低温韧性TPU的加工成型

低温韧性 TPU（热塑性聚氨酯弹性体）的加工成型需结合其分子结构特性（如聚醚软段为主、低硬段结晶度）和低温性能要求，选择合适的工艺参数和设备。以下是其核心加工方法、关键要点及应用场景：

一、注塑成型

适用产品

汽车密封条、电子设备外壳、医疗导管接头等中小尺寸、结构复杂的部件。

工艺要点

1. 原料干燥

• 要求：含水率≤0.05%（聚醚型 TPU 易吸潮），需在 80-100℃下干燥 4-6 小时（露点≤-40℃的干燥空气）。

• 设备：料斗干燥机 + 除湿系统，避免水解导致分子量下降（如拉伸强度降低 20% 以上）。

2. 温度控制

• 料筒温度：180-220℃（具体取决于硬度，邵氏 A 80 以下建议 180-200℃，A 90 以上建议 200-220℃）。

• 模具温度：20-40℃（低温模具可提高表面光泽度，如汽车部件要求表面雾度≤5%），但需避免过低温度导致充模困难（如模具温度＜10℃时，流动长度减少 30%）。

3. 注射参数

• 压力：60-120 MPa（薄壁件需提高至 100-150 MPa），保压压力为注射压力的 60-70%，保压时间 5-15 秒。

• 速度：中高速（5-15 cm³/s），避免剪切过热导致降解（如熔体温度超过 230℃时，黄变指数＞3）。

典型缺陷与解决

• 表面气泡：增加干燥时间或降低料筒温度（如从 220℃降至 200℃）。

• 熔接痕明显：提高模具温度至 30℃或增加浇口数量（如从单浇口改为扇形浇口）。

二、挤出成型

适用产品

软管（如汽车制动管、冷链输送管）、型材（如户外密封条）、薄膜（如低温包装膜）。

工艺要点

1. 挤出机配置

• 螺杆结构：长径比（L/D）20-24:1，压缩比 2.5-3:1（聚醚型 TPU 需更大压缩比以确保塑化均匀）。

• 机头设计：衣架式机头用于薄膜，直角机头用于软管，流道需光滑（粗糙度 Ra≤0.8μm）以减少熔体滞留。

2. 温度设置

• 软管 / 型材：冷水槽温度 5-15℃，冷却长度 3-5 米（如 - 40℃软管需快速冷却以保持低结晶度，提升韧性）。

• 薄膜：骤冷辊温度 10-20℃，厚度控制精度 ±3%（低温包装膜要求雾度≤10%）。

• 料筒分区温度：一区（进料段）160-180℃，二区（压缩段）180-200℃，三区（计量段）200-220℃，机头 190-210℃。

• 冷却定型：

3. 牵引与卷取

• 牵引速度：5-20 m/min（与挤出量匹配，速度过快易导致拉伸取向过度，低温脆化风险增加）。

• 卷取张力：5-10 N（薄膜卷取时需避免褶皱，张力波动≤±1 N）。

应用案例

• 冷链软管：采用聚醚型 TPU（硬度 75A），挤出速度 12 m/min，冷却水温 10℃，制得软管在 - 30℃下弯曲半径≤8mm 无裂纹。

三、吹膜成型

适用产品

低温包装袋（如冷冻食品袋）、农业防寒膜、电子设备防潮膜。

工艺要点

1. 吹膜设备

• 模头类型：螺旋芯棒式模头（减少熔接痕），模口间隙 0.8-1.2mm。

• 吹胀比：2-3:1（提升薄膜横向强度，如 - 20℃下抗穿刺强度≥25N），冷凝线高度 20-30cm。

2. 温度与冷却

• 熔体温度：190-210℃（熔体破裂临界剪切速率≥1×10⁴ s⁻¹）。

• 冷却风环：风量 80-120 m³/h，风温 15-25℃，确保薄膜快速冷却以抑制硬段结晶（结晶度≤15% 时低温韧性最佳）。

3. 膜泡稳定控制

• 牵引比：4-6:1（与吹胀比平衡，避免过度拉伸导致薄膜发脆）。

• 电晕处理：表面张力≥42mN/m（用于印刷或复合前处理，附着力≥3N/15mm）。

典型指标

• -30℃薄膜性能：拉伸强度≥25MPa，断裂伸长率≥500%，直角撕裂强度≥80kN/m。

四、压延成型

适用产品

鞋材（如极地靴大底）、工业皮带、涂层织物（如防寒服面料）。

工艺要点

1. 压延机配置

• 辊筒数量：三辊或四辊（四辊压延机可生产更薄、更均匀的片材，厚度公差 ±0.02mm）。

• 辊温控制：前辊 170-190℃，中辊 180-200℃，后辊 160-180℃（梯度温度利于熔体均匀延展）。

2. 基材贴合

• 织物预处理：尼龙或聚酯纤维需电晕处理（表面张力≥40mN/m），贴合速度 5-10m/min。

• 涂层厚度：0.1-1mm（如极地靴材要求涂层厚度 0.8mm，-40℃下磨耗量≤30mm³）。

关键控制

• 辊隙压力：5-10MPa（压力不足易导致气泡，压力过高增加能耗并可能降解材料）。

• 冷却定型：冷却辊温度 15-25℃，冷却时间≥30 秒（确保涂层固化完全）。

五、吹塑成型

适用产品

中空制品（如低温储液罐、汽车油箱）、异形管材（如地暖弯曲管）。

工艺要点

1. 型坯制备

• 挤出温度：190-220℃，型坯壁厚均匀性误差≤5%（通过储料缸式机头控制）。

• 型坯吹胀比：2-3:1（过大吹胀比易导致壁厚不均，低温下应力集中开裂）。

2. 吹塑参数

• 吹塑压力：0.2-0.5MPa（根据制品大小调整，薄壁件需更高压力，如 0.4MPa）。

• 冷却时间：10-30 秒（冷水温度 5-15℃，确保制品快速定型，避免变形）。

应用案例

• -40℃储液罐：采用邵氏 A 90 的聚醚型 TPU，吹塑后进行退火处理（60℃下 2 小时），提升尺寸稳定性（收缩率≤1.5%）。

六、加工助剂与改性技术

1. 抗氧剂与光稳定剂

• 添加量：0.3-0.5%（如受阻酚类抗氧剂 1010 + 光稳定剂 770 复配），提升低温下的长期耐候性（-30℃紫外老化 500h 后拉伸强度保留率≥85%）。

2. 增塑剂优化

• 选择：低温性能优先选聚酯型增塑剂（如 DINP），添加量 5-10%（可降低玻璃化转变温度 Tg 至 - 50℃以下）。

• 注意：过量增塑剂易析出（如迁移量＞2%），影响制品表面性能。

3. 纳米填料增强

• 应用：添加 2-5% 纳米二氧化硅或石墨烯，提升低温抗冲击性（-20℃缺口冲击强度提升 25%），同时保持透明性（雾度增加≤5%）。

七、常见问题与解决方案

总结

低温韧性 TPU 的加工需平衡 “低温性能保持” 与 “加工稳定性”，核心在于通过温度控制抑制硬段过度结晶、选择匹配的增塑体系，并针对不同应用场景优化工艺参数（如汽车部件侧重注塑压力，冷链软管侧重冷却速度）。未来趋势将聚焦于低温快速成型技术（如超临界 CO₂辅助挤出，缩短冷却时间 30%）和数字化加工监控（如在线粘度监测系统，实时调整工艺参数），进一步提升生产效率与制品可靠性。