כיוונים מרכזיים לפיתוח עתידי של TPU

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

נכון לעכשיו, יצרני חומרי הגלם העיקריים של TPU כוללים את BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical.Linghua חומרים חדשיםוכן הלאה. עם הפריסה וההרחבת הקיבולת של מפעלים מקומיים, תעשיית ה-TPU נמצאת כיום בתחרותיות גבוהה. עם זאת, בתחום היישומים היוקרתיים, היא עדיין מסתמכת על יבוא, וזהו גם תחום שסין צריכה להשיג בו פריצות דרך. בואו נדבר על סיכויי השוק העתידיים של מוצרי TPU.

1. קצף סופר-קריטי E-TPU

בשנת 2012, אדידס ו-BASF פיתחו במשותף את מותג נעלי הריצה EnergyBoost, המשתמש ב-TPU מוקצף (שם מסחרי infinergy) כחומר סוליית הביניים. בשל השימוש בפוליאתר TPU עם קשיות Shore A של 80-85 כחומר מצע, בהשוואה לסוליות ביניים מ-EVA, סוליות ביניים מ-TPU מוקצפות עדיין יכולות לשמור על גמישות ורכות טובות בסביבות מתחת ל-0 מעלות צלזיוס, מה שמשפר את נוחות הנעילה וזוכה להכרה נרחבת בשוק.
2. חומר מרוכב TPU מחוזק בסיבים

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

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

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

ל-TPU חוזק גבוה, קשיחות גבוהה, עמידות מעולה בפני שחיקה ותכונות נוספות, מה שהופך אותו לחומר מעטפת מתאים מאוד לחוטים וכבלים. אך בתחומי יישום כמו תחנות טעינה, נדרש עמידות גבוהה יותר לעמידות בעירה. ישנן בדרך כלל שתי דרכים לשפר את ביצועי מעכבי הבעירה של TPU. האחת היא שינוי ריאקטיבי במעכבי בעירה, הכולל הכנסת חומרים מעכבי בעירה כגון פוליאולים או איזוציאנטים המכילים זרחן, חנקן ויסודות אחרים לסינתזה של TPU באמצעות קשר כימי; השנייה היא שינוי תוסף במעכבי בעירה, הכולל שימוש ב-TPU כמצע והוספת מעכבי בעירה לערבוב מותך.

שינוי ריאקטיבי יכול לשנות את מבנה ה-TPU, אך כאשר כמות מעכב הבעירה התוסף גדולה, חוזקו של ה-TPU יורד, ביצועי העיבוד מתדרדרים, והוספת כמות קטנה אינה יכולה להשיג את רמת מעכב הבעירה הנדרשת. נכון לעכשיו, אין מוצר בעל מעכב בעירה גבוה זמין מסחרית שיכול באמת לענות על היישום של תחנות טעינה.

חברת Bayer MaterialScience לשעבר (כיום Kostron) הציגה בעבר פטנט על פוליאול אורגני המכיל זרחן (IHPO) המבוסס על תחמוצת פוספין. הפוליאתר TPU המסונתז מ-IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI ו-BDO מציג עמידות בעירה ותכונות מכניות מצוינות. תהליך האקסטרוזיה חלק, ומשטח המוצר חלק.

הוספת מעכבי בעירה נטולי הלוגן היא כיום הדרך הטכנית הנפוצה ביותר להכנת TPU מעכב בעירה נטולי הלוגן. באופן כללי, מעכבי בעירה מבוססי זרחן, חנקן, סיליקון ובורון מורכבים או משמשים הידרוקסידים של מתכת כמעכבי בעירה. בשל דליקותו הטבועה של TPU, נדרשת לעתים קרובות כמות מילוי של יותר מ-30% של מעכב בעירה כדי ליצור שכבת מעכב בעירה יציבה במהלך הבעירה. עם זאת, כאשר כמות מעכב הבעירה שנוספת גדולה, מעכב הבעירה מתפזר באופן לא אחיד במצע ה-TPU, והתכונות המכניות של TPU מעכב הבעירה אינן אידיאליות, מה שמגביל גם את יישומו וקידומו בתחומים כמו צינורות, סרטים וכבלים.

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

כדי לשפר עוד יותר את חוזק המתיחה של החומר, הפטנט של BASF מציג שיטה להכנת אבצק חומר מקשר צולב המכיל איזוציאנטים. הוספת 2% מסוג זה של אבצק להרכב העומד בדרישות מעכב בעירה UL94V-0 יכולה להגדיל 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 חומרים חדשים לינגהואהמציג גם שיטה לשימוש בהידרוקסידים מתכתיים מצופים פני השטח כמעכבי בעירה. על מנת לשפר את עמידות ההידרוליזה של TPU מעכב בעירה,חברת חומרים חדשים לינגהואההציג מתכת פחמתי על בסיס הוספת מעכב בעירה מלמין בבקשת פטנט אחרת.

4. TPU לסרט הגנה על צבע רכב

סרט הגנה לצבע רכב הוא סרט מגן המבודד את פני הצבע מהאוויר לאחר ההתקנה, מונע גשם חומצי, חמצון, שריטות ומספק הגנה לאורך זמן למשטח הצבע. תפקידו העיקרי הוא להגן על פני הצבע לאחר ההתקנה. סרט הגנה לצבע 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 עבור TPU המשמש בסרט הגנה לצבע הן כדלקמן: עמידות בפני שריטות, שקיפות גבוהה (העברת אור >95%), גמישות בטמפרטורה נמוכה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, חוזק מתיחה >50MPa, התארכות >400%, וטווח קשיות Shore A של 87-93; הביצועים החשובים ביותר הם עמידות בפני מזג אוויר, הכוללת עמידות בפני הזדקנות UV, פירוק חמצוני תרמי והידרוליזה.

המוצרים הבוגרים כיום הם TPU אליפטי המוכן מדיציקלוהקסיל דיאיזוציאנט (H12MDI) ופוליקפרולקטון דיול כחומרי גלם. TPU ארומטי רגיל הופך מצהיב באופן ניכר לאחר יום אחד של קרינת UV, בעוד ש-TPU אליפטי המשמש לסרט עיטוף לרכב יכול לשמור על מקדם ההצהבה שלו ללא שינויים משמעותיים באותם תנאים.
ל-TPU מפוליאתר (ε-קפרולקטון) ביצועים מאוזנים יותר בהשוואה ל-TPU מפוליאתר ופוליאסטר. מצד אחד, הוא יכול להציג עמידות מצוינת לקרע של TPU מפוליאסטר רגיל, ומצד שני הוא גם מפגין ביצועים יוצאי דופן של דחיסה נמוכה ועיוות קבוע וריבאונד גבוה של TPU מפוליאתר, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב בשוק.

עקב דרישות שונות לחיסכון בעלות של מוצרים לאחר פילוח שוק, עם שיפור טכנולוגיית ציפוי פני השטח ויכולת התאמת נוסחת הדבק, קיים גם סיכוי ליישום TPU אליפטי מפוליאתר או פוליאסטר רגיל H12MDI בסרטי הגנה לצבע בעתיד.

5. TPU מבוסס ביולוגיה

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

מבחינת איזוציאנטים מבוססי ביו, כבר בשנת 2000, BASF, Covestro ואחרים השקיעו מאמץ רב במחקר PDI, והמנה הראשונה של מוצרי PDI הושקה לשוק בשנים 2015-2016. וואנהואה כימיקלים פיתחה מוצרי TPU מבוססי 100% ביו באמצעות PDI מבוסס ביו העשוי מתירס.

מבחינת פוליאולים מבוססי ביו, זה כולל פוליטוטראפלואורואתילן מבוסס ביו (PTMEG), 1,4-בוטנדיול מבוסס ביו (BDO), 1,3-פרופנדיול מבוסס ביו (PDO), פוליאולים מפוליאסטר מבוססי ביו, פוליאולים מפוליאתר מבוססי ביו ועוד.

כיום, מספר יצרני TPU השיקו TPU מבוסס ביו, שביצועיו דומים ל-TPU מבוסס פטרוכימיה מסורתי. ההבדל העיקרי בין TPU מבוססי ביו אלה טמון ברמת התוכן הביולוגי, הנעה בדרך כלל בין 30% ל-40%, כאשר חלקם אף משיגים רמות גבוהות יותר. בהשוואה ל-TPU מבוסס פטרוכימיה מסורתי, ל-TPU מבוסס ביו יתרונות כגון הפחתת פליטות פחמן, התחדשות בת קיימא של חומרי גלם, ייצור ירוק ושימור משאבים. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical, ו-Linghua חומרים חדשיםהשיקו את מותגי ה-TPU הביולוגיים שלהם, והפחתת פליטות פחמן וקיימות הן גם כיוונים מרכזיים לפיתוח TPU בעתיד.