כיווני מפתח לפיתוח עתידי של TPU

TPU הוא אלסטומר תרמופלסטי מפוליאוריתן, שהוא קופולימר בלוק רב-פאזי המורכב מדיאיזוציאנטים, פוליאולים ומאריכי שרשרת. בתור אלסטומר בעל ביצועים גבוהים, ל-TPU מגוון רחב של כיווני מוצרים במורד הזרם והוא נמצא בשימוש נרחב בצרכי היומיום, ציוד ספורט, צעצועים, חומרים דקורטיביים ותחומים אחרים, כגון חומרי נעליים, צינורות, כבלים, מכשירים רפואיים וכו'.

נכון לעכשיו, יצרני חומרי הגלם העיקריים של TPU כוללים BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Linghua חומרים חדשים, וכן הלאה. עם הפריסה והרחבת הקיבולת של ארגונים מקומיים, תעשיית ה-TPU היא כיום תחרותית ביותר. עם זאת, בתחום היישומים היוקרתיים, היא עדיין מסתמכת על יבוא, וזה גם תחום שסין צריכה להשיג בו פריצות דרך. בואו נדבר על סיכויי השוק העתידיים של מוצרי TPU.

1. E-TPU מקציף על קריטי

בשנת 2012, אדידס ו-BASF פיתחו יחד את מותג נעלי הריצה EnergyBoost, המשתמש ב-TPU מוקצף (שם מסחרי אינפינרגיה) כחומר הסוליה האמצעית. בשל השימוש בפוליאתר TPU עם קשיות Shore A של 80-85 כמצע, בהשוואה לסוליות ביניים EVA, סוליות ביניים TPU מוקצפות עדיין יכולות לשמור על גמישות ורכות טובה בסביבות מתחת ל-0 ℃, מה שמשפר את נוחות הלבישה וזוכה להכרה נרחבת ב- השוק.
2. חומר מרוכב TPU שונה מחוזק בסיבים

ל-TPU עמידות טובה בפני פגיעה, אך ביישומים מסוימים נדרשים מודול אלסטי גבוה וחומרים קשים מאוד. שינוי חיזוק סיבי זכוכית הוא טכניקה נפוצה להגדלת מודול האלסטי של חומרים. באמצעות שינוי ניתן להשיג חומרים מרוכבים תרמופלסטיים בעלי יתרונות רבים כגון מודול אלסטי גבוה, בידוד טוב, עמידות בחום חזקה, ביצועי התאוששות אלסטיים טובים, עמידות טובה בפני קורוזיה, עמידות בפני פגיעות, מקדם התפשטות נמוך ויציבות מימדית.

BASF הציגה בפטנט שלה טכנולוגיה להכנת TPU מחוזק פיברגלס עם מודול גבוה באמצעות סיבים קצרים מזכוכית. TPU עם קשיות Shore D של 83 סונתז על ידי ערבוב פולי-טטראפלואורואתילן גליקול (PTMEG, Mn=1000), MDI ו-1,4-בוטנדיול (BDO) עם 1,3-פרופאנדיול כחומרי גלם. TPU זה הורכב עם סיבי זכוכית ביחס מסה של 52:48 כדי לקבל חומר מרוכב עם מודול אלסטי של 18.3 GPa וחוזק מתיחה של 244 MPa.

בנוסף לסיבי זכוכית, ישנם גם דיווחים על מוצרים המשתמשים ב-TPU מרוכבים של סיבי פחמן, כמו לוח סיבי פחמן/TPU מרוכב Maezio של Covestro, בעל מודול אלסטי של עד 100GPa וצפיפות נמוכה יותר ממתכות.
3. TPU מעכב בעירה ללא הלוגן

ל-TPU חוזק גבוה, קשיחות גבוהה, עמידות בפני שחיקה מצוינת ותכונות נוספות, מה שהופך אותו לחומר נדן מתאים מאוד לחוטים וכבלים. אבל בתחומי יישום כגון תחנות טעינה, נדרשת עיכוב בעירה גבוה יותר. יש בדרך כלל שתי דרכים לשפר את הביצועים מעכבי בעירה של TPU. האחד הוא שינוי מעכב בעירה תגובתי, הכולל הכנסת חומרים מעכבי בעירה כגון פוליאולים או איזוציאנאטים המכילים זרחן, חנקן ואלמנטים אחרים לסינתזה של TPU באמצעות קשר כימי; השני הוא שינוי מעכב בעירה תוסף, הכולל שימוש ב-TPU כמצע והוספת מעכבי בעירה לערבוב נמס.

שינוי תגובתי יכול לשנות את המבנה של TPU, אך כאשר כמות מעכב הבעירה התוסף גדולה, חוזק ה-TPU פוחת, ביצועי העיבוד מתדרדרים, והוספת כמות קטנה אינה יכולה להשיג את רמת מעכב הבעירה הנדרשת. נכון לעכשיו, אין מוצר זמין מסחרית מעכב בעירה שיכול באמת לענות על היישום של עמדות טעינה.

לשעבר Bayer MaterialScience (כיום Kostron) הציג פעם פוליאול המכיל זרחן אורגני (IHPO) המבוסס על תחמוצת פוספין בפטנט. הפוליאתטר TPU המסונתז מ-IHPO, PTMEG-1000, 4,4'- MDI ו-BDO מציג עיכוב בעירה ותכונות מכניות מצוינות. תהליך האקסטרוזיה חלק, ומשטח המוצר חלק.

הוספת מעכבי בעירה נטולי הלוגן היא כיום המסלול הטכני הנפוץ ביותר להכנת TPU מעכב בעירה ללא הלוגן. בדרך כלל, מעכבי בעירה מבוססי זרחן, חנקן, סיליקון, בורון מורכבים או הידרוקסידי מתכת משמשים כמעכבי בעירה. בשל הדליקות המובנית של TPU, נדרשת לעיתים קרובות כמות מילוי מעכב בעירה של יותר מ-30% כדי ליצור שכבה יציבה מעכבת בעירה במהלך הבעירה. עם זאת, כאשר כמות מעכב הבעירה המוסף גדולה, מעכב הבעירה מתפזר בצורה לא אחידה במצע ה-TPU, והתכונות המכניות של מעכב הבעירה TPU אינן אידיאליות, מה שגם מגביל את היישום והקידום שלו בתחומים כמו צינורות, סרטים , וכבלים.

הפטנט של BASF מציג טכנולוגיית TPU מעכבת בעירה, המשלבת מלמין פוליפוספט ונגזרת המכילה זרחן של חומצה פוספינית כמעכבי בעירה עם TPU עם משקל מולקולרי ממוצע של יותר מ-150kDa. נמצא שביצועי מעכב הבעירה השתפרו משמעותית תוך השגת חוזק מתיחה גבוה.

כדי לשפר עוד יותר את חוזק המתיחה של החומר, הפטנט של BASF מציג שיטה להכנת מאסטר אצווה של חומרי צולבות המכילים איזוציאנאטים. הוספת 2% מסוג זה של מאסטרבאץ' להרכב העומד בדרישות מעכב בעירה UL94V-0 יכולה להגביר את חוזק המתיחה של החומר מ-35MPa ל-40MPa תוך שמירה על ביצועי מעכב בעירה V-0.

כדי לשפר את עמידות ההזדקנות בחום של TPU מעכב בעירה, הפטנט שלחברת לינגואה חומרים חדשיםמציגה גם שיטה לשימוש בהידרוקסידי מתכת מצופים פני השטח כמעכבי בעירה. על מנת לשפר את עמידות ההידרוליזה של TPU מעכב בעירה,חברת לינגואה חומרים חדשיםהציג מתכת קרבונט על בסיס הוספת מעכב בעירה מלמין בבקשת פטנט אחרת.

4. TPU עבור סרט הגנת צבע רכב

סרט הגנת צבע לרכב הינו סרט הגנה המבודד את משטח הצבע מהאוויר לאחר ההתקנה, מונע גשם חומצי, חמצון, שריטות ומעניק הגנה לאורך זמן למשטח הצבע. תפקידו העיקרי הוא להגן על משטח צבע הרכב לאחר ההתקנה. סרט ההגנה על הצבע מורכב בדרך כלל משלוש שכבות, עם ציפוי ריפוי עצמי על פני השטח, סרט פולימרי באמצע, ודבק אקרילי רגיש ללחץ בשכבה התחתונה. TPU הוא אחד החומרים העיקריים להכנת סרטי פולימר ביניים.

דרישות הביצועים ל-TPU המשמשות בסרט הגנה על צבע הן כדלקמן: עמידות בפני שריטות, שקיפות גבוהה (העברת אור>95%), גמישות בטמפרטורה נמוכה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, חוזק מתיחה>50MPa, התארכות>400% ו- Shore A טווח קשיות של 87-93; הביצועים החשובים ביותר הם עמידות במזג האוויר, הכוללת עמידות בפני הזדקנות UV, פירוק חמצוני תרמי והידרוליזה.

המוצרים הבוגרים כיום הם TPU אליפטי שהוכן מדיציקלוהקסיל דיאיזוציאנאט (H12MDI) ופוליקפרולקטון דיול כחומרי גלם. TPU ארומטי רגיל הופך צהוב באופן גלוי לאחר יום אחד של קרינת UV, בעוד TPU אליפטי המשמש לסרט עטיפת מכוניות יכול לשמור על מקדם ההצהבה שלו ללא שינויים משמעותיים באותם תנאים.
TPU לפולי (ε – קפרולקטון) בעל ביצועים מאוזנים יותר בהשוואה ל-TPU של פוליאתר ופוליאסטר. מצד אחד, הוא יכול להפגין עמידות מצוינת לקרע של פוליאסטר TPU רגיל, ומצד שני, הוא גם מפגין עיוות קבוע דחיסה נמוכה וביצועי ריבאונד גבוהים של פוליאתר TPU, ובכך נמצא בשימוש נרחב בשוק.

בשל דרישות שונות לחסכוניות המוצר לאחר פילוח שוק, עם שיפור טכנולוגיית ציפוי פני השטח ויכולת התאמת נוסחת הדבק, יש גם סיכוי לפוליאתר או פוליאסטר רגיל H12MDI אליפטי TPU ליישום על סרטי הגנה על צבע בעתיד.

5. TPU מבוסס ביו

השיטה הנפוצה להכנת TPU מבוססת ביו היא הכנסת מונומרים או תוצרי ביניים מבוססי ביניים במהלך תהליך הפילמור, כגון איזוציאנטים מבוססי ביו (כגון MDI, PDI), פוליאולים מבוססי ביו וכו'. ביניהם, איזוציאנטים מבוססי ביו נדירים יחסית ב בשוק, בעוד שפוליאולים מבוססי ביו נפוצים יותר.

במונחים של איזוציאנאטים מבוססי ביו, כבר בשנת 2000, BASF, Covestro ואחרים השקיעו מאמצים רבים במחקר PDI, והאצווה הראשונה של מוצרי PDI הוכנסה לשוק בשנים 2015-2016. Wanhua Chemical פיתחה מוצרי TPU מבוססי 100% ביו באמצעות PDI מבוססי ביו העשויים מתנור תירס.

במונחים של פוליאולים מבוססי ביו, זה כולל פולי-טטרה-פלואורואתילן (PTMEG), 1,4-בוטנדיול מבוסס-ביולוגי (BDO), 1,3-פרופניול מבוסס-ביולוגי (PDO), פוליאולים פוליאסטר מבוסס-ביולוגי, פוליאולים פוליאתרים מבוססי-ביו וכו'.

נכון לעכשיו, יצרני TPU מרובים השיקו TPU מבוסס ביו, שביצועיו דומים ל-TPU מסורתי מבוסס פטרוכימיה. ההבדל העיקרי בין TPUs מבוססי ביו אלה טמון ברמת התוכן מבוסס הביו, בדרך כלל נע בין 30% ל-40%, כאשר חלקם אף מגיעים לרמות גבוהות יותר. בהשוואה ל-TPU מסורתי מבוסס פטרוכימיה, ל-TPU מבוסס ביו יתרונות כמו הפחתת פליטת פחמן, התחדשות בת קיימא של חומרי גלם, ייצור ירוק ושימור משאבים. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical, וLinghua חומרים חדשיםהשיקו את מותגי ה-TPU המבוססים על ביו שלהם, והפחתת פחמן וקיימות הם גם כיווני מפתח לפיתוח TPU בעתיד.