دستورالعمل‌های کلیدی برای توسعه آینده TPU

TPU یک الاستومر ترموپلاستیک پلی اورتان است که یک کوپلیمر بلوکی چند فازی متشکل از دی ایزوسیانات‌ها، پلیول‌ها و افزایش‌دهنده‌های زنجیره‌ای است. به عنوان یک الاستومر با کارایی بالا، TPU طیف گسترده‌ای از محصولات پایین‌دستی را در بر می‌گیرد و به طور گسترده در مایحتاج روزانه، تجهیزات ورزشی، اسباب‌بازی‌ها، مواد تزئینی و سایر زمینه‌ها مانند مواد کفش، شیلنگ‌ها، کابل‌ها، تجهیزات پزشکی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در حال حاضر، تولیدکنندگان اصلی مواد اولیه TPU شامل BASF، Covestro، Lubrizol، Huntsman، Wanhua Chemical،مواد جدید لینگهواو غیره. با توجه به طرح‌بندی و گسترش ظرفیت شرکت‌های داخلی، صنعت TPU در حال حاضر بسیار رقابتی است. با این حال، در زمینه کاربردهای پیشرفته، هنوز به واردات متکی است، که این نیز حوزه‌ای است که چین باید در آن به پیشرفت‌هایی دست یابد. بیایید در مورد چشم‌انداز بازار آینده محصولات TPU صحبت کنیم.

۱. فوم فوق بحرانی E-TPU

در سال ۲۰۱۲، آدیداس و BASF به طور مشترک برند کفش دویدن EnergyBoost را توسعه دادند که از TPU فومی (با نام تجاری infinergy) به عنوان ماده میانی زیره استفاده می‌کند. به دلیل استفاده از TPU پلی‌اتر با سختی Shore A 80-85 به عنوان زیره، در مقایسه با زیره‌های EVA، زیره‌های TPU فومی همچنان می‌توانند خاصیت ارتجاعی و نرمی خوبی را در محیط‌های زیر ۰ درجه سانتیگراد حفظ کنند که راحتی پوشیدن را بهبود می‌بخشد و به طور گسترده در بازار شناخته شده است.
2. مواد کامپوزیت TPU اصلاح شده تقویت شده با الیاف

TPU مقاومت ضربه خوبی دارد، اما در برخی کاربردها، مدول الاستیک بالا و مواد بسیار سخت مورد نیاز است. اصلاح تقویت با الیاف شیشه یک تکنیک رایج برای افزایش مدول الاستیک مواد است. از طریق اصلاح، می‌توان مواد کامپوزیت ترموپلاستیک با مزایای زیادی مانند مدول الاستیک بالا، عایق خوب، مقاومت حرارتی قوی، عملکرد بازیابی الاستیک خوب، مقاومت در برابر خوردگی خوب، مقاومت در برابر ضربه، ضریب انبساط کم و پایداری ابعادی به دست آورد.

شرکت BASF در پتنت خود، فناوری‌ای برای تهیه TPU تقویت‌شده با الیاف شیشه با مدول بالا با استفاده از الیاف کوتاه شیشه معرفی کرده است. یک TPU با سختی Shore D برابر با ۸۳ با مخلوط کردن پلی تترافلوئورواتیلن گلیکول (PTMEG، Mn=1000)، MDI و ۱،۴-بوتان دیول (BDO) با ۱،۳-پروپان دیول به عنوان مواد اولیه سنتز شد. این TPU با نسبت جرمی ۵۲:۴۸ با الیاف شیشه ترکیب شد تا ماده کامپوزیتی با مدول الاستیک ۱۸.۳ گیگاپاسکال و استحکام کششی ۲۴۴ مگاپاسکال به دست آید.

علاوه بر الیاف شیشه، گزارش‌هایی نیز از محصولاتی با استفاده از کامپوزیت الیاف کربن TPU وجود دارد، مانند برد کامپوزیت الیاف کربن/TPU مائزیو از شرکت Covestro که دارای مدول الاستیک تا 100 گیگاپاسکال و چگالی کمتر از فلزات است.
۳. TPU مقاوم در برابر شعله بدون هالوژن

TPU دارای استحکام بالا، چقرمگی بالا، مقاومت عالی در برابر سایش و سایر خواص است که آن را به یک ماده غلاف بسیار مناسب برای سیم و کابل تبدیل می‌کند. اما در زمینه‌های کاربردی مانند ایستگاه‌های شارژ، به بازدارندگی شعله بالاتری نیاز است. به طور کلی دو راه برای بهبود عملکرد بازدارندگی شعله TPU وجود دارد. یکی اصلاح واکنشی بازدارندگی شعله است که شامل وارد کردن مواد بازدارندگی شعله مانند پلیول‌ها یا ایزوسیانات‌های حاوی فسفر، نیتروژن و سایر عناصر به سنتز TPU از طریق پیوند شیمیایی است. دوم اصلاح افزایشی بازدارندگی شعله است که شامل استفاده از TPU به عنوان زیرلایه و افزودن بازدارندگی شعله برای اختلاط مذاب است.

اصلاح واکنشی می‌تواند ساختار TPU را تغییر دهد، اما وقتی مقدار افزودنی بازدارنده شعله زیاد باشد، استحکام TPU کاهش می‌یابد، عملکرد پردازش بدتر می‌شود و افزودن مقدار کمی نمی‌تواند به سطح بازدارنده شعله مورد نیاز برسد. در حال حاضر، هیچ محصول بازدارنده شعله بالایی به صورت تجاری موجود نیست که واقعاً بتواند کاربرد ایستگاه‌های شارژ را برآورده کند.

شرکت Bayer MaterialScience سابق (که اکنون Kostron نام دارد) زمانی یک پلی‌ال حاوی فسفر آلی (IHPO) بر پایه اکسید فسفین را در یک پتنت معرفی کرد. TPU پلی‌اتر سنتز شده از IHPO، PTMEG-1000، 4,4'- MDI و BDO، خواص بازدارندگی شعله و مکانیکی عالی از خود نشان می‌دهد. فرآیند اکستروژن صاف است و سطح محصول نیز صاف است.

افزودن بازدارنده‌های شعله بدون هالوژن در حال حاضر رایج‌ترین مسیر فنی برای تهیه TPU بازدارنده شعله بدون هالوژن است. به طور کلی، بازدارنده‌های شعله مبتنی بر فسفر، نیتروژن، سیلیکون و بور با هم ترکیب می‌شوند یا از هیدروکسیدهای فلزی به عنوان بازدارنده شعله استفاده می‌شوند. به دلیل اشتعال‌پذیری ذاتی TPU، اغلب برای تشکیل یک لایه بازدارنده شعله پایدار در حین احتراق، به مقدار پرکننده بازدارنده شعله بیش از 30٪ نیاز است. با این حال، هنگامی که مقدار بازدارنده شعله اضافه شده زیاد باشد، بازدارنده شعله به طور ناهموار در بستر TPU پراکنده می‌شود و خواص مکانیکی TPU بازدارنده شعله ایده‌آل نیست، که این امر کاربرد و تبلیغ آن را در زمینه‌هایی مانند شیلنگ، فیلم و کابل محدود می‌کند.

اختراع BASF یک فناوری TPU مقاوم در برابر شعله را معرفی می‌کند که پلی فسفات ملامین و یک مشتق فسفردار از اسید فسفنیک را به عنوان مقاوم در برابر شعله با TPU با وزن مولکولی متوسط ​​​​وزنی بیشتر از 150 کیلو دالتون مخلوط می‌کند. مشخص شد که عملکرد مقاوم در برابر شعله به طور قابل توجهی بهبود یافته و در عین حال به استحکام کششی بالایی دست یافته است.

برای افزایش بیشتر استحکام کششی ماده، اختراع BASF روشی را برای تهیه مستربچ عامل اتصال عرضی حاوی ایزوسیانات‌ها معرفی می‌کند. افزودن ۲٪ از این نوع مستربچ به ترکیبی که الزامات ضد حریق UL94V-0 را برآورده می‌کند، می‌تواند استحکام کششی ماده را از ۳۵ مگاپاسکال به ۴۰ مگاپاسکال افزایش دهد و در عین حال عملکرد ضد حریق V-0 را حفظ کند.

برای بهبود مقاومت در برابر پیری حرارتی TPU مقاوم در برابر شعله، ثبت اختراعشرکت مواد جدید لینگهواهمچنین روشی برای استفاده از هیدروکسیدهای فلزی پوشش داده شده سطحی به عنوان بازدارنده شعله معرفی می‌کند. به منظور بهبود مقاومت هیدرولیز TPU مقاوم در برابر شعله،شرکت مواد جدید لینگهواکربنات فلزی را بر اساس افزودن ماده ضد حریق ملامین در یک درخواست ثبت اختراع دیگر معرفی کرد.

۴. TPU برای فیلم محافظ رنگ خودرو

فیلم محافظ رنگ خودرو، یک فیلم محافظ است که سطح رنگ را پس از نصب از هوا جدا می‌کند، از باران اسیدی، اکسیداسیون، خراش جلوگیری می‌کند و محافظت طولانی مدتی برای سطح رنگ فراهم می‌کند. عملکرد اصلی آن محافظت از سطح رنگ خودرو پس از نصب است. فیلم محافظ رنگ عموماً از سه لایه تشکیل شده است که یک پوشش خود ترمیم شونده روی سطح، یک فیلم پلیمری در وسط و یک چسب حساس به فشار اکریلیک در لایه زیرین قرار دارد. TPU یکی از مواد اصلی برای تهیه فیلم‌های پلیمری میانی است.

الزامات عملکردی برای TPU مورد استفاده در فیلم محافظ رنگ به شرح زیر است: مقاومت در برابر خراش، شفافیت بالا (عبور نور> 95٪)، انعطاف‌پذیری در دمای پایین، مقاومت در برابر دمای بالا، استحکام کششی> 50MPa، ازدیاد طول> 400٪ و محدوده سختی Shore A از 87-93؛ مهمترین عملکرد، مقاومت در برابر آب و هوا است که شامل مقاومت در برابر پیری UV، تخریب اکسیداتیو حرارتی و هیدرولیز می‌شود.

محصولات بالغ فعلی، TPU آلیفاتیک هستند که از دی‌سیکلوهگزیل دی‌ایزوسیانات (H12MDI) و پلی‌کاپرولاکتون دیول به عنوان مواد اولیه تهیه می‌شوند. TPU آروماتیک معمولی پس از یک روز تابش اشعه ماوراء بنفش به طور قابل توجهی زرد می‌شود، در حالی که TPU آلیفاتیک مورد استفاده برای فیلم بسته‌بندی خودرو می‌تواند ضریب زردی خود را بدون تغییرات قابل توجه در شرایط مشابه حفظ کند.
پلی (ε – کاپرولاکتون) TPU در مقایسه با پلی اتر و پلی استر TPU عملکرد متعادل‌تری دارد. از یک طرف، می‌تواند مقاومت پارگی عالی TPU پلی استر معمولی را نشان دهد، در حالی که از طرف دیگر، تغییر شکل دائمی کم فشار و عملکرد بازگشتی بالای TPU پلی اتر را نیز نشان می‌دهد، بنابراین به طور گسترده در بازار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با توجه به الزامات مختلف برای مقرون به صرفه بودن محصول پس از تقسیم‌بندی بازار، با بهبود فناوری پوشش سطح و قابلیت تنظیم فرمول چسب، این احتمال وجود دارد که در آینده از TPU آلیفاتیک پلی‌اتر یا پلی‌استر معمولی H12MDI برای فیلم‌های محافظ رنگ استفاده شود.

۵. TPU زیستی

روش رایج برای تهیه TPU زیستی، وارد کردن مونومرها یا واسطه‌های زیستی در طول فرآیند پلیمریزاسیون، مانند ایزوسیانات‌های زیستی (مانند MDI، PDI)، پلی‌ال‌های زیستی و غیره است. در میان آنها، ایزوسیانات‌های زیستی در بازار نسبتاً کمیاب هستند، در حالی که پلی‌ال‌های زیستی رایج‌ترند.

در زمینه ایزوسیانات‌های زیستی، از اوایل سال ۲۰۰۰، شرکت‌های BASF، Covestro و دیگران تلاش‌های زیادی را در تحقیقات PDI انجام داده‌اند و اولین سری از محصولات PDI در سال‌های ۲۰۱۵-۲۰۱۶ به بازار عرضه شدند. شرکت Wanhua Chemical محصولات TPU صد در صد زیستی را با استفاده از PDI زیستی ساخته شده از ساقه ذرت توسعه داده است.

از نظر پلی‌ال‌های زیستی، شامل پلی‌تترافلوئورواتیلن زیستی (PTMEG)، ۱،۴-بوتاندیول زیستی (BDO)، ۱،۳-پروپاندیول زیستی (PDO)، پلی‌ال‌های پلی‌استر زیستی، پلی‌ال‌های پلی‌اتر زیستی و غیره می‌شود.

در حال حاضر، چندین تولیدکننده TPU، TPUهای زیستی را روانه بازار کرده‌اند که عملکرد آنها با TPUهای سنتی مبتنی بر پتروشیمی قابل مقایسه است. تفاوت اصلی بین این TPUهای زیستی در میزان محتوای زیستی است که عموماً از 30٪ تا 40٪ متغیر است و برخی حتی به سطوح بالاتری نیز دست یافته‌اند. در مقایسه با TPU سنتی مبتنی بر پتروشیمی، TPU زیستی مزایایی مانند کاهش انتشار کربن، بازسازی پایدار مواد اولیه، تولید سبز و حفظ منابع دارد. BASF، Covestro، Lubrizol، Wanhua Chemical ومواد جدید لینگهوابرندهای TPU زیستی خود را عرضه کرده‌اند و کاهش کربن و پایداری نیز از مسیرهای کلیدی برای توسعه TPU در آینده هستند.