以超臨界二氧化碳發泡技術製備熱塑性聚氨酯微米泡材

Preparation of Microporous Thermoplastic Polyurethane by Supercritical Carbon Dioxide Foaming Technique

彭昇平(Sheng-Ping Peng)

指導教授 ： 葉樹開

國立臺北科技大學/工程學院/化學工程研究所/碩士(2014年)

https://doi.org/10.6841/NTUT.2014.00731

摘要

熱塑性聚氨酯(TPU)擁有許多優點，包含可以藉由改變軟硬段比例，令其擁有良好的可撓性、剛強性、彈性與控制軟硬程度。也因為其具備廣泛物理性質和其他優點等，所以在運輸、建材、工業用特化材料與生醫材料等，常見聚氨酯做為材料來使用、加工。然而，由於TPU的多變性，其於發泡領域的研究仍處於剛起步的狀態，其中利用超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, scCO2)做為發泡劑的相關文獻目前僅十來篇，其中自行合成TPU者更是少之又少。由於本實驗室過去利用商用TPU成功製備出奈米等級的發泡材料，故我們希望自合成TPU作為開端，藉由改變單體種類、比例，了解TPU的物性、化性，進而研究不同單體對TPU/scCO2發泡機制的影響，進一步控制泡孔結構。
本實驗分成兩個部分，第一階段為利用4,4’-methylenebis-(phenyl isocyanate)(MDI)、 poly(propylene glycol)(PPG)與1,4-butanediol(BD)進行無溶劑二步法聚合反應，首先在第一步合成pre-polymer，在第二步加入擴鏈劑以合成TPU，並對合成的TPU進行分析，其中所用的分析方法包括以滴定實驗合成樣品中的剩餘NCO基含量、傅立葉光譜分析(FTIR)以及針對合成後的樣品進行熱分析實驗、流變性質測試與機械性質測試、硬度量測等。第二部分將合成完成後的TPU先經加工處理後，再利用scCO2以批式方法製造TPU發泡材。並針對操作條件如含浸溫度、含浸壓力與含浸時間等探討與泡孔型態之間的關係，本實驗中，我們成功製備出能夠於低溫發泡的TPU，由於scCO2的塑化效應，我們不僅能於高溫下時產生泡孔，低於室溫的範圍-5°C-20°C仍能產生泡孔，且仍然有觀察到微米以及次微米泡孔的現象。

關鍵字

熱塑性聚氨酯 ； 超臨界二氧化碳 ； 發泡 ； 含浸溫度 ； 泡孔大小 ； 泡孔密度 ； 微米泡

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Thermoplastic polyurethane (TPU) possesses many special characteristics. The flexibility, rigidity, and elasticity can be adjusted by controlling the ratio of soft segments and hard segments. Due to its versatile physical properties, TPU is commonly used in transportation, construction, and biomaterials. However, the technique of producing TPU foam by CO2 is still under investigation. Our laboratory previously prepared nanoporous TPU foam using commercially available TPU. In this study, TPU was synthesized using 4, 4’-methylene bis-(phenyl isocyanate) (MDI), poly(propylene glycol) (PPG) and 1,4-butanediol(BD) without solvent using a pre-polymer method. The remaining NCO groups in the TPU were determined by titration of pre-polymer, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermal analysis (Differential scanning calorimetry, (DSC) and Thermogravimetric Analyzer, (TGA) and mechanical properties). The synthesized TPU was foamed by batch foaming using scCO2 as the blowing agent, and the effect of saturation temperature, saturation pressure and saturation time to the cell morphology TPU foam was examined.

並列關鍵字

thermoplastic polyurethane ； supercritical CO2 ； foam ； cell size ； cell density ； microcellular foam ； saturate temperature

參考文獻

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