ทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนา TPU ในอนาคต

TPU คือโพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ ซึ่งเป็นโคพอลิเมอร์แบบบล็อกหลายเฟส ประกอบด้วยไดไอโซไซยาเนต โพลีออล และสารต่อขยายสายโซ่ ในฐานะอีลาสโตเมอร์ประสิทธิภาพสูง TPU มีทิศทางการผลิตผลิตภัณฑ์ปลายน้ำที่หลากหลาย และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในสิ่งของจำเป็นในชีวิตประจำวัน อุปกรณ์กีฬา ของเล่น วัสดุตกแต่ง และสาขาอื่นๆ เช่น วัสดุรองเท้า สายยาง สายเคเบิล อุปกรณ์การแพทย์ เป็นต้น

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

1. โฟม E-TPU แบบวิกฤตยิ่งยวด

ในปี 2012 Adidas และ BASF ได้ร่วมกันพัฒนาแบรนด์รองเท้าวิ่ง EnergyBoost ซึ่งใช้วัสดุพื้นรองเท้าชั้นกลางที่ทำจากโฟม TPU (ชื่อทางการค้าคือ infinergy) ด้วยการใช้วัสดุพื้นรองเท้าชั้นกลางที่ทำจากโพลีเอเธอร์ TPU ที่มีความแข็ง Shore A 80-85 จึงทำให้พื้นรองเท้าชั้นกลางที่ทำจากโฟม TPU ยังคงมีความยืดหยุ่นและความนุ่มนวลได้ดีแม้ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับพื้นรองเท้าชั้นกลางที่ทำจาก EVA ซึ่งช่วยเพิ่มความสบายในการสวมใส่และเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในตลาด
2. วัสดุคอมโพสิต TPU ดัดแปลงเสริมไฟเบอร์

TPU มีความต้านทานแรงกระแทกที่ดี แต่ในบางการใช้งานจำเป็นต้องใช้โมดูลัสความยืดหยุ่นสูงและวัสดุที่แข็งมาก การเสริมแรงด้วยใยแก้วเป็นเทคนิคที่นิยมใช้กันเพื่อเพิ่มโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุ การเสริมแรงด้วยใยแก้วทำให้ได้วัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกที่มีข้อดีมากมาย เช่น โมดูลัสความยืดหยุ่นสูง เป็นฉนวนที่ดี ทนความร้อนได้ดี มีความยืดหยุ่นคืนตัวได้ดี ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อแรงกระแทกได้ดี ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ และเสถียรภาพเชิงมิติ

BASF ได้นำเสนอเทคโนโลยีสำหรับการเตรียม TPU เสริมแรงด้วยไฟเบอร์กลาสโมดูลัสสูงโดยใช้เส้นใยแก้วสั้นในสิทธิบัตรของตน TPU ที่มีความแข็ง Shore D เท่ากับ 83 ถูกสังเคราะห์โดยการผสมพอลิเตตระฟลูออโรเอทิลีนไกลคอล (PTMEG, Mn=1000), MDI และ 1,4-บิวเทนไดออล (BDO) กับ 1,3-โพรเพนไดออลเป็นวัตถุดิบ TPU นี้ถูกผสมกับไฟเบอร์กลาสในอัตราส่วนมวล 52:48 เพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 18.3 GPa และความต้านทานแรงดึง 244 MPa

นอกจากไฟเบอร์กลาสแล้ว ยังมีรายงานเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ TPU เช่น แผ่นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์/TPU Maezio ของ Covestro ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นสูงสุดถึง 100GPa และมีความหนาแน่นต่ำกว่าโลหะ
3. TPU ทนไฟ ปราศจากฮาโลเจน

TPU มีความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง ทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม และมีคุณสมบัติอื่นๆ มากมาย จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นวัสดุหุ้มสายไฟและสายเคเบิล แต่ในการใช้งานด้านต่างๆ เช่น สถานีชาร์จ จำเป็นต้องมีคุณสมบัติการหน่วงไฟที่สูงกว่า โดยทั่วไปมีสองวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพการหน่วงไฟของ TPU วิธีแรกคือการดัดแปลงสารหน่วงไฟแบบปฏิกิริยา ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำวัสดุหน่วงไฟ เช่น โพลีออลหรือไอโซไซยาเนตที่มีฟอสฟอรัส ไนโตรเจน และธาตุอื่นๆ เข้าสู่กระบวนการสังเคราะห์ TPU ผ่านพันธะเคมี วิธีที่สองคือการดัดแปลงสารหน่วงไฟแบบเติม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ TPU เป็นสารตั้งต้นและการเติมสารหน่วงไฟสำหรับการผสมสารหลอมเหลว

การดัดแปลงปฏิกิริยาสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ TPU ได้ แต่เมื่อปริมาณสารหน่วงไฟที่เติมเพิ่มมีมาก ความแข็งแรงของ TPU จะลดลง ประสิทธิภาพการประมวลผลก็ลดลง และการเติมสารหน่วงไฟในปริมาณเล็กน้อยก็ไม่สามารถบรรลุระดับสารหน่วงไฟที่ต้องการได้ ปัจจุบันยังไม่มีผลิตภัณฑ์สารหน่วงไฟคุณภาพสูงที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ที่สามารถตอบสนองการใช้งานของสถานีชาร์จได้อย่างแท้จริง

อดีตบริษัท Bayer MaterialScience (ปัจจุบันคือ Kostron) เคยนำเสนอพอลิออลที่มีฟอสฟอรัสอินทรีย์ (IHPO) ซึ่งทำจากฟอสฟีนออกไซด์ในสิทธิบัตร พอลิเอเทอร์ TPU ที่สังเคราะห์จาก IHPO, PTMEG-1000, 4,4'- MDI และ BDO มีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟและคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม กระบวนการอัดรีดมีความเรียบ และพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ก็เรียบเนียน

ปัจจุบันการเติมสารหน่วงไฟชนิดปราศจากฮาโลเจนเป็นกระบวนการทางเทคนิคที่นิยมใช้มากที่สุดในการเตรียม TPU หน่วงไฟชนิดปราศจากฮาโลเจน โดยทั่วไปแล้ว สารหน่วงไฟชนิดฟอสฟอรัส ไนโตรเจน ซิลิคอน โบรอน จะถูกนำมาผสม หรือใช้โลหะไฮดรอกไซด์เป็นสารหน่วงไฟ เนื่องจาก TPU มีความไวไฟตามธรรมชาติ จึงมักต้องใช้ปริมาณสารหน่วงไฟมากกว่า 30% เพื่อสร้างชั้นสารหน่วงไฟที่เสถียรระหว่างการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเติมสารหน่วงไฟในปริมาณมาก สารหน่วงไฟจะกระจายตัวไม่สม่ำเสมอในวัสดุรองรับ TPU และคุณสมบัติเชิงกลของ TPU หน่วงไฟอาจไม่ดีพอ ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการนำไปใช้และการส่งเสริมการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น ท่อ ฟิล์ม และสายเคเบิล

สิทธิบัตรของ BASF นำเสนอเทคโนโลยี TPU หน่วงการติดไฟ ซึ่งผสมผสานเมลามีนโพลีฟอสเฟตและอนุพันธ์ของกรดฟอสฟินิกที่มีฟอสฟอรัสเป็นสารหน่วงการติดไฟ เข้ากับ TPU ที่มีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยมากกว่า 150 กิโลดาลตัน พบว่าประสิทธิภาพของสารหน่วงการติดไฟดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมทั้งมีความแข็งแรงแรงดึงสูง

เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุให้มากขึ้น สิทธิบัตรของ BASF ได้นำเสนอวิธีการเตรียมมาสเตอร์แบทช์สารเชื่อมขวางที่มีไอโซไซยาเนต การเติมมาสเตอร์แบทช์ประเภทนี้ 2% ลงในส่วนผสมที่ตรงตามข้อกำหนดสารหน่วงไฟ UL94V-0 จะสามารถเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุจาก 35MPa เป็น 40MPa ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการหน่วงไฟ V-0 ไว้ได้

เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อความร้อนของ TPU ทนไฟ สิทธิบัตรของบริษัท หลิงหัว นิว แมททีเรียลส์ยังแนะนำวิธีการใช้ไฮดรอกไซด์โลหะเคลือบผิวเป็นสารหน่วงไฟ เพื่อปรับปรุงความต้านทานการไฮโดรไลซิสของ TPU หน่วงไฟบริษัท หลิงหัว นิว แมททีเรียลส์แนะนำโลหะคาร์บอเนตบนพื้นฐานของการเติมสารหน่วงการติดไฟเมลามีนในใบสมัครสิทธิบัตรอื่น

4. TPU สำหรับฟิล์มป้องกันสีรถยนต์

ฟิล์มป้องกันสีรถยนต์เป็นฟิล์มป้องกันที่แยกพื้นผิวสีออกจากอากาศหลังการติดตั้ง ป้องกันฝนกรด การเกิดออกซิเดชัน รอยขีดข่วน และให้การปกป้องพื้นผิวสีที่ยาวนาน หน้าที่หลักคือการปกป้องพื้นผิวสีรถยนต์หลังการติดตั้ง โดยทั่วไปฟิล์มป้องกันสีรถยนต์ประกอบด้วยสามชั้น โดยมีชั้นเคลือบผิวที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้บนพื้นผิว ชั้นกลางเป็นฟิล์มโพลิเมอร์ และชั้นกาวอะคริลิกไวต่อแรงกดที่ชั้นล่าง TPU เป็นหนึ่งในวัสดุหลักสำหรับการเตรียมฟิล์มโพลิเมอร์ขั้นกลาง

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับ TPU ที่ใช้ในฟิล์มป้องกันสีมีดังนี้: ทนต่อรอยขีดข่วน ความโปร่งใสสูง (การส่งผ่านแสง> 95%) ความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง แรงดึง> 50MPa การยืดตัว> 400% และความแข็ง Shore A ช่วง 87-93 ประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดคือความทนทานต่อสภาพอากาศ ซึ่งรวมถึงความทนทานต่อการเสื่อมสภาพจากรังสี UV การเสื่อมสภาพจากออกซิเดชันเนื่องจากความร้อน และการไฮโดรไลซิส

ผลิตภัณฑ์ที่กำลังพัฒนาในปัจจุบันคือ TPU อะลิฟาติกที่เตรียมจากไดไซโคลเฮกซิลไดไอโซไซยาเนต (H12MDI) และโพลีคาโปรแลคโทนไดออลเป็นวัตถุดิบ TPU อะโรมาติกทั่วไปจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองอย่างเห็นได้ชัดหลังจากถูกฉายรังสี UV เพียงหนึ่งวัน ในขณะที่ TPU อะลิฟาติกที่ใช้สำหรับฟิล์มหุ้มรถยนต์สามารถรักษาค่าสัมประสิทธิ์การเหลืองไว้ได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะเดียวกัน
โพลีเอเธอร์ทีพียู (ε – caprolactone) มีประสิทธิภาพที่สมดุลกว่าเมื่อเทียบกับโพลีเอเธอร์ทีพียูและโพลีเอสเตอร์ทีพียู ในด้านหนึ่ง โพลีเอเธอร์ทีพียูมีความทนทานต่อการฉีกขาดได้ดีเยี่ยมเช่นเดียวกับโพลีเอสเตอร์ทีพียูทั่วไป ในขณะเดียวกัน โพลีเอเธอร์ทีพียูยังมีคุณสมบัติการเสียรูปถาวรที่ต่ำและประสิทธิภาพการคืนตัวสูง จึงเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในท้องตลาด

เนื่องด้วยมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับความคุ้มทุนของผลิตภัณฑ์หลังจากการแบ่งส่วนตลาด ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการเคลือบพื้นผิวและความสามารถในการปรับสูตรกาว จึงมีโอกาสที่จะนำโพลีเอเธอร์หรือโพลีเอสเตอร์ธรรมดา H12MDI aliphatic TPU มาใช้กับฟิล์มป้องกันสีในอนาคตอีกด้วย

5. TPU ชีวภาพ

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

ในด้านไอโซไซยาเนตชีวภาพ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2543 เป็นต้นมา BASF, Covestro และบริษัทอื่นๆ ได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการวิจัย PDI และผลิตภัณฑ์ PDI ชุดแรกได้ออกสู่ตลาดในปี พ.ศ. 2558-2559 Wanhua Chemical ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ TPU ชีวภาพ 100% โดยใช้ PDI ชีวภาพที่ผลิตจากฟางข้าวโพด

ในแง่ของโพลีออลที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ ได้แก่ โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ (PTMEG), 1,4-บิวเทนไดออล (BDO) ที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ, 1,3-โพรเพนไดออล (PDO) ที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ, โพลีออลโพลีเอสเตอร์ที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ, โพลีเอเธอร์โพลีออลที่มีพื้นฐานทางชีวภาพ เป็นต้น

ปัจจุบัน ผู้ผลิต TPU หลายรายได้เปิดตัว TPU ชีวภาพ ซึ่งมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับ TPU ปิโตรเคมีแบบดั้งเดิม ความแตกต่างหลักระหว่าง TPU ชีวภาพเหล่านี้อยู่ที่ระดับปริมาณสารชีวภาพ ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30% ถึง 40% และบางรายมีปริมาณสูงกว่าด้วยซ้ำ เมื่อเปรียบเทียบกับ TPU ปิโตรเคมีแบบดั้งเดิม TPU ชีวภาพมีข้อได้เปรียบต่างๆ เช่น การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน การฟื้นฟูวัตถุดิบอย่างยั่งยืน การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และการอนุรักษ์ทรัพยากร BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical และLinghua วัสดุใหม่ได้เปิดตัวแบรนด์ TPU ชีวภาพแล้ว และการลดคาร์บอนและความยั่งยืนยังเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนา TPU ในอนาคตอีกด้วย