TPU素材とは何ですか?特性、種類、ナイロンと PA を選択する場合

TPU素材とは何ですか?直接的な答え

TPU (熱可塑性ポリウレタンの略) は、最終製品ではゴムのように、また生産ラインでは従来のプラスチックのように動作する熱可塑性エラストマーです。加熱すると柔らかくなり、流動します。冷めるとまた固まります。この可逆性が TPU と熱硬化性ゴムの決定的な違いです。TPU は射出成形、押し出し成形、3D プリントが可能で、製造スクラップは再研磨して再利用できます。

実際には、TPU は、フレキシブルな電話ケース、工業用ホース、キャスター ホイール、コンベア ベルト、ケーブル ジャケット、エアサスペンション ベローズ、およびソフトタッチのオーバーモールドの内側の素材です。曲げ、伸ばし、衝撃を吸収し、滑り摩耗に耐えながらも、標準的なプラスチック加工装置で動作します。

公開されている TPU 原材料データシートの典型的な値は、有用な開始イメージを示します。硬度の範囲は 60 ショア A ～ 75 ショア D、破断点伸びは 300 パーセント～700 パーセントであり、連続使用温度はグレードに応じて約 -35 ～ 90 ～ 120 ℃の範囲にあります。正確な数値はポリオールの種類とハードセグメントの含有量によって異なるため、最終グレードは常にメーカーの文書と照合して確認する必要があります。

TPU の製造方法: ハード セグメントとソフト セグメント

TPU は、3 つの構成要素の重付加反応によって合成されます。ジイソシアネート (通常は MDI)。長鎖ポリオール、ポリエステルまたはポリエーテルのいずれか。そして鎖延長剤と呼ばれる短鎖ジオール。ジイソシアネートは鎖延長剤と反応して硬いハードセグメントを形成し、ポリオールは柔軟なソフトセグメントを形成します。これら 2 つのセグメント タイプは化学的に互換性がないため、マイクロドメインに分離されます。ハード ドメインは、TPU に強度と耐熱性を与える可逆的な物理架橋として機能し、ソフト ドメインは弾性と低温での柔軟性を提供します。

ハードとソフトの比率が TPU の感触を決定します

配合者がハードセグメントの含有量を増やすと、TPU はより硬く、強くなり、耐熱性が高まります。ソフトセグメントの含有量が増加すると、TPU はより柔らかくなり、弾力性が増し、低温での柔軟性が高まります。これが、TPU が単一のレシピではなく材料ファミリーである理由であり、同じショア硬度を持つ 2 つの TPU グレードでも耐摩耗性、圧縮永久歪み、および化学的安定性が異なる理由です。

ポリエステルベースの TPU とポリエーテルベースの TPU

2 つの主要なファミリーはポリオールに由来します。ポリエステルベースの TPU は、一般に、より高い引張強度と引裂強度、より優れた耐摩耗性、および油や燃料に対するより強い耐性を実現します。ポリエーテルベースの TPU は、加水分解、微生物の攻撃、湿気の多い環境での繰り返しの屈曲に対して優れた性能を発揮します。長い耐用年数を実現するには、硬度の数値よりもその選択の方が重要です。

TPU の主な特性: 硬度、強度、耐性

以下の特性範囲はサプライヤーの技術資料に繰り返し記載されており、エンジニアが材料を選択する際に最初に尋ねるものです。

硬度挙動

ショア硬度は、TPU 要件を伝える最も早い方法です。一般的なフレキシブル部品グレードは 80A ～ 95A の間にあり、半硬質グレードは 55D ～ 75D です。硬度だけでは十分ではありません。圧縮永久歪みと引裂き強度は、特にガスケットやベローズにおいて、長期のシールと繰り返し屈曲動作をより正確に予測します。

機械的強度と弾性

25 ～ 70 MPa の範囲の引張強度は金属やガラス繊維入りナイロンに比べて控えめですが、TPU はその強度と 300 ～ 700 パーセントの伸びを兼ね備えています。組み合わせによってエネルギー吸収が決まります。材料は亀裂ではなく変形し、その後元の形状に戻ります。そのため、TPU バンパーとケースは、硬いハウジングが破損するような落下にも耐えることができます。

熱制限

標準的な TPU グレードは、摂氏 90 ～ 120 度付近での連続使用に耐えられると評価されています。短期的なピークはより高くなる可能性がありますが、長時間暴露するとエラストマーネットワークが破壊され、機械的特性が低下します。アプリケーションが高温のエンジンの近く、密閉された照明アセンブリの内部、またははんだ熱がかかる場所に設置される場合は、ナイロンまたは PPA を使用する方が安全です。

耐薬品性および耐環境性

ポリエステルベースの TPU は、油、燃料、溶剤に対して優れた耐性を持っています。ポリエーテルベースの TPU は、水、加水分解、微生物の増殖に耐性があります。未修飾の TPU は日光にさらされると変色して脆くなるため、屋外用部品にはカーボン ブラックまたは UV 安定化グレードが使用されます。正しいグレードは常に、部品が接触する特定の化学物質によって決まります。

TPU vs ナイロン (PA6、PA66、PPA): あなたの部品に適合するのはどれですか?

TPU とナイロンはどちらも高性能ポリマーであり、工学的な答えは異なります。ポリアミドとも呼ばれるナイロンは、硬質の半結晶性エンジニアリング熱可塑性プラスチックであり、その化学とグレードについては、記事で説明しています。 ナイロン素材とは何ですか 。 TPUはエラストマーです。通常、選択は 1 つの質問に集約されます。その部品は曲がったり跳ねたりするのか、それとも荷重に耐えて形状を保持するのか?

部品を曲げる必要がある場合は TPU を選択してください

• サイクルごとに曲がるシール、ベローズ、グロメット、ダストブーツ
• 電子機器や工具用の保護ケースと落下吸収ハウジング
• キャスターホイール、スケートホイール、コンベアローラーは常に摩耗にさらされています
• 耐油性と狭い曲げ半径が必要なホースおよびチューブ
• グリップ、ハンドル、ノブにソフトタッチのオーバーモールドを採用

部品に荷重を加えて形状を保持する必要がある場合は、ナイロンを選択してください

• 剛性、耐摩耗性が必要なギヤ、プーリー、ベアリング
• たわみにより位置ずれが生じる構造ブラケットおよびハウジング
• 摂氏 120 度を超えて連続稼働する部品
• 湿気の多い熱の中で寸法を維持する必要があるコンポーネント。これには低水分 PPA が適しています。

ナイロンカラムに到達する部品の場合、次のステップはナイロンの化学的性質を要件に適合させることです。の PA6チップシリーズ は、剛性の強化とコストのバランスを実現するための標準的な出発点です。強度と熱たわみの両方が重要な場合、 PA66チップシリーズ 機械天井をアップグレードします。電子部品や熱にさらされる部品の場合、 PPAプラスチックシリーズ 水分の吸収を低く保ち、寸法安定性を高く保ちます。

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業界別の一般的な TPU アプリケーション

TPU の処理の柔軟性は、さまざまな製品に現れています。以下の一般的な用途はセクターごとにまとめられているため、自分の部品に最も近い類似品を見つけることができます。

• 家庭用電化製品: 柔軟な電話ケース、スマートウォッチ バンド、保護バンパー、イヤホン ハウジング、ケーブル ストレイン リリーフ。
• 自動車: エアサスペンション ベローズ、保護ブーツ、グロメット、ケーブル シース、および内装のソフトタッチ表面。
• 産業用: コンベア ベルト、駆動ベルト、キャスター ホイール、高圧ホース、シール、ダイヤフラム、および減衰要素。
• 履物およびスポーツ用品: 靴底、クリート、保護パッド、膨張可能な構造。
• テキスタイルおよびコーティングされた生地: 防水膜、インフレータブルボート、および防護服の層。
• 積層造形: TPU フィラメントまたはパウダーで印刷された柔軟なプロトタイプ、カスタム ガスケット、および少量の軟質部品。

TPU の加工: 射出成形、押出成形、3D プリント

TPU は従来のプラスチック装置で処理されますが、硬質熱可塑性プラスチックとは異なるルールに従います。最も品質上の問題を引き起こす 2 つの点は、湿気とせん断です。

乾燥はオプションではありません

TPU ペレットは湿気を素早く吸収します。ほとんどのサプライヤーは、加工前に摂氏 80 ～ 100 度で 2 ～ 4 時間乾燥させることを推奨しています。乾燥していない材料は、溶融中に湿気によりポリマーが劣化するため、成形部品にスプレーマークが発生し、機械的特性が著しく低下します。

射出成形のガイドライン

通常の溶融温度は、グレードに応じて 170 ～ 220 ℃の範囲に留まります。カビは通常、摂氏 20 度から 50 度の間に保たれます。 TPU の粘度はせん断速度の影響を受けやすいため、一般的な失敗は、高い射出速度による焼け跡や不十分な通気によるショート ショットです。ゲートとランナーの断面積を増やすと、配合変更が必要になる前に、ほとんどの充填問題が解決されます。

押出成形と 3D プリント

フィルム、シート、チューブの押出成形は同じ乾燥規則に従い、成形品よりもわずかに低い溶融温度を使用します。 FDM 3D プリントの場合、一般的な 95A TPU フィラメントは、柔らかいフィラメントが座屈しないように、摂氏約 220 ～ 250 度のノズル温度で、PLA やナイロンよりも遅い送り速度でプリントします。印刷された TPU パーツは、層の接着により成型パーツと比較して強度がある程度犠牲になりますが、プロトタイプ、ガスケット、カスタム ソフト コンポーネントには良好に機能します。

適切なグレードの選択方法: TPU またはナイロン

決定を迅速にフィルタリングするには、以下のシーケンスを使用します。

1. パーツを曲げる必要があるか、剛性を維持する必要があるかを決定します。シール時や衝撃時の弾性回復力は TPU を意味します。耐荷重性と寸法精度はナイロンを意味します。
2. 目標硬度を設定します。時計のバンドとグリップは約 80 ～ 95A です。構造的だがわずかに柔軟な部品は 55D 以上から始まります。
3. ポリオール ファミリを選択します。油や燃料の多い環境ではポリエステルベースの TPU が有利です。湿気の多い環境や屋外の環境では、ポリエーテルベースの TPU が適しています。
4. 断熱天井を確認してください。摂氏 120 度を超える継続的な熱は、ほとんどの標準的な TPU グレードとしては不適格であり、PA66 または PPA となります。
5. 湿気と寸法安定性を検証します。湿熱にさらされる部品は、標準 PA6 よりも PPA のほうが耐久性が高くなります。

供給に関する考慮事項も重要な役割を果たします。の ナイロン 6 チップ業界の現状 PA6 ベースの材料の価格とリードタイムに影響するため、大規模な生産を開始する前に確認する価値があります。リサイクル性を重視する場合は、 再生ポリアミド顆粒 ナイロン廃棄物のループを閉じるために利用可能なルートの 1 つです。

TPU素材に関するよくある質問

TPUはゴムやシリコンと同じですか?

いいえ、TPU は熱可塑性エラストマーであるため、溶けて再成形できます。熱硬化性ゴムは硬化するため、再溶解することはできません。シリコーンは、耐熱性が高く、引き裂きや摩耗の挙動がより柔らかい、別のエラストマーです。摩耗性と靭性が優先される場合には TPU が最適です。極度の熱と低い圧縮永久歪みが支配的な場合は、シリコンが勝ちます。

ショア 95A やショア 55D などの硬度の数値は何を意味しますか?

ショア硬度は、デュロメーターでの押し込みに対する耐性を測定します。 80 未満の A スケール数値は、柔らかいゴム状の素材を表します。 90A を超える数値は、しっかりとした柔軟な素材を表します。 50 を超える D スケール数値は、ある程度の柔軟性を残した半硬質材料を表します。 95A 領域と 55D 領域の手触りは似ていますが、2 つのスケールは異なる圧子を使用しているため、同じスケール内でのみ比較するか、換算表を使用してください。

TPUはどのくらいの温度に耐えることができますか?

標準的な TPU グレードの連続使用限界は、配合に応じて約 80 ～ 120 ℃であり、ポリエーテル タイプは約 -35 ℃ 以下まで柔軟性を保ちます。摂氏 120 度を超える持続的な熱には、熱安定剤を含む PA66 または PPA がより適切な材料です。

TPUはリサイクルできますか?

TPU は熱可塑性であるため、生産時のスクラップやスプルーは再研磨して再処理することができ、リサイクルされた TPU グレードが市販されています。同じ再溶融性がナイロン製品にも貫かれており、リサイクルされたポリアミド顆粒を使用して、成形品中のバージン材料の含有量を減らしています。

TPUとナイロンではどちらが耐油性に優れていますか?

ポリエステルベースの TPU は優れた耐油性と耐燃料性を備え、一般に柔軟なシーリング用途では非強化ナイロンよりも優れています。ナイロンは油にも耐性がありますが、水を吸収し、その湿気が時間の経過とともに寸法に影響します。油と常に接触する柔軟な部品の場合、通常は TPU が第一選択となります。

TPUは射出成形が難しいですか？

TPU は本質的に難しいことではありませんが、ほとんどのナイロン グレードよりも厳格なプロセス管理が必要です。ペレットを乾燥した状態に保ち、多くのエンジニアリング プラスチックよりも低い溶融温度を使用し、十分なゲートと通気口を設計します。材料はうまく充填されます。ツーリング設計において、TPU は熱安定化ナイロンよりも低い金型温度と短いサイクルに耐えます。