ทิศทางสำคัญในการพัฒนา TPU ในอนาคต

TPU คืออีลาสโตเมอร์เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน ซึ่งเป็นโคพอลิเมอร์แบบบล็อกหลายเฟสที่ประกอบด้วยไดไอโซไซยาเนต โพลีออล และตัวขยายโซ่ ในฐานะอีลาสโตเมอร์ประสิทธิภาพสูง TPU จึงมีทิศทางผลิตภัณฑ์ปลายน้ำที่หลากหลาย และใช้กันอย่างแพร่หลายในสิ่งของจำเป็นในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ เช่น วัสดุสำหรับรองเท้า ท่อ สายเคเบิล อุปกรณ์ทางการแพทย์ เป็นต้น

ในปัจจุบันผู้ผลิตวัตถุดิบ TPU หลักได้แก่ BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua ChemicalLinghua วัสดุใหม่และอื่นๆ ด้วยรูปแบบและการขยายกำลังการผลิตของบริษัทในประเทศ อุตสาหกรรม TPU จึงมีการแข่งขันสูงในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ในด้านการใช้งานระดับไฮเอนด์ ยังคงต้องพึ่งพาการนำเข้า ซึ่งเป็นพื้นที่ที่จีนจำเป็นต้องบรรลุความก้าวหน้าเช่นกัน มาพูดถึงแนวโน้มตลาดในอนาคตของผลิตภัณฑ์ TPU กัน

1. E-TPU โฟมซุปเปอร์คริติคอล

ในปี 2012 Adidas และ BASF ได้ร่วมกันพัฒนาแบรนด์รองเท้าวิ่ง EnergyBoost ซึ่งใช้ TPU โฟม (ชื่อทางการค้า infinergy) เป็นวัสดุพื้นกลาง เนื่องจากใช้ polyether TPU ที่มีความแข็ง Shore A 80-85 เป็นพื้นผิว เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นกลาง EVA พื้นกลาง TPU โฟมยังคงรักษาความยืดหยุ่นและความนุ่มนวลที่ดีในสภาพแวดล้อมที่ต่ำกว่า 0 ℃ ซึ่งช่วยเพิ่มความสบายในการสวมใส่และเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในตลาด
2. วัสดุคอมโพสิต TPU ดัดแปลงเสริมไฟเบอร์

TPU มีความต้านทานแรงกระแทกที่ดี แต่ในบางการใช้งาน จำเป็นต้องใช้โมดูลัสความยืดหยุ่นสูงและวัสดุที่แข็งมาก การปรับเปลี่ยนการเสริมแรงด้วยไฟเบอร์กลาสเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปเพื่อเพิ่มโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุ โดยการดัดแปลง จะทำให้ได้วัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกที่มีข้อดีมากมาย เช่น โมดูลัสความยืดหยุ่นสูง ฉนวนที่ดี ทนความร้อนได้ดี ประสิทธิภาพการคืนตัวแบบยืดหยุ่นดี ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี ทนต่อแรงกระแทก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ และความเสถียรของมิติ

BASF ได้แนะนำเทคโนโลยีสำหรับการเตรียม TPU เสริมใยแก้วโมดูลัสสูงโดยใช้ใยแก้วสั้นในสิทธิบัตรของตน TPU ที่มีความแข็ง Shore D เท่ากับ 83 ได้รับการสังเคราะห์โดยการผสมโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนไกลคอล (PTMEG, Mn=1000), MDI และ 1,4-บิวทานไดออล (BDO) กับ 1,3-โพรเพนไดออลเป็นวัตถุดิบ TPU นี้ถูกผสมกับใยแก้วในอัตราส่วนมวล 52:48 เพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีโมดูลัสความยืดหยุ่น 18.3 GPa และความแข็งแรงในการดึง 244 MPa

นอกจากเส้นใยแก้วแล้ว ยังมีรายงานเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ TPU เช่น แผ่นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์/TPU Maezio ของ Covestro ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นได้สูงสุดถึง 100GPa และมีความหนาแน่นต่ำกว่าโลหะ
3. TPU ทนไฟปลอดฮาโลเจน

TPU มีความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง ทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม และมีคุณสมบัติอื่นๆ ทำให้เหมาะเป็นวัสดุหุ้มสำหรับสายไฟและสายเคเบิลมาก แต่ในสาขาการใช้งาน เช่น สถานีชาร์จ จำเป็นต้องมีสารหน่วงการติดไฟที่สูงกว่า โดยทั่วไปมีสองวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพการหน่วงการติดไฟของ TPU วิธีหนึ่งคือการดัดแปลงสารหน่วงการติดไฟแบบปฏิกิริยา ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำวัสดุหน่วงการติดไฟ เช่น โพลีออลหรือไอโซไซยาเนตที่มีฟอสฟอรัส ไนโตรเจน และองค์ประกอบอื่นๆ เข้าสู่การสังเคราะห์ TPU ผ่านพันธะเคมี วิธีที่สองคือการดัดแปลงสารหน่วงการติดไฟแบบเติม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ TPU เป็นพื้นผิวและเติมสารหน่วงการติดไฟเพื่อผสมสารหลอมเหลว

การดัดแปลงเชิงปฏิกิริยาสามารถเปลี่ยนโครงสร้างของ TPU ได้ แต่เมื่อปริมาณสารหน่วงไฟที่เติมเพิ่มมีมาก ความแข็งแรงของ TPU ก็จะลดลง ประสิทธิภาพการประมวลผลก็ลดลง และการเติมสารหน่วงไฟในปริมาณเล็กน้อยไม่สามารถบรรลุระดับสารหน่วงไฟที่ต้องการได้ ในปัจจุบันยังไม่มีผลิตภัณฑ์สารหน่วงไฟที่มีปริมาณสูงในเชิงพาณิชย์ที่สามารถตอบสนองการใช้งานของสถานีชาร์จได้อย่างแท้จริง

บริษัท Bayer MaterialScience (ปัจจุบันคือ Kostron) เคยเปิดตัวสารโพลีออลที่มีฟอสฟอรัสอินทรีย์ (IHPO) ซึ่งทำจากฟอสฟีนออกไซด์ในสิทธิบัตร สารโพลีเอเธอร์ TPU ที่สังเคราะห์จาก IHPO, PTMEG-1000, 4,4 '- MDI และ BDO มีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟและคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม กระบวนการอัดรีดมีความราบรื่น และพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ก็เรียบเนียน

ปัจจุบัน การเติมสารหน่วงไฟปลอดฮาโลเจนเป็นวิธีการทางเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในการเตรียมสารหน่วงไฟปลอดฮาโลเจน TPU โดยทั่วไปแล้ว สารหน่วงไฟที่มีฟอสฟอรัส ไนโตรเจน ซิลิกอน โบรอน จะถูกผสมเข้าด้วยกันหรือใช้ไฮดรอกไซด์ของโลหะเป็นสารหน่วงไฟ เนื่องจาก TPU ไวไฟโดยธรรมชาติ จึงมักต้องใช้สารหน่วงไฟในปริมาณมากกว่า 30% เพื่อสร้างชั้นสารหน่วงไฟที่เสถียรระหว่างการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเติมสารหน่วงไฟในปริมาณมาก สารหน่วงไฟจะกระจายตัวไม่สม่ำเสมอในสารตั้งต้น TPU และคุณสมบัติเชิงกลของสารหน่วงไฟ TPU จะไม่เหมาะสม ซึ่งยังจำกัดการใช้งานและการส่งเสริมการขายในสาขาต่างๆ เช่น ท่อ ฟิล์ม และสายเคเบิลอีกด้วย

สิทธิบัตรของ BASF แนะนำเทคโนโลยี TPU หน่วงการติดไฟ ซึ่งผสมโพลีฟอสเฟตเมลามีนและอนุพันธ์ของกรดฟอสฟินิกที่มีฟอสฟอรัสเป็นสารหน่วงการติดไฟร่วมกับ TPU ที่มีมวลโมเลกุลเฉลี่ยมากกว่า 150 kDa พบว่าประสิทธิภาพของสารหน่วงการติดไฟได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ยังคงความแข็งแรงในการดึงสูง

เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการดึงของวัสดุให้ดีขึ้น สิทธิบัตรของ BASF ได้แนะนำวิธีการเตรียมมาสเตอร์แบตช์สารเชื่อมขวางที่มีไอโซไซยาเนต การเติมมาสเตอร์แบตช์ประเภทนี้ 2% ลงในองค์ประกอบที่ตรงตามข้อกำหนดสารหน่วงการติดไฟ UL94V-0 จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการดึงของวัสดุจาก 35MPa เป็น 40MPa ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพของสารหน่วงการติดไฟ V-0 ไว้ได้

เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อความร้อนของ TPU ทนไฟ สิทธิบัตรของบริษัท หลิงหัว นิว แมททีเรียลส์ยังแนะนำวิธีการใช้ไฮดรอกไซด์โลหะเคลือบผิวเป็นสารหน่วงการติดไฟ เพื่อปรับปรุงความต้านทานการไฮโดรไลซิสของ TPU หน่วงการติดไฟบริษัท หลิงหัว นิว แมททีเรียลส์แนะนำโลหะคาร์บอเนตบนพื้นฐานของการเติมสารหน่วงการติดไฟเมลามีนในคำขอสิทธิบัตรอื่น

4. TPU สำหรับฟิล์มป้องกันสีรถยนต์

ฟิล์มป้องกันสีรถเป็นฟิล์มป้องกันที่แยกพื้นผิวสีจากอากาศหลังการติดตั้ง ป้องกันฝนกรด การเกิดออกซิเดชัน รอยขีดข่วน และให้การปกป้องพื้นผิวสีที่ยาวนาน หน้าที่หลักคือปกป้องพื้นผิวสีรถหลังการติดตั้ง ฟิล์มป้องกันสีโดยทั่วไปประกอบด้วยสามชั้น โดยมีการเคลือบที่ซ่อมแซมตัวเองบนพื้นผิว ฟิล์มโพลีเมอร์ตรงกลาง และกาวอะคริลิกไวต่อแรงกดที่ชั้นล่าง TPU เป็นหนึ่งในวัสดุหลักสำหรับการเตรียมฟิล์มโพลีเมอร์ขั้นกลาง

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับ TPU ที่ใช้ในฟิล์มปกป้องสีมีดังนี้: ทนทานต่อรอยขีดข่วน ความโปร่งใสสูง (การส่งผ่านแสง >95%) มีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำ ทนทานต่ออุณหภูมิสูง แรงดึง >50MPa การยืดตัว >400% และความแข็ง Shore A ช่วง 87-93 ประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดคือทนต่อสภาพอากาศ ซึ่งรวมถึงความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพจากรังสี UV การเสื่อมสภาพจากออกซิเดชันเนื่องจากความร้อน และการไฮโดรไลซิส

ผลิตภัณฑ์ที่มีการพัฒนาเต็มที่ในปัจจุบันคือ TPU อะลิฟาติกที่เตรียมจากไดไซโคลเฮกซิลไดไอโซไซยาเนต (H12MDI) และโพลีคาโปรแลกโทนไดออลเป็นวัตถุดิบ TPU อะโรมาติกทั่วไปจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองอย่างเห็นได้ชัดหลังจากถูกฉายรังสี UV เป็นเวลา 1 วัน ในขณะที่ TPU อะลิฟาติกที่ใช้สำหรับฟิล์มหุ้มรถยนต์สามารถรักษาค่าสัมประสิทธิ์สีเหลืองได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
โพลีเอเธอร์ TPU (ε – caprolactone) มีประสิทธิภาพที่สมดุลมากกว่าเมื่อเทียบกับโพลีเอเธอร์และโพลีเอสเตอร์ TPU ในแง่หนึ่ง โพลีเอเธอร์ TPU มีคุณสมบัติทนทานต่อการฉีกขาดได้ดีเยี่ยมเช่นเดียวกับโพลีเอสเตอร์ TPU ทั่วไป ในขณะเดียวกัน โพลีเอเธอร์ TPU ยังมีคุณสมบัติการเสียรูปถาวรที่บีบอัดต่ำและประสิทธิภาพการคืนตัวสูง จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาด

เนื่องจากความต้องการที่แตกต่างกันสำหรับความคุ้มทุนของผลิตภัณฑ์หลังจากการแบ่งส่วนตลาด ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการเคลือบพื้นผิวและความสามารถในการปรับสูตรกาว จึงมีโอกาสที่จะใช้โพลีเอเธอร์หรือโพลีเอสเตอร์ธรรมดา H12MDI อะลิฟาติก TPU เพื่อนำไปใช้กับฟิล์มป้องกันสีในอนาคต

5. TPU ชีวภาพ

วิธีการทั่วไปในการเตรียม TPU ที่ใช้ชีวภาพ คือ การนำโมโนเมอร์หรือสารตัวกลางที่ใช้ชีวภาพมาใช้ในระหว่างกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน เช่น ไอโซไซยาเนตที่ใช้ชีวภาพ (เช่น MDI, PDI) โพลีออลที่ใช้ชีวภาพ เป็นต้น ในจำนวนนี้ ไอโซไซยาเนตที่ใช้ชีวภาพนั้นค่อนข้างหายากในท้องตลาด ในขณะที่โพลีออลที่ใช้ชีวภาพนั้นพบได้ทั่วไปมากกว่า

ในแง่ของไอโซไซยาเนตจากชีวภาพ ตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมา BASF, Covestro และบริษัทอื่นๆ ได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการวิจัย PDI และผลิตภัณฑ์ PDI ชุดแรกได้ออกสู่ตลาดในปี 2015-2016 Wanhua Chemical ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ TPU จากชีวภาพ 100% โดยใช้ PDI จากชีวภาพที่ทำจากฟางข้าวโพด

ในแง่ของโพลีออลที่ใช้ทางชีวภาพ ได้แก่ โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนที่ใช้ทางชีวภาพ (PTMEG), 1,4 บิวเทนไดออลที่ใช้ทางชีวภาพ (BDO), 1,3 โพรเพนไดออลที่ใช้ทางชีวภาพ (PDO), โพลีออลโพลีเอสเตอร์ที่ใช้ทางชีวภาพ, โพลีอีเธอร์โพลีออลที่ใช้ทางชีวภาพ และอื่นๆ

ปัจจุบันผู้ผลิต TPU หลายรายได้เปิดตัว TPU ชีวภาพ ซึ่งประสิทธิภาพเทียบได้กับ TPU ชีวภาพแบบดั้งเดิม ความแตกต่างหลักระหว่าง TPU ชีวภาพเหล่านี้อยู่ที่ระดับของเนื้อหาชีวภาพ ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30% ถึง 40% โดยบางรายถึงระดับที่สูงกว่าด้วยซ้ำ เมื่อเปรียบเทียบกับ TPU ชีวภาพแบบดั้งเดิม TPU ชีวภาพมีข้อดีหลายประการ เช่น ลดการปล่อยคาร์บอน ฟื้นฟูวัตถุดิบอย่างยั่งยืน การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และอนุรักษ์ทรัพยากร BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical และLinghua วัสดุใหม่ได้เปิดตัวแบรนด์ TPU ชีวภาพแล้ว และการลดคาร์บอนและความยั่งยืนยังเป็นแนวทางสำคัญสำหรับการพัฒนา TPU ในอนาคตอีกด้วย