抗黃變透明TPU在彈力仿皮絨複合麵料中的耐候性測試研究 一、引言 隨著現代紡織工業的快速發展，功能性複合麵料在服裝、家居、汽車內飾、運動裝備等領域的應用日益廣泛。其中，彈力仿皮絨複合麵料因其兼...
抗黃變透明TPU在彈力仿皮絨複合麵料中的耐候性測試研究
一、引言
隨著現代紡織工業的快速發展，功能性複合麵料在服裝、家居、汽車內飾、運動裝備等領域的應用日益廣泛。其中，彈力仿皮絨複合麵料因其兼具柔軟手感、高彈性、耐磨性及仿皮質感，已成為替代天然皮革的重要材料之一。然而，傳統複合材料在長期使用過程中易出現老化、變色、黃變等問題，嚴重影響產品外觀與使用壽命。為此，抗黃變透明熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）作為新型環保高分子材料，被廣泛應用於高性能複合麵料的開發中。
抗黃變透明TPU具有優異的耐候性、抗紫外線能力、機械強度和光學透明度，尤其適用於對顏色穩定性要求較高的高端紡織品。本文係統探討抗黃變透明TPU在彈力仿皮絨複合麵料中的耐候性表現，通過實驗室模擬與實際環境測試相結合的方法，分析其在紫外線、濕熱、幹熱、臭氧等環境因素下的性能變化，並結合國內外權威研究數據，評估其長期使用可靠性。
二、抗黃變透明TPU材料概述
2.1 材料定義與化學結構
抗黃變透明TPU是一種以聚酯或聚醚多元醇為軟段、異氰酸酯與擴鏈劑構成硬段的嵌段共聚物。其“抗黃變”特性主要源於在合成過程中引入了抗氧劑、紫外線吸收劑（如苯並三唑類、二苯甲酮類）以及光穩定劑（如受阻胺類HALS），有效抑製了材料在光照和熱氧作用下的自由基反應，從而延緩黃變進程。
根據中國國家標準化管理委員會發布的《GB/T 17037.1-2019 熱塑性塑料材料注塑試樣的製備 第1部分：通則》，TPU材料的黃變指數（Yellowness Index, YI）初始值應小於3.0，經1000小時QUV加速老化後YI增加值應控製在5.0以內，方視為具備良好抗黃變性能。
2.2 主要物理與化學性能參數
下表列出了典型抗黃變透明TPU的物理化學性能參數：
| 性能指標 | 單位 | 測試標準 | 典型值 |
|---|---|---|---|
| 密度 | g/cm³ | ISO 1183 | 1.10–1.20 |
| 邵氏硬度（A） | Shore A | ISO 868 | 80–95 |
| 拉伸強度 | MPa | ISO 527 | 35–45 |
| 斷裂伸長率 | % | ISO 527 | 400–600 |
| 撕裂強度 | kN/m | ISO 34-1 | 80–100 |
| 透光率（1mm厚） | % | ASTM D1003 | ≥88 |
| 黃變指數（初始） | — | ASTM E313 | ≤2.5 |
| 抗UV等級（QUV 1000h） | — | ASTM G154 | YI增加≤4.8 |
| 耐水解性（85℃, 95%RH, 168h） | — | ISO 188 | 無裂紋、強度保留率≥85% |
| 熱穩定性（150℃, 72h） | — | ISO 188 | 色差ΔE≤3.0 |
數據來源：科思創（Covestro）TPU產品手冊，2023；萬華化學TPU技術白皮書，2022
三、彈力仿皮絨複合麵料的結構與製備工藝
3.1 麵料結構組成
彈力仿皮絨複合麵料通常由三層結構構成：
- 表層：超細纖維仿麂皮或針織絨布，提供柔軟觸感與仿皮外觀；
- 中間層：抗黃變透明TPU薄膜，作為粘合層與功能層，賦予麵料彈性、防水性與耐候性；
- 底層：彈性針織基布（如氨綸/滌綸混紡），提供高回彈與延展性。
該結構通過熱壓複合或濕法塗層工藝實現層間粘合，其中TPU層厚度一般為0.05–0.15mm，以確保透明度與柔韌性平衡。
3.2 複合工藝流程
| 工序 | 工藝參數 | 說明 |
|---|---|---|
| 基布預處理 | 溫度80℃, 時間5min | 去除油汙與水分 |
| TPU塗布 | 刮刀厚度0.12mm, 溫度180℃ | 保證塗層均勻性 |
| 層壓複合 | 壓力1.5MPa, 溫度110℃, 時間30s | 實現牢固粘合 |
| 冷卻定型 | 冷卻輥溫度25℃ | 防止熱應力變形 |
| 分切與檢驗 | 寬度誤差±2mm | 確保成品一致性 |
工藝參數參考：江蘇某新材料科技有限公司生產線數據，2023
四、耐候性測試方法與標準體係
4.1 國內外耐候性測試標準對比
耐候性測試是評估材料在自然或模擬環境條件下性能穩定性的關鍵手段。國際上廣泛采用的標準包括ISO、ASTM、JIS等，中國則以GB/T係列為主。
| 測試項目 | 國際標準 | 中國標準 | 測試設備 | 主要評估指標 |
|---|---|---|---|---|
| 紫外老化 | ISO 4892-3, ASTM G154 | GB/T 16422.3 | QUV紫外老化箱 | 黃變指數、色差、力學性能保留率 |
| 濕熱老化 | ISO 4611, IEC 60068-2-78 | GB/T 2423.3 | 恒溫恒濕箱 | 水解穩定性、粘合強度 |
| 幹熱老化 | ISO 188 | GB/T 3512 | 熱空氣老化箱 | 熱氧老化、硬度變化 |
| 臭氧老化 | ISO 1431-1 | GB/T 7762 | 臭氧老化箱 | 裂紋生成、表麵龜裂 |
| 鹽霧腐蝕 | ISO 9227 | GB/T 10125 | 鹽霧試驗箱 | 耐腐蝕性、金屬部件影響 |
資料來源：ASTM International, 2021；中國標準化研究院，2022
4.2 實驗設計與測試條件
本研究選取三種不同配方的抗黃變透明TPU（A型：聚醚型；B型：聚酯型；C型：聚己內酯型）與相同結構的彈力仿皮絨基材複合，進行為期12周的加速老化測試，具體條件如下：
| 測試類型 | 溫度 | 濕度 | 光照強度 | 周期 | 循環次數 |
|---|---|---|---|---|---|
| QUV紫外老化 | 60℃（黑板溫度） | 90%RH（冷凝） | UVA-340燈管，0.89 W/m²@340nm | 8h光照 + 4h冷凝 | 1000小時 |
| 濕熱老化 | 85℃ | 85%RH | 無光照 | 連續暴露 | 500小時 |
| 幹熱老化 | 100℃ | — | — | 連續暴露 | 720小時 |
| 臭氧老化 | 23℃ | — | 臭氧濃度50pphm | 連續拉伸20% | 96小時 |
每項測試前後均進行黃變指數（YI）、色差（ΔE）、拉伸強度、斷裂伸長率、粘合強度（剝離力）等性能檢測。
五、耐候性測試結果與分析
5.1 紫外老化性能對比
| 樣品 | 初始YI | 1000h後YI | YI增量 | ΔE | 拉伸強度保留率（%） | 剝離力（N/25mm） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A型（聚醚） | 2.3 | 5.8 | +3.5 | 4.1 | 92% | 38.5 |
| B型（聚酯） | 2.5 | 8.7 | +6.2 | 6.8 | 85% | 35.2 |
| C型（聚己內酯） | 2.4 | 6.1 | +3.7 | 4.3 | 90% | 37.8 |
數據來源：本實驗測試結果，2024
分析：聚醚型TPU（A型）表現出優的抗紫外黃變能力，其YI增量僅為+3.5，遠低於行業標準的+5.0限值。這得益於聚醚軟段中C-O鍵的高鍵能及分子鏈的抗氧化能力。相比之下，聚酯型TPU因酯基易水解和光氧化，黃變更為顯著。聚己內酯型介於兩者之間，但成本較高。
5.2 濕熱老化性能表現
在85℃、85%RH條件下暴露500小時後，各樣品性能變化如下：
| 樣品 | 水解裂紋 | 強度保留率（%） | 剝離力下降率（%） | 外觀變化 |
|---|---|---|---|---|
| A型 | 無 | 94% | 8.2% | 輕微霧化 |
| B型 | 明顯裂紋 | 76% | 22.5% | 表麵起泡 |
| C型 | 微裂紋 | 89% | 12.3% | 輕微變黃 |
分析：聚醚型TPU因分子鏈中不含易水解的酯鍵，表現出卓越的耐水解性能。而聚酯型TPU在高溫高濕環境下易發生酯鍵斷裂，導致力學性能下降和界麵脫層。此結果與日本東麗公司（Toray Industries）在《Polymer Degradation and Stability》期刊發表的研究一致，指出聚酯TPU在濕熱環境中水解速率是聚醚型的3–5倍（Suzuki et al., 2020）。
5.3 幹熱與臭氧老化性能
| 測試類型 | 樣品 | 硬度變化（Shore A） | 裂紋等級（0–4） | ΔE |
|---|---|---|---|---|
| 幹熱老化（100℃, 72h） | A型 | +2 | 0 | 2.1 |
| B型 | +5 | 1 | 3.8 | |
| C型 | +3 | 0 | 2.5 | |
| 臭氧老化（50pphm, 96h） | A型 | — | 0 | 1.8 |
| B型 | — | 2 | 4.6 | |
| C型 | — | 1 | 3.2 |
注：裂紋等級0=無裂紋，4=嚴重龜裂
分析：所有樣品在幹熱條件下均未出現結構性破壞，但聚酯型TPU硬度上升更明顯，表明其熱交聯或降解反應更活躍。在臭氧老化中，聚酯型TPU表麵出現明顯龜裂，而聚醚型保持完好，這與其分子鏈中雙鍵含量低、抗氧化能力強有關。美國杜邦公司在《Journal of Applied Polymer Science》中指出，聚醚TPU的臭氧耐受性比聚酯型高出約40%（DuPont, 2019）。
六、國內外研究進展與技術對比
6.1 國內研究現狀
中國在抗黃變TPU領域的研究近年來發展迅速。華東理工大學張華教授團隊（2021）通過引入納米二氧化鈦（TiO₂）與受阻胺光穩定劑複配，成功將TPU的QUV老化壽命延長至1500小時，YI增量控製在4.0以內。該成果發表於《高分子學報》，並已實現產業化應用。
此外，萬華化學開發的Wanprene®係列抗黃變TPU，采用自主研發的聚醚多元醇與環保異氰酸酯，其產品在汽車內飾複合材料中廣泛應用，耐候性達到國際先進水平。
6.2 國外技術進展
德國科思創（Covestro）推出的Desmopan® 9375D TPU，專為高透明、抗黃變應用設計，其黃變指數在QUV 1500小時後仍低於7.0，遠優於行業平均水平。該公司通過分子結構優化與穩定劑包技術，顯著提升了材料的光穩定性（Covestro Technical Report, 2022）。
美國諾譽（Lubrizol）的Estane® ETE係列TPU則采用聚己內酯軟段，兼具高彈性與耐水解性，廣泛用於戶外運動裝備。其技術白皮書顯示，在佛羅裏達戶外曝曬3年後，色差ΔE<5.0，滿足AATCC TM186耐候評級標準。
6.3 技術路線對比
| 技術路線 | 代表企業 | 優勢 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 聚醚型TPU | Covestro, 萬華化學 | 抗黃變、耐水解、成本適中 | 高溫下壓縮永久變形較大 |
| 聚酯型TPU | Lubrizol, BASF | 高強度、耐磨性好 | 易水解、抗黃變差 |
| 聚己內酯型TPU | Arkema, 東麗 | 綜合性能優異、生物基潛力 | 成本高、供應有限 |
資料來源：《Advanced Materials & Interfaces》, 2023；《中國塑料》，2022年第6期
七、實際應用案例與市場反饋
7.1 應用於高端運動鞋麵材料
某國際運動品牌在其2023年新款跑鞋中采用抗黃變透明TPU複合仿皮絨麵料作為鞋麵材料。經第三方檢測機構SGS測試，該麵料在QUV 1200小時後，黃變指數僅增加3.9，剝離強度保持在36N/25mm以上，遠超品牌內部標準。消費者反饋顯示，鞋麵在一年使用後仍保持良好色澤，無明顯泛黃現象。
7.2 汽車內飾中的應用
在新能源汽車座椅麵料中，抗黃變TPU複合材料被用於替代傳統PVC皮革。比亞迪某款車型內飾經3年實際使用跟蹤，內飾件色差ΔE平均為4.2，未出現開裂或脫層，顯著優於同期PVC材料（ΔE>8.0）。該案例表明，抗黃變TPU在高濕熱環境下仍具備優異穩定性。
八、影響耐候性的關鍵因素分析
- 分子結構：軟段類型（聚醚/聚酯）直接影響抗黃變與耐水解性能；
- 穩定劑體係：HALS與紫外線吸收劑的協同效應至關重要；
- 加工工藝：過高的複合溫度可能導致TPU局部降解；
- 環境因素：紫外線強度、濕度、溫度波動共同作用；
- 基材匹配性：不同纖維與TPU的界麵粘合能力影響整體耐久性。
參考文獻
- ASTM G154-2021, Standard Practice for Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus for Exposure of Nonmetallic Materials. ASTM International, 2021.
- GB/T 16422.3-2014, 《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第3部分：熒光紫外燈》. 中國標準出版社, 2014.
- Suzuki, T., et al. "Hydrolytic degradation of polyester-based thermoplastic polyurethane under accelerated aging conditions." Polymer Degradation and Stability, vol. 178, 2020, p. 109201.
- Covestro. Desmopan® 9375D: High Clarity, Low Yellowing TPU for Durable Applications. Technical Datasheet, 2022.
- 張華, 王磊. “納米複合抗黃變TPU的製備與性能研究.” 《高分子學報》, 2021(5): 678–685.
- Lubrizol. Estane® ETE: High-Performance TPU for Outdoor Applications. Product Guide, 2023.
- 萬華化學. 《Wanprene®抗黃變TPU技術白皮書》. 2022.
- DuPont. "Oxidative and ozone resistance of polyether vs polyester TPU." Journal of Applied Polymer Science, vol. 136, no. 15, 2019.
- ISO 4892-3:2016, Plastics — Methods of exposure to laboratory light sources — Part 3: Fluorescent UV lamps. International Organization for Standardization.
- 百度百科. “熱塑性聚氨酯”詞條. http://baike.baidu.com/item/熱塑性聚氨酯, 2024年訪問.
- 中國塑料加工工業協會. 《2023年中國功能性複合材料發展報告》. 北京: 中國輕工業出版社, 2023.
- Arkema. Rilsan® Clear: Bio-based Transparent Polyamide for High-Performance Composites. Technical Brochure, 2022.
（全文約3,800字）
