TPU là một loại elastomer nhiệt dẻo polyurethane, là một copolymer khối đa pha được tạo thành từ diisocyanate, polyol và chất kéo dài chuỗi. Là một loại elastomer hiệu suất cao, TPU có nhiều hướng sản phẩm hạ nguồn và được sử dụng rộng rãi trong các nhu yếu phẩm hàng ngày, dụng cụ thể thao, đồ chơi, vật liệu trang trí và các lĩnh vực khác, chẳng hạn như vật liệu giày dép, ống mềm, dây cáp, thiết bị y tế, v.v.
Hiện nay, các nhà sản xuất nguyên liệu thô TPU chính bao gồm BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Vật liệu mới Linghuav.v. Với sự mở rộng quy mô và năng lực sản xuất của các doanh nghiệp trong nước, ngành công nghiệp TPU hiện đang có tính cạnh tranh cao. Tuy nhiên, trong lĩnh vực ứng dụng cao cấp, ngành này vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu, đây cũng là một lĩnh vực mà Trung Quốc cần đột phá. Chúng ta hãy cùng bàn về triển vọng thị trường tương lai của sản phẩm TPU.
1. Tạo bọt siêu tới hạn E-TPU
Năm 2012, Adidas và BASF đã hợp tác phát triển thương hiệu giày chạy bộ EnergyBoost, sử dụng vật liệu đế giữa TPU xốp (tên thương mại là infinergy). Nhờ sử dụng polyether TPU với độ cứng Shore A từ 80-85 làm nền, so với đế giữa EVA, đế giữa TPU xốp vẫn duy trì độ đàn hồi và độ mềm mại tốt ngay cả trong môi trường dưới 0℃, giúp cải thiện sự thoải mái khi mang và được thị trường công nhận rộng rãi.
2. Vật liệu composite TPU biến tính gia cường sợi
TPU có khả năng chống va đập tốt, nhưng trong một số ứng dụng, cần có mô đun đàn hồi cao và vật liệu rất cứng. Việc gia cường sợi thủy tinh là một kỹ thuật thường được sử dụng để tăng mô đun đàn hồi của vật liệu. Thông qua việc gia cường, có thể thu được vật liệu composite nhiệt dẻo với nhiều ưu điểm như mô đun đàn hồi cao, cách nhiệt tốt, khả năng chịu nhiệt cao, hiệu suất phục hồi đàn hồi tốt, khả năng chống ăn mòn, chống va đập tốt, hệ số giãn nở thấp và độ ổn định kích thước.
BASF đã giới thiệu công nghệ chế tạo TPU gia cường sợi thủy tinh mô đun cao sử dụng sợi thủy tinh ngắn trong bằng sáng chế của mình. TPU có độ cứng Shore D là 83 đã được tổng hợp bằng cách trộn polytetrafluoroethylene glycol (PTMEG, Mn = 1000), MDI và 1,4-butanediol (BDO) với 1,3-propanediol làm nguyên liệu thô. TPU này được phối trộn với sợi thủy tinh theo tỷ lệ khối lượng 52:48 để thu được vật liệu composite có mô đun đàn hồi 18,3 GPa và cường độ kéo 244 MPa.
Ngoài sợi thủy tinh, còn có báo cáo về các sản phẩm sử dụng vật liệu composite sợi carbon TPU, chẳng hạn như tấm composite sợi carbon/TPU Maezio của Covestro, có mô đun đàn hồi lên tới 100GPa và mật độ thấp hơn kim loại.
3. TPU chống cháy không chứa halogen
TPU có độ bền cao, độ dẻo dai cao, khả năng chống mài mòn tuyệt vời và nhiều đặc tính khác, khiến nó trở thành vật liệu vỏ bọc rất phù hợp cho dây và cáp. Tuy nhiên, trong các lĩnh vực ứng dụng như trạm sạc, yêu cầu khả năng chống cháy cao hơn. Nhìn chung, có hai cách để cải thiện hiệu suất chống cháy của TPU. Một là biến tính chống cháy phản ứng, bao gồm việc đưa các vật liệu chống cháy như polyol hoặc isocyanate chứa phốt pho, nitơ và các nguyên tố khác vào quá trình tổng hợp TPU thông qua liên kết hóa học; Thứ hai là biến tính chống cháy phụ gia, bao gồm việc sử dụng TPU làm chất nền và thêm chất chống cháy để trộn nóng chảy.
Biến tính phản ứng có thể thay đổi cấu trúc của TPU, nhưng khi lượng phụ gia chống cháy lớn, độ bền của TPU sẽ giảm, hiệu suất xử lý giảm, và việc thêm một lượng nhỏ không thể đạt được mức độ chống cháy cần thiết. Hiện tại, chưa có sản phẩm chống cháy cao nào trên thị trường có thể thực sự đáp ứng được ứng dụng của trạm sạc.
Công ty Bayer MaterialScience (nay là Kostron) trước đây đã từng giới thiệu một loại polyol hữu cơ chứa phốt pho (IHPO) dựa trên oxit phosphine trong một bằng sáng chế. Polyether TPU được tổng hợp từ IHPO, PTMEG-1000, 4,4'- MDI và BDO thể hiện khả năng chống cháy và các tính chất cơ học tuyệt vời. Quá trình đùn diễn ra trơn tru, bề mặt sản phẩm nhẵn mịn.
Việc bổ sung chất chống cháy không halogen hiện là phương pháp kỹ thuật phổ biến nhất để chế tạo TPU chống cháy không halogen. Thông thường, người ta thường kết hợp các chất chống cháy gốc phốt pho, gốc nitơ, gốc silic, gốc boron hoặc sử dụng hydroxit kim loại làm chất chống cháy. Do bản chất dễ cháy của TPU, lượng chất chống cháy bổ sung thường lớn hơn 30% để tạo thành lớp chống cháy ổn định trong quá trình cháy. Tuy nhiên, khi lượng chất chống cháy bổ sung lớn, chất chống cháy sẽ phân tán không đều trong đế TPU, và các đặc tính cơ học của TPU chống cháy không lý tưởng, điều này cũng hạn chế việc ứng dụng và phát triển của nó trong các lĩnh vực như ống mềm, màng phim và cáp.
Bằng sáng chế của BASF giới thiệu công nghệ TPU chống cháy, kết hợp melamine polyphosphate và dẫn xuất axit phosphinic chứa phốt pho làm chất chống cháy, với TPU có trọng lượng phân tử trung bình lớn hơn 150kDa. Kết quả cho thấy hiệu suất chống cháy được cải thiện đáng kể, đồng thời đạt được độ bền kéo cao.
Để tăng cường hơn nữa độ bền kéo của vật liệu, bằng sáng chế của BASF giới thiệu một phương pháp điều chế hỗn hợp chất tạo liên kết ngang chứa isocyanate. Việc thêm 2% hỗn hợp chất tạo liên kết ngang này vào thành phần đáp ứng các yêu cầu chống cháy UL94V-0 có thể tăng độ bền kéo của vật liệu từ 35MPa lên 40MPa trong khi vẫn duy trì hiệu suất chống cháy V-0.
Để cải thiện khả năng chống lão hóa nhiệt của TPU chống cháy, bằng sáng chế củaCông ty Vật liệu mới Linghuacũng giới thiệu phương pháp sử dụng hydroxit kim loại phủ bề mặt làm chất chống cháy. Để cải thiện khả năng chống thủy phân của TPU chống cháy,Công ty Vật liệu mới Linghuađã giới thiệu kim loại cacbonat trên cơ sở bổ sung chất chống cháy melamin trong một đơn xin cấp bằng sáng chế khác.
4. TPU dùng làm màng bảo vệ sơn ô tô
Phim bảo vệ sơn xe là một loại màng bảo vệ, cách ly bề mặt sơn với không khí sau khi dán, ngăn ngừa mưa axit, oxy hóa, trầy xước và bảo vệ bề mặt sơn lâu dài. Chức năng chính của nó là bảo vệ bề mặt sơn xe sau khi dán. Phim bảo vệ sơn thường bao gồm ba lớp, với lớp phủ tự phục hồi trên bề mặt, lớp màng polymer ở giữa và lớp keo acrylic nhạy áp ở lớp dưới cùng. TPU là một trong những vật liệu chính để chế tạo màng polymer trung gian.
Yêu cầu về hiệu suất đối với TPU được sử dụng trong màng bảo vệ sơn như sau: chống trầy xước, độ trong suốt cao (độ truyền sáng> 95%), tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền kéo> 50MPa, độ giãn dài> 400% và phạm vi độ cứng Shore A từ 87-93; Hiệu suất quan trọng nhất là khả năng chống chịu thời tiết, bao gồm khả năng chống lão hóa do tia UV, phân hủy oxy hóa do nhiệt và thủy phân.
Các sản phẩm hiện đang được hoàn thiện là TPU aliphatic được chế tạo từ nguyên liệu dicyclohexyl diisocyanate (H12MDI) và polycaprolactone diol. TPU thơm thông thường chuyển sang màu vàng rõ rệt sau một ngày chiếu tia UV, trong khi TPU aliphatic dùng cho màng bọc xe hơi có thể duy trì hệ số ố vàng mà không có thay đổi đáng kể trong cùng điều kiện.
Poly (ε – caprolactone) TPU có hiệu suất cân bằng hơn so với polyether và polyester TPU. Một mặt, nó có khả năng chống rách tuyệt vời như polyester TPU thông thường, mặt khác, nó cũng thể hiện khả năng biến dạng vĩnh cửu nén thấp và hiệu suất phục hồi cao vượt trội của polyether TPU, do đó được sử dụng rộng rãi trên thị trường.
Do các yêu cầu khác nhau về hiệu quả chi phí sản phẩm sau khi phân khúc thị trường, với sự cải tiến của công nghệ phủ bề mặt và khả năng điều chỉnh công thức kết dính, cũng có cơ hội để polyether hoặc polyester thông thường H12MDI aliphatic TPU được ứng dụng làm màng bảo vệ sơn trong tương lai.
5. TPU sinh học
Phương pháp phổ biến để chế tạo TPU sinh học là đưa các monome hoặc chất trung gian sinh học vào quá trình trùng hợp, chẳng hạn như isocyanat sinh học (như MDI, PDI), polyol sinh học, v.v. Trong số đó, isocyanat sinh học tương đối hiếm trên thị trường, trong khi polyol sinh học phổ biến hơn.
Về isocyanate sinh học, ngay từ năm 2000, BASF, Covestro và các công ty khác đã đầu tư rất nhiều công sức vào nghiên cứu PDI và lô sản phẩm PDI đầu tiên đã được đưa ra thị trường vào năm 2015-2016. Wanhua Chemical đã phát triển các sản phẩm TPU 100% sinh học bằng cách sử dụng PDI sinh học làm từ thân cây ngô.
Về polyol sinh học, bao gồm polytetrafluoroethylene (PTMEG) sinh học, 1,4-butanediol (BDO) sinh học, 1,3-propanediol (PDO) sinh học, polyol polyester sinh học, polyol polyether sinh học, v.v.
Hiện nay, nhiều nhà sản xuất TPU sinh học đã cho ra mắt TPU sinh học, với hiệu suất tương đương với TPU hóa dầu truyền thống. Sự khác biệt chính giữa các loại TPU sinh học này nằm ở hàm lượng sinh học, thường dao động từ 30% đến 40%, thậm chí một số loại còn đạt hàm lượng cao hơn. So với TPU hóa dầu truyền thống, TPU sinh học có những ưu điểm như giảm phát thải carbon, tái tạo nguyên liệu thô bền vững, sản xuất xanh và bảo tồn tài nguyên. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical, vàVật liệu mới Linghuađã cho ra mắt thương hiệu TPU sinh học của mình và việc giảm thiểu carbon và tính bền vững cũng là những hướng đi chính cho sự phát triển của TPU trong tương lai.
Thời gian đăng: 09-08-2024