ทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนา TPU ในอนาคต

TPU คือโพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ ซึ่งเป็นโคพอลิเมอร์แบบบล็อกหลายเฟสที่ประกอบด้วยไดไอโซไซยาเนต โพลีออล และสารเพิ่มความยาวโซ่ ในฐานะที่เป็นอีลาสโตเมอร์ประสิทธิภาพสูง TPU มีทิศทางการใช้งานในผลิตภัณฑ์ปลายทางที่หลากหลาย และใช้กันอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ เช่น วัสดุทำรองเท้า ท่อ สายเคเบิล อุปกรณ์ทางการแพทย์ เป็นต้น

ปัจจุบัน ผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU รายหลัก ได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman และ Wanhua ChemicalLinghua วัสดุใหม่และอื่นๆ อีกมากมาย ด้วยโครงสร้างและการขยายกำลังการผลิตของวิสาหกิจภายในประเทศ อุตสาหกรรม TPU ในปัจจุบันจึงมีการแข่งขันสูงมาก อย่างไรก็ตาม ในด้านการใช้งานระดับสูงนั้น ยังคงต้องพึ่งพาการนำเข้า ซึ่งเป็นอีกด้านหนึ่งที่จีนจำเป็นต้องสร้างความก้าวหน้า เรามาพูดถึงแนวโน้มตลาดในอนาคตของผลิตภัณฑ์ TPU กัน

1. การขึ้นรูปโฟม E-TPU ในสภาวะวิกฤตยิ่งยวด

ในปี 2012 อาดิดาสและบีเอสเอฟได้ร่วมกันพัฒนารองเท้าวิ่งแบรนด์ EnergyBoost ซึ่งใช้วัสดุ TPU แบบโฟม (ชื่อทางการค้า Infinergy) เป็นวัสดุพื้นรองเท้าชั้นกลาง เนื่องจากการใช้ TPU แบบโพลีอีเทอร์ที่มีความแข็งระดับ Shore A 80-85 เป็นวัสดุพื้นฐาน ทำให้เมื่อเทียบกับพื้นรองเท้าชั้นกลาง EVA แล้ว พื้นรองเท้าชั้นกลาง TPU แบบโฟมยังคงความยืดหยุ่นและความนุ่มนวลได้ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส ซึ่งช่วยเพิ่มความสบายในการสวมใส่และได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในตลาด
2. วัสดุคอมโพสิต TPU ดัดแปลงเสริมใยไฟเบอร์

TPU มีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี แต่ในบางการใช้งานจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงและแข็งมาก การเสริมแรงด้วยใยแก้วเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปเพื่อเพิ่มค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุ โดยการปรับปรุงนี้ สามารถผลิตวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกที่มีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสูง ฉนวนกันความร้อนที่ดี ความทนทานต่อความร้อนสูง ประสิทธิภาพการคืนตัวที่ดี ความทนทานต่อการกัดกร่อน ความทนทานต่อแรงกระแทก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ และความเสถียรของมิติ

บริษัท BASF ได้นำเสนอเทคโนโลยีสำหรับการเตรียม TPU เสริมใยแก้วที่มีโมดูลัสสูงโดยใช้เส้นใยแก้วสั้นในสิทธิบัตรของตน โดยสังเคราะห์ TPU ที่มีความแข็ง Shore D 83 ได้โดยการผสมโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนไกลคอล (PTMEG, Mn=1000), MDI และ 1,4-บิวเทนไดออล (BDO) กับ 1,3-โพรเพนไดออลเป็นวัตถุดิบ จากนั้นนำ TPU นี้มาผสมกับใยแก้วในอัตราส่วนมวล 52:48 เพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 18.3 GPa และความแข็งแรงดึง 244 MPa

นอกจากใยแก้วแล้ว ยังมีรายงานเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่ใช้คาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิต TPU เช่น แผ่นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์/TPU รุ่น Maezio ของ Covestro ซึ่งมีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงถึง 100 GPa และมีความหนาแน่นต่ำกว่าโลหะ
3. วัสดุ TPU ทนไฟ ปราศจากฮาโลเจน

TPU มีความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง ทนต่อการสึกหรอดีเยี่ยม และคุณสมบัติอื่นๆ ทำให้เป็นวัสดุหุ้มสายไฟและสายเคเบิลที่เหมาะสมมาก แต่ในงานประยุกต์ใช้ เช่น สถานีชาร์จไฟ จำเป็นต้องมีคุณสมบัติหน่วงไฟที่สูงกว่า โดยทั่วไปมีสองวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพการหน่วงไฟของ TPU วิธีแรกคือการปรับปรุงคุณสมบัติหน่วงไฟแบบปฏิกิริยา ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำวัสดุหน่วงไฟ เช่น โพลีออลหรือไอโซไซยาเนตที่มีฟอสฟอรัส ไนโตรเจน และธาตุอื่นๆ เข้าสู่กระบวนการสังเคราะห์ TPU ผ่านพันธะเคมี วิธีที่สองคือการปรับปรุงคุณสมบัติหน่วงไฟแบบเติม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ TPU เป็นวัสดุพื้นฐานและเติมสารหน่วงไฟเพื่อผสมในสภาวะหลอมเหลว

การปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ TPU ได้ แต่เมื่อปริมาณสารหน่วงไฟที่เติมเข้าไปมีมาก ความแข็งแรงของ TPU จะลดลง ประสิทธิภาพในการแปรรูปจะแย่ลง และการเติมในปริมาณน้อยก็ไม่สามารถบรรลุระดับการหน่วงไฟที่ต้องการได้ ปัจจุบันยังไม่มีผลิตภัณฑ์หน่วงไฟระดับสูงที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ใด ๆ ที่สามารถตอบสนองการใช้งานของสถานีชาร์จได้อย่างแท้จริง

บริษัท Bayer MaterialScience (ปัจจุบันคือ Kostron) เคยเสนอสิทธิบัตรเกี่ยวกับโพลีออลที่มีฟอสฟอรัสอินทรีย์ (IHPO) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากฟอสฟีนออกไซด์ โพลีอีเทอร์ TPU ที่สังเคราะห์จาก IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI และ BDO มีคุณสมบัติหน่วงไฟและคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม กระบวนการอัดขึ้นรูปราบรื่น และพื้นผิวของผลิตภัณฑ์เรียบเนียน

ปัจจุบัน การเติมสารหน่วงไฟที่ปราศจากฮาโลเจนเป็นวิธีการทางเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิต TPU ที่ทนไฟและปราศจากฮาโลเจน โดยทั่วไปจะใช้สารหน่วงไฟที่มีฟอสฟอรัส ไนโตรเจน ซิลิคอน โบรอน หรือโลหะไฮดรอกไซด์เป็นส่วนประกอบ เนื่องจาก TPU มีคุณสมบัติไวไฟ จึงมักต้องใช้สารหน่วงไฟในปริมาณมากกว่า 30% เพื่อให้เกิดชั้นหน่วงไฟที่เสถียรในระหว่างการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณสารหน่วงไฟที่เติมมีมาก สารหน่วงไฟจะกระจายตัวไม่สม่ำเสมอในเนื้อ TPU และคุณสมบัติทางกลของ TPU ที่ทนไฟจะไม่เหมาะสม ซึ่งจำกัดการใช้งานและการส่งเสริมในด้านต่างๆ เช่น ท่อ สายยาง ฟิล์ม และสายเคเบิล

สิทธิบัตรของ BASF นำเสนอเทคโนโลยี TPU ที่ทนไฟ ซึ่งผสมผสานเมลามีนโพลีฟอสเฟตและอนุพันธ์ของกรดฟอสฟินิกที่มีฟอสฟอรัสเป็นส่วนประกอบเข้ากับ TPU ที่มีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยมากกว่า 150 กิโลดาลตัน พบว่าประสิทธิภาพในการทนไฟดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด พร้อมทั้งยังมีความแข็งแรงดึงสูงอีกด้วย

เพื่อเพิ่มความแข็งแรงดึงของวัสดุให้ดียิ่งขึ้น สิทธิบัตรของ BASF ได้นำเสนอวิธีการเตรียมมาสเตอร์แบทช์สารเชื่อมโยงที่มีไอโซไซยาเนตเป็นส่วนประกอบ การเติมมาสเตอร์แบทช์ชนิดนี้ 2% ลงในส่วนผสมที่ตรงตามข้อกำหนดการหน่วงไฟ UL94V-0 สามารถเพิ่มความแข็งแรงดึงของวัสดุจาก 35 MPa เป็น 40 MPa ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการหน่วงไฟระดับ V-0 ไว้ได้

เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อนของ TPU ที่ทนไฟ สิทธิบัตรของบริษัท หลิงฮวา นิว แมททีเรียลส์ จำกัดนอกจากนี้ยังนำเสนอวิธีการใช้โลหะไฮดรอกไซด์เคลือบผิวเป็นสารหน่วงไฟ เพื่อปรับปรุงความต้านทานต่อการไฮโดรไลซิสของ TPU ที่มีคุณสมบัติหน่วงไฟบริษัท หลิงฮวา นิว แมททีเรียลส์ จำกัดมีการนำโลหะคาร์บอเนตมาใช้โดยอิงจากการเติมสารหน่วงไฟเมลามีนในคำขอจดสิทธิบัตรอีกฉบับหนึ่ง

4. TPU สำหรับฟิล์มป้องกันสีรถยนต์

ฟิล์มป้องกันสีรถยนต์เป็นฟิล์มป้องกันที่ช่วยปกป้องพื้นผิวสีรถจากอากาศหลังการติดตั้ง ป้องกันฝนกรด การเกิดออกซิเดชัน รอยขีดข่วน และให้การปกป้องพื้นผิวสีรถอย่างยาวนาน หน้าที่หลักคือการปกป้องพื้นผิวสีรถหลังการติดตั้ง โดยทั่วไปฟิล์มป้องกันสีรถยนต์ประกอบด้วยสามชั้น ได้แก่ ชั้นเคลือบที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้บนสุด ฟิล์มโพลีเมอร์อยู่ตรงกลาง และกาวอะคริลิกแบบไวต่อแรงกดอยู่ด้านล่างสุด TPU เป็นหนึ่งในวัสดุหลักที่ใช้ในการเตรียมฟิล์มโพลีเมอร์ชั้นกลาง

คุณสมบัติที่ต้องการสำหรับ TPU ที่ใช้ในฟิล์มป้องกันสีรถยนต์มีดังนี้: ทนต่อรอยขีดข่วน ความโปร่งใสสูง (การส่งผ่านแสง >95%) ความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง ความแข็งแรงดึง >50MPa การยืดตัว >400% และความแข็ง Shore A อยู่ในช่วง 87-93 คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดคือความทนทานต่อสภาพอากาศ ซึ่งรวมถึงความทนทานต่อการเสื่อมสภาพจากรังสียูวี การเสื่อมสภาพจากความร้อนออกซิเดชัน และการไฮโดรไลซิส

ผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาเต็มที่ในปัจจุบันคือ TPU ชนิดอะลิฟาติกที่ผลิตจากไดไซโคลเฮกซิลไดไอโซไซยาเนต (H12MDI) และโพลีแคโปรแลคโตนไดออลเป็นวัตถุดิบ TPU ชนิดอะโรมาติกทั่วไปจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองอย่างเห็นได้ชัดหลังจากได้รับรังสียูวีเพียงหนึ่งวัน ในขณะที่ TPU ชนิดอะลิฟาติกที่ใช้สำหรับฟิล์มหุ้มรถยนต์สามารถรักษาค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนเป็นสีเหลืองไว้ได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะเดียวกัน
โพลี (ε – แคโปรแลคโตน) TPU มีคุณสมบัติที่สมดุลกว่าเมื่อเทียบกับโพลีอีเทอร์และโพลีเอสเตอร์ TPU ทั่วไป กล่าวคือ ในด้านหนึ่ง มันสามารถทนต่อการฉีกขาดได้ดีเยี่ยมเหมือนโพลีเอสเตอร์ TPU ทั่วไป ในขณะเดียวกันก็แสดงให้เห็นถึงการเสียรูปถาวรจากการบีบอัดต่ำและการคืนตัวสูงที่โดดเด่นของโพลีอีเทอร์ TPU จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในตลาด

เนื่องจากความต้องการด้านความคุ้มค่าของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันหลังจากการแบ่งส่วนตลาด ประกอบกับการพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบผิวและความสามารถในการปรับสูตรกาว จึงมีโอกาสที่โพลีอีเทอร์หรือโพลีเอสเตอร์ทั่วไป H12MDI อะลิฟาติก TPU จะถูกนำมาใช้ในฟิล์มป้องกันสีรถในอนาคตได้เช่นกัน

5. TPU ที่ผลิตจากวัสดุชีวภาพ

วิธีการทั่วไปในการเตรียม TPU ที่มาจากชีวภาพคือการนำโมโนเมอร์หรือสารตัวกลางที่มาจากชีวภาพมาใช้ในกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน เช่น ไอโซไซยาเนตที่มาจากชีวภาพ (เช่น MDI, PDI) โพลีออลที่มาจากชีวภาพ เป็นต้น ในบรรดาสารเหล่านี้ ไอโซไซยาเนตที่มาจากชีวภาพค่อนข้างหายากในตลาด ในขณะที่โพลีออลที่มาจากชีวภาพนั้นพบได้ทั่วไปมากกว่า

ในส่วนของไอโซไซยาเนตชีวภาพนั้น ตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมา บริษัท BASF, Covestro และบริษัทอื่นๆ ได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการวิจัย PDI และผลิตภัณฑ์ PDI ชุดแรกได้ออกสู่ตลาดในปี 2015-2016 ส่วนบริษัท Wanhua Chemical ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ TPU ที่ผลิตจากวัตถุดิบชีวภาพ 100% โดยใช้ PDI ชีวภาพที่ผลิตจากซังข้าวโพด

ในส่วนของโพลีออลที่มาจากชีวภาพนั้น ได้แก่ โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTMEG) ที่มาจากชีวภาพ, 1,4-บิวเทนไดออล (BDO) ที่มาจากชีวภาพ, 1,3-โพรเพนไดออล (PDO) ที่มาจากชีวภาพ, โพลีเอสเตอร์โพลีออลที่มาจากชีวภาพ, โพลีอีเทอร์โพลีออลที่มาจากชีวภาพ เป็นต้น

ปัจจุบัน ผู้ผลิต TPU หลายรายได้เปิดตัว TPU ที่ผลิตจากวัสดุชีวภาพ ซึ่งมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับ TPU ที่ผลิตจากปิโตรเคมีแบบดั้งเดิม ความแตกต่างหลักระหว่าง TPU ที่ผลิตจากวัสดุชีวภาพเหล่านี้อยู่ที่ระดับของส่วนประกอบชีวภาพ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30% ถึง 40% และบางชนิดอาจมีระดับสูงกว่านั้น เมื่อเทียบกับ TPU ที่ผลิตจากปิโตรเคมีแบบดั้งเดิม TPU ที่ผลิตจากวัสดุชีวภาพมีข้อดีหลายประการ เช่น การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน การฟื้นฟูวัตถุดิบอย่างยั่งยืน การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และการอนุรักษ์ทรัพยากร บริษัทต่างๆ เช่น BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical และอื่นๆ ได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์เหล่านี้Linghua วัสดุใหม่บริษัทต่างๆ ได้เปิดตัวแบรนด์ TPU ที่ผลิตจากวัสดุชีวภาพ และการลดคาร์บอนและความยั่งยืนก็เป็นทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนา TPU ในอนาคตเช่นกัน