Direccions clau per al desenvolupament futur de TPU

El TPU és un elastòmer termoplàstic de poliuretà, que és un copolímer de bloc multifase compost de diisocianats, poliols i extensors de cadena. Com a elastòmer d'alt rendiment, el TPU té una àmplia gamma d'indicacions de producte i s'utilitza àmpliament en articles de primera necessitat, equipament esportiu, joguines, materials decoratius i altres camps, com ara materials per a calçat, mànegues, cables, dispositius mèdics, etc.

Actualment, els principals fabricants de matèries primeres de TPU inclouen BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Nous materials Linghua, etc. Amb l'expansió del disseny i la capacitat de les empreses nacionals, la indústria del TPU és actualment altament competitiva. Tanmateix, en el camp de les aplicacions d'alta gamma, encara depèn de les importacions, que també és una àrea en què la Xina necessita aconseguir avenços. Parlem de les perspectives de mercat futures dels productes de TPU.

1. E-TPU d'escuma supercrítica

El 2012, Adidas i BASF van desenvolupar conjuntament la marca de sabatilles esportives EnergyBoost, que utilitza TPU escumat (nom comercial infinergy) com a material de l'entresola. Gràcies a l'ús de polieter TPU amb una duresa Shore A de 80-85 com a substrat, en comparació amb les entresoles d'EVA, les entresoles de TPU escumat encara poden mantenir una bona elasticitat i suavitat en ambients inferiors a 0 ℃, cosa que millora la comoditat d'ús i és àmpliament reconeguda al mercat.
2. Material compost de TPU modificat reforçat amb fibra

El TPU té una bona resistència a l'impacte, però en algunes aplicacions es requereix un mòdul elàstic elevat i materials molt durs. La modificació del reforç de fibra de vidre és una tècnica utilitzada habitualment per augmentar el mòdul elàstic dels materials. Mitjançant la modificació, es poden obtenir materials compostos termoplàstics amb molts avantatges, com ara un mòdul elàstic elevat, un bon aïllament, una forta resistència a la calor, un bon rendiment de recuperació elàstica, una bona resistència a la corrosió, resistència a l'impacte, un baix coeficient d'expansió i estabilitat dimensional.

BASF ha introduït en la seva patent una tecnologia per preparar TPU reforçat amb fibra de vidre d'alt mòdul utilitzant fibres curtes de vidre. Es va sintetitzar un TPU amb una duresa Shore D de 83 barrejant politetrafluoroetilenglicol (PTMEG, Mn=1000), MDI i 1,4-butanodiol (BDO) amb 1,3-propanodiol com a matèries primeres. Aquest TPU es va combinar amb fibra de vidre en una proporció de massa de 52:48 per obtenir un material compost amb un mòdul elàstic de 18,3 GPa i una resistència a la tracció de 244 MPa.

A més de la fibra de vidre, també hi ha informes de productes que utilitzen TPU compost de fibra de carboni, com ara la placa composta de fibra de carboni/TPU Maezio de Covestro, que té un mòdul elàstic de fins a 100 GPa i una densitat inferior a la dels metalls.
3. TPU ignífug sense halògens

El TPU té una alta resistència, una alta tenacitat, una excel·lent resistència al desgast i altres propietats, cosa que el converteix en un material de revestiment molt adequat per a cables i filferros. Però en camps d'aplicació com ara estacions de càrrega, es requereix una major resistència a la flama. Generalment hi ha dues maneres de millorar el rendiment ignífug del TPU. Una és la modificació ignífuga reactiva, que implica la introducció de materials ignífugs com ara poliols o isocianats que contenen fòsfor, nitrogen i altres elements a la síntesi de TPU mitjançant enllaços químics; la segona és la modificació ignífuga additiva, que implica l'ús de TPU com a substrat i l'addició de ignífugs per a la barreja en fosa.

La modificació reactiva pot canviar l'estructura del TPU, però quan la quantitat d'additiu ignífug és gran, la resistència del TPU disminueix, el rendiment del processament es deteriora i afegir una petita quantitat no pot aconseguir el nivell ignífug requerit. Actualment, no hi ha cap producte alt ignífug disponible comercialment que pugui satisfer realment l'aplicació de les estacions de càrrega.

L'antiga Bayer MaterialScience (ara Kostron) va introduir en una patent un poliol orgànic que conté fòsfor (IHPO) basat en òxid de fosfina. El polièter TPU sintetitzat a partir d'IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI i BDO presenta excel·lents propietats ignífugues i mecàniques. El procés d'extrusió és suau i la superfície del producte és llisa.

L'addició de retardants de flama sense halògens és actualment la via tècnica més utilitzada per a la preparació de TPU retardant de flama sense halògens. Generalment, els retardants de flama a base de fòsfor, nitrogen, silici, bor es compon o s'utilitzen hidròxids metàl·lics com a retardants de flama. A causa de la inflamabilitat inherent del TPU, sovint es requereix una quantitat d'ompliment de retardant de flama superior al 30% per formar una capa retardant de flama estable durant la combustió. Tanmateix, quan la quantitat de retardant de flama afegida és gran, el retardant de flama es dispersa de manera desigual al substrat de TPU i les propietats mecàniques del TPU retardant de flama no són ideals, cosa que també limita la seva aplicació i promoció en camps com mànegues, pel·lícules i cables.

La patent de BASF introdueix una tecnologia de TPU ignífug, que combina polifosfat de melamina i un derivat de l'àcid fosfínic que conté fòsfor com a ignífugs amb TPU amb un pes molecular mitjà superior a 150 kDa. Es va constatar que el rendiment ignífug millorava significativament alhora que s'aconseguia una alta resistència a la tracció.

Per millorar encara més la resistència a la tracció del material, la patent de BASF introdueix un mètode per preparar un masterbatch d'agent reticulant que conté isocianats. Afegir un 2% d'aquest tipus de masterbatch a una composició que compleix els requisits de retardant de flama UL94V-0 pot augmentar la resistència a la tracció del material de 35 MPa a 40 MPa, mantenint alhora el rendiment retardant de flama V-0.

Per millorar la resistència a l'envelliment tèrmic del TPU ignífug, la patent deEmpresa de nous materials Linghuatambé introdueix un mètode d'ús d'hidròxids metàl·lics recoberts superficialment com a retardants de flama. Per tal de millorar la resistència a la hidròlisi del TPU ignífug,Empresa de nous materials Linghuava introduir carbonat metàl·lic sobre la base de l'addició de retardant de flama de melamina en una altra sol·licitud de patent.

4. TPU per a pel·lícula de protecció de pintura d'automòbils

La pel·lícula protectora de pintura per a cotxes és una pel·lícula protectora que aïlla la superfície de la pintura de l'aire després de la instal·lació, evita la pluja àcida, l'oxidació, les ratllades i proporciona una protecció duradora per a la superfície de la pintura. La seva funció principal és protegir la superfície de la pintura del cotxe després de la instal·lació. La pel·lícula protectora de pintura generalment consta de tres capes, amb un recobriment autocuratiu a la superfície, una pel·lícula de polímer al mig i un adhesiu acrílic sensible a la pressió a la capa inferior. El TPU és un dels principals materials per a la preparació de pel·lícules de polímer intermèdies.

Els requisits de rendiment per al TPU utilitzat en pel·lícules de protecció de pintura són els següents: resistència a les ratllades, alta transparència (transmitància de la llum > 95%), flexibilitat a baixa temperatura, resistència a alta temperatura, resistència a la tracció > 50 MPa, allargament > 400% i rang de duresa Shore A de 87-93; El rendiment més important és la resistència a la intempèrie, que inclou la resistència a l'envelliment UV, la degradació oxidativa tèrmica i la hidròlisi.

Els productes actualment madurs són TPU alifàtics preparats a partir de diisocianat de diciclohexil (H12MDI) i policaprolactona diol com a matèries primeres. El TPU aromàtic ordinari es torna visiblement groc després d'un dia d'irradiació UV, mentre que el TPU alifàtic utilitzat per a la pel·lícula d'embolcall de cotxes pot mantenir el seu coeficient de groguenc sense canvis significatius en les mateixes condicions.
El poli(ε-caprolactona) TPU té un rendiment més equilibrat en comparació amb el polièter i el polièster TPU. D'una banda, pot presentar una excel·lent resistència a l'esquinçament del polièster TPU ordinari, mentre que de l'altra, també demostra una destacada baixa compressió, deformació permanent i alt rendiment de rebot del polièter TPU, per la qual cosa és àmpliament utilitzat al mercat.

A causa dels diferents requisits de rendibilitat del producte després de la segmentació del mercat, amb la millora de la tecnologia de recobriment superficial i la capacitat d'ajust de la fórmula de l'adhesiu, també hi ha la possibilitat que el polièter o el polièster H12MDI alifàtic TPU ordinari s'apliquin a les pel·lícules de protecció de pintura en el futur.

5. TPU biològic

El mètode comú per preparar TPU d'origen biològic és introduir monòmers o intermediaris d'origen biològic durant el procés de polimerització, com ara isocianats d'origen biològic (com ara MDI, PDI), poliols d'origen biològic, etc. Entre ells, els isocianats d'origen biològic són relativament rars al mercat, mentre que els poliols d'origen biològic són més comuns.

Pel que fa als isocianats d'origen biològic, ja l'any 2000, BASF, Covestro i altres han invertit molts esforços en la investigació de PDI, i el primer lot de productes PDI es va comercialitzar el 2015-2016. Wanhua Chemical ha desenvolupat productes de TPU 100% d'origen biològic utilitzant PDI d'origen biològic fet a partir de palla de blat de moro.

Pel que fa als poliols d'origen biològic, inclou el politetrafluoroetilè d'origen biològic (PTMEG), l'1,4-butanodiol d'origen biològic (BDO), l'1,3-propanodiol d'origen biològic (PDO), els poliols de polièster d'origen biològic, els poliols de polièter d'origen biològic, etc.

Actualment, diversos fabricants de TPU han llançat TPU d'origen biològic, el rendiment del qual és comparable al TPU petroquímic tradicional. La principal diferència entre aquests TPU d'origen biològic rau en el nivell de contingut d'origen biològic, que generalment oscil·la entre el 30% i el 40%, i alguns fins i tot aconsegueixen nivells més alts. En comparació amb el TPU petroquímic tradicional, el TPU d'origen biològic té avantatges com la reducció d'emissions de carboni, la regeneració sostenible de matèries primeres, la producció verda i la conservació de recursos. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical iNous materials Linghuahan llançat les seves marques de TPU basat en biomaterials, i la reducció de carboni i la sostenibilitat també són direccions clau per al desenvolupament de TPU en el futur.