基膜全面解析

TPU(Thermoplastic polyurethanes)名称为热塑性聚氨酯弹性体,是介于橡胶和塑料的一类高分子材料。最早由德国拜耳公司于1958年研制成功。美国Goodrich化学公司(现在更名为路博润)在1958年首次登记了TPU商品牌号Estane。

TPU具有优良的物理力学性能,加热可以塑化,冷却可以固化定型。TPU既有橡胶材料的高弹性,又有工程塑料的高强度,具有高强度、高韧性、高弹性、高模量,以及耐化学腐蚀、耐磨、耐油、减震能力强等优异的综合性能,被广泛应用于鞋材、电缆、薄膜、管材、汽车、医疗等行业。

从TPU市场需求领域来看,目前,鞋材占比最大,接近整个TPU市场需求量的30%。其次是机械行业,约占28%左右,而管材、汽车、建筑领域各占据10%左右。

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△TPU需求领域

  - TPU基膜在汽车领域的应用 -  

TPU薄膜是TPU材料的一种重要应用形式。TPU薄膜是在TPU颗粒料的基础上,经压延、流延、吹膜、涂覆等特殊工艺制成的薄膜。由于TPU薄膜具有高透湿、透气性、耐寒、抗热、耐磨、高张力、高拉力、高负载支撑力的特点,其应用非常广泛,日常生活中的方方面面都可以发现TPU薄膜的身影,比如包装材料、塑料帐篷、水囊气囊、箱包复合布等,都会用到TPU薄膜。

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目前,TPU薄膜应用在汽车领域,最受关注的非TPU隐形车衣莫属。

从结构上来讲,TPU隐形车衣主要由功能涂层、TPU基膜、胶层复合而成。其中,TPU基膜作为隐形车衣的灵魂,品质至关重要,在性能方面的要求极高。


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△TPU车衣膜构成

  - 深度解析车衣膜常见问题 -  

黄变和水解是目前PPF市场上出现最多的两个问题,伤害到了终端消费者的利益。这说明TPU基膜在应用过程中还存在一些问题,从生产层面来讲,无论是基膜的选型还是基膜与涂布配合,都有一些混乱以及改进空间。



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黄变问题

正常的TPU基膜使用一段时间后是不会发黄的,是肉眼不易察觉出色差。但如果出现下图所示的发黄现象,变色非常明显,肉眼可见,那可能有以下几种原因:


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1.PVC基膜冒充TPU基膜


PVC是早期隐形车衣的常用材料。由于PVC基膜里面含有增塑剂和稳定剂,这些化学试剂耐候性如果不好,长时间的暴晒会自动分解变色,导致整个薄膜黄变,但因为它的材料成本很低,因此市面上存在用PVC冒充TPU的车膜。终端消费者往往不会辨别,容易踩雷。


2.使用了芳香族TPU


从成分上讲,TPU是一种由二异氰酸酯、扩链剂、多元醇组成的多相嵌段共聚物。

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TPU根据二异氰酸酯的种类不同,主要分为耐黄性弱的芳香族TPU,和耐黄性强的脂肪族TPU。

从结构上说,因为芳香族TPU两个苯环间,有一个容易氧化的亚甲桥,在加工和使用过程中,会生成类醌结构,而醌这种化合物是棕色的,所以受到热氧化作用和紫外线照射容易发黄。所以如果是采用芳香族TPU,即便是添加了抗UV剂,长期的光线照射也会导致脱色黄变。


而脂肪族TPU不含苯环,所以结构更稳定,不容易受到紫外线的影响。所以国际主流品牌的车衣都使用脂肪族TPU作为车衣基材,以达到耐用、抗污、抗黄变的目的。脂肪族TPU成本比芳香族TPU高,这也是市面上TPU材质的隐形车衣价格差别比较大的原因之一。

3.脂肪族TPU型号不对

是不是只要使用脂肪族TPU,就可以避坑?实际操作中要仔细分析。TPU在合成过程中存在一些低分子量杂质和稳定剂,如果控制不好这些微量物质,也会引起TPU基膜的黄变。

另外,选用的脂肪族TPU基膜型号不对还会导致膜开裂,后面我们会具体分析。

所以,TPU基膜在车衣上的选用一定要非常小心,经过长久实测后才能够上车使用,否则后果很难控制。

水解问题

隐形车衣保护膜的作用是能完全隔绝酸雨、沙石、鸟粪、紫外线等对漆面的持续损伤;同时它的高耐磨性能抵御轻度的划伤、碰擦与持久磨损;与打蜡、封釉、镀晶等相比优势是对车漆的保护更周全,一次施工,终身受益。但是为什么一些车衣使用了脂肪族的TPU作为基膜,仍然开裂呢?

前面提到,除二异氰酸酯外,TPU另外一个重要组成成分是多元醇。根据多元醇种类的不同,TPU可以分为聚酯型、聚醚型、聚己内酯型和聚碳酸酯型。

►聚酯型◄

合成过程:RCO-OH+H-OR′ ↔ RCOOR′+H2O

水解:RCOOR′+H2O → RCO-OH+H-OR′ 

聚酯型TPU材料易发生水解。由聚酯的合成过程方程式可以看出,酸和醇发生缩水反应生成酯,聚酯由此而来。但这个反应是可逆的,聚酯在酸或碱的作用下会发生水解(第二个方程式),从而导致聚酯型TPU降解,降解到一定程度很容易断裂,如下图的两个样条。

►聚醚型◄

R-CH2-O-R' → R-CO-OH+R'-CO-H

聚醚型TPU不易水解,但是它会发生热氧降解。张慧娟等人在《热塑性聚氨酯光热老化及抗老化的研究进展》这篇文章里提到,当分子链软段结构为聚醚型链段时,因醚键内聚能较低,在热氧条件下分子链容易发生断裂,导致降解。而隐形车衣的工作环境比较极端,既有高温高湿酸雨考验,同时还有日照紫外线炙烤,在这种复杂环境下,容易热氧降解的聚醚型TPU也扛不住。

►聚己内酯型◄

介于聚酯和聚醚之间,综合性能较好

研究员在《基于聚己内酯型的聚氨酯弹性体性能研究》中进行耐高温、耐水解实验结果显示:聚己内酯型预聚体制备的弹性体产品具有较好的耐高温、耐水解性能。聚己内酯型TPU比聚醚型和聚酯型TPU拥有更加平衡的性能,一方面它能表现出普通聚酯型TPU的优良抗撕裂,同时又表现出聚醚型TPU突出的压缩永久变形和回弹性能,因而在市场中得到了广泛的应用。

耐候性

为了进一步比较聚酯型,聚醚型,聚己内酯型TPU的耐候性能(这里比较的三种TPU都是脂肪族TPU),下图列出了使用模拟日照的超级氙灯加速老化后的拉伸数据,图中柱状越高,说明材料的耐候性能越好。1.聚己内酯型TPU经过多日的辐照后仍能保持一定的物性,说明它的耐候性最为理想。

2.聚酯型TPU耐辐照的能力比较差,最后残留物性比较低。

3.耐辐照表现最差的是聚醚型脂肪族TPU,样条已经开裂,不能继续测试

因此,隐形车衣一定要选择聚己内酯型脂肪族TPU基膜。

聚己内酯型TPU物性比较

那么是不是所有的聚己内酯型的脂肪族TPU都适合做隐形车衣的基膜呢?答案是否定的。

不同厂家不同型号的聚己内酯型脂肪族存在一定区别,实力不够的工厂生产的TPU粒子制成基膜再到隐形车衣,仍然有黄变和开裂的风险。

比较了不同厂家紫外老化的结果,从中可以发现,使用路博润车衣料制作的薄膜经受住了辐照考验,样品A和样品B都发生了一定脆性变化,样品A产生气孔,而样品B则发生开裂。这说明如果不进行聚己内酯TPU的耐候比较测试,识别出车衣的专用牌号,仍然会有较大使用风险。

△聚己内酯型TPU物性比较

另外,凯阳采用路博润Estane®TPU制成的SMM301基膜已被证明在抗撕裂强度、抗雾霾和耐黄变方面都优于其他材料。

与其他TPU产品相比,路博润的ESTANE® TPU在PPF领域拥有超过30年的应用经验,凭借其一贯的可靠性赢得了广泛的声誉,并成为行业首选的TPU材料。

  - TPU基膜的生产工艺及创新应用 -  

上游优质的TPU颗粒料是基础,而下游TPU基膜的生产,在PPF产业链中也是极其重要的一

受技术水平等影响,国内市场上优质TPU基膜难寻,凯阳新材作为国产TPU基膜开拓者,出产的TPU基膜在品质和口碑上得到了广大客户的认可与支持。

TPU基膜通常采用流延法生产,所谓流延法,是通过挤出机把粒子融化后利用模具流延成片或者膜的一种工艺。由于TPU较难均匀塑化且薄膜具有弹性,所以对工艺控制精度要求非常高。尤其是脂肪族TPU,具有粘度高的特性,所以在流延过程中容易出现老胶和积渣等问题,会对薄膜质量造成巨大负面影响。凯阳通过自主研发与技术创新,设计出全新的薄膜生产线,在TPU基膜生产中,上述问题已得到完美解决


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