TPU（热塑性聚氨酯弹性体）是由二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或甲苯二异氰酸酯（TDI）等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇（扩链剂）共同反应聚合而成的高分子材料。
根据二异氰酸酯的种类不同，分为芳香型（MDI）和脂肪型（HDI），两者的性能差异主要集中在耐黄变性上，总体而言，脂肪族性能上优于芳香族；根据软链段的不同，常见的TPU分为聚醚型和聚酯型。
将TPU材料经由超临界物理发泡工艺发泡制得的一种闭孔的微发泡材料，超临界发泡TPU具有绿色环保、轻量化、高回弹、高强度、耐压缩、耐腐蚀老化等优点，在各行各业都有广阔的应用市场。
一、超临界发泡工艺
1. 珠粒发泡
珠粒发泡是TPU超临界发泡中最成熟的工艺，可分为间歇式釜压发泡和连续式挤出发泡两类，其中教常见的为釜压发泡。
间歇式釜压发泡（高压釜发泡）
流程：将TPU颗粒、发泡剂（超临界CO₂/N₂流体）及助剂放入密闭高压釜，在高温高压下进行饱和浸渍，随后通过快速泄压或升温诱导发泡，形成闭孔结构的发泡珠粒。
制得TPU发泡珠粒后的成型工艺有两种：水蒸气成型和PU胶粘。而由于环保、减重等因素影响，目前后续的鞋材成型工艺基本都是水蒸气成型。
该工艺做出来的发泡TPU发泡倍率在10倍以上，各项性能极佳，且设备、工艺相对简单，但存在成本高、设备须经特殊的防爆处理等问题。
连续式挤出发泡
流程：TPU颗粒和助剂熔融混合均匀，注入超临界流体后进行降温、挤出、水下环切等操作，制得TPU发泡珠粒，最后水蒸气成型。
连续式挤出发泡效率较高、批次稳定性好，但设备投资大，国内技术尚不成熟，易出现开孔率过高等问题。
2. 板材发泡
超临界板材发泡工艺可以用釜式也可以用模压工艺，其中模压工艺更为常见。
流程：将模压机上的发泡模具升温，待达到发泡温度后，将聚合物放入模具，模压机合模，模具密封；向模具内充入超临界流体，超临界流体向聚合物溶胀扩散，后模压机开模泄压发泡，即可得到泡孔尺寸和密度可控的聚合物微孔发泡材料。
图源：申赛新材
板材发泡制件的密度较低、泡孔尺寸小，发泡体相对珠粒发泡也更加均匀，但相对利用率低，切屑多。
3. 注塑发泡
超临界注塑发泡是将超临界流体直接注入注塑机，实现发泡与成型一体化。
流程：在注塑机熔融TPU过程中，将超临界状态的CO₂或N₂注入熔体，形成均匀的单相混合溶体，将溶体注入模具后，通过快速泄压发泡，从而得到有特定形状的发泡制件。
图源：航烨能源
超临界注塑发泡适合复杂形状制品，兼具轻量化和力学性能，但其设备要求较高，需耐高压注塑机和精密温控系统，连续挤出-注塑一体化设备成本也较高。
4. 小发大
小发大（注塑+超临界模压发泡）又叫胚模发泡，特点是小的胚模在经过模压发泡后变大，主要应用于鞋中底的制作。
流程：将材料进行混炼后射出成型，得到小的鞋底胚模；再将鞋底胚模放进模具中，经过超临界流体发泡后得到大的鞋底。
图源：申赛新材
5. 发泡膜
超临界流体在热塑性弹性体中的高扩散系数易导致气体逃逸出热塑性弹性体薄膜，可通过三明治结构（阻隔层/热塑弹性体层/阻隔层）限制扩散路径。
流程：采用阻隔层与TPU复合，阻隔层一般为聚酰亚胺（PI）薄膜，通过超临界流体渗透和界面成核，形成表面无皮、芯层微孔的薄膜结构。
三明治结构TPU发泡膜制造工艺示意图
来源：《热塑弹性体超临界流体间歇发泡过程中的基本问题》， 翟文涛、江俊杰
热塑弹性体发泡薄膜在可穿戴、消费电子、环保革等领域有强烈的应用需求。但制备厚度低于100 μm 的 TPU 物理发泡薄膜在技术上存在挑战。
二、发泡TPU的应用
1. 鞋材
超临界发泡TPU在鞋材应用主要有珠粒、板材及小发大等工艺，其中珠粒发泡应用最早，板材后来居上，而小发大以更高生产效率、性能更好备受时下鞋材厂商们的青睐。
Adidas Boost系列是非常典型的使用TPU超临界发泡技术的中底科技，拥有优异的弹性和缓震效果。此外，PUMA IGNITE，索康尼everun材料，altra的Ego以及Salomon的VIBE，还有特步的动力巢X中底科技等都采用了发泡TPU中底方案。
TPU发泡鞋，摄于巴斯夫展台
TPU发泡鞋，美瑞新材
阿迪达斯boost中底科技
索康尼 Freedom ISO 2采用了纯TPU发泡中底
2. 运输
超临界发泡制得的发泡TPU具有环保、轻量化耐晒、耐腐蚀、强度大、不易变形等特点，也广泛应用于运输领域，如自行车坐垫、轮胎、船用挡板、汽车内饰等。
发泡TPU坐垫，摄于申赛新材展台
发泡TPU坐垫，摄于顺祥新材展台
格林美孚发泡TPU材料在轮胎中的应用
发泡TPU制成的船挡泥板和缓冲元件
TPU发泡片材在车辆内饰领域的应用也十分广泛。它可以用于制造汽车座椅、方向盘、仪表盘等部件，提供舒适的驾乘体验。同时，其耐冲击和耐磨性能能够有效保护车辆内饰免受损坏。
科思创TPU薄膜汽车解决方案
发泡TPU应用于汽车座椅填充，图源燕辉科技
3. 医疗
TPU泡沫因其优良的透气性亲水性，可用于医疗敷料中。与传统材料相比，TPU泡沫能够避免伤口部位水分和无机盐的流失，同时减少细菌感染的风险。这一特性使得TPU泡沫成为烧伤、创伤等患者治疗的理想选择。
4. TPU跑道
发泡TPU还可应用于塑胶跑道，具有耐磨、防滑、减震等优良特性，与传统的塑胶跑道相比，发泡TPU塑胶跑道还具有较高的环保性能。
巴斯夫展出的发泡TPU材料全塑型跑道及儿童专用防护地坪
发泡TPU跑道，美瑞新材
5. 玩具
在玩具行业，发泡TPU耐用、抗菌环保、柔软高弹等特性可广泛应用于儿童玩具和宠物玩具，如弯曲玩具、弹跳球、 变形玩具等，增加了安全性和有趣性。
橡胶球、橡胶环、橡胶飞盘，图源Nidavellir
6. 建筑
在建筑领域，TPU发泡片材可用于制造防水、隔音、保温等建筑材料。其轻质、易加工的特性使得在建筑施工中更加便捷高效。同时，TPU发泡片材还具有良好的防火性能，为建筑安全提供了有力保障。
7. 运动
发泡TPU材料具有密度轻、柔软、回弹性由低到高可进行适当调节等优点，且TPU材料本身及加工过程无味环保，可给予更安全的运动防护。
将发泡TPU材料用于头盔衬里，能够有效的降低头盔的重量，减轻头部所受的压力，也可以有效的吸收外力所带来的冲击，减轻头部受到的伤害。
格林美孚的发泡TPU头盔
发泡TPU高的回弹性、缓震能力以及隔音降噪的功能使其可用于瑜伽垫、跑步机跑板等运动器材，除了给人体提供保护外，还能有效增长运动器材的寿命。
发泡TPU瑜伽垫，摄于申赛新材展位
巴斯夫的赢飞力TPU爆米花发泡材料应用于KEEP跑步机
来源：艾邦弹性体网综合整理
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：TPU超临界发泡工艺及应用案例