TPU là một loại chất đàn hồi nhiệt dẻo polyurethane, là một loại copolymer khối đa pha được cấu tạo từ diisocyanat, polyol và chất kéo dài mạch. Là một chất đàn hồi hiệu suất cao, TPU có phạm vi ứng dụng sản phẩm rộng rãi và được sử dụng phổ biến trong các mặt hàng tiêu dùng hàng ngày, thiết bị thể thao, đồ chơi, vật liệu trang trí và các lĩnh vực khác, chẳng hạn như vật liệu làm giày, ống dẫn, dây cáp, thiết bị y tế, v.v.
Hiện nay, các nhà sản xuất nguyên liệu TPU chính bao gồm BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Vật liệu mới Linghuavà vân vân. Với việc 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 rất cao. Tuy nhiên, trong lĩnh vực ứng dụng cao cấp, ngành này vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu, đây cũng là lĩnh vực mà Trung Quốc cần đạt được những bước đột phá. Hãy cùng bàn về triển vọng thị trường tương lai của các sản phẩm TPU.
1. Tạo bọt siêu tới hạn E-TPU
Năm 2012, Adidas và BASF cùng nhau phát triển thương hiệu giày chạy bộ EnergyBoost, sử dụng TPU dạng xốp (tên thương mại infinergy) làm vật liệu đế giữa. Nhờ sử dụng polyether TPU có độ cứng Shore A từ 80-85 làm chất nền, so với đế giữa EVA, đế giữa TPU dạng xốp vẫn duy trì được độ đàn hồi và độ mềm tốt trong môi trường dưới 0 ℃, giúp cải thiện sự thoải mái khi mang và được thị trường đánh giá cao.
2. Vật liệu composite TPU biến tính gia cường bằng sợi
TPU có khả năng chịu va đập tốt, nhưng trong một số ứng dụng, cần có mô đun đàn hồi cao và vật liệu rất cứng. Gia cường bằng sợi thủy tinh là một kỹ thuật thường được sử dụng để tăng mô đun đàn hồi của vật liệu. Thông qua quá trình gia cường, có thể thu được vật liệu composite nhiệt dẻo với nhiều ưu điểm như mô đun đàn hồi cao, khả năng cách điện tốt, khả năng chịu nhiệt cao, khả năng phục hồi đàn hồi tốt, khả năng chống ăn mòn, chịu va đập, 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 có mô đun đàn hồi cao bằng cách sử dụng sợi thủy tinh ngắn trong bằng sáng chế của mình. Một loại 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 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 độ bền kéo 244 MPa.
Ngoài sợi thủy tinh, còn có những báo cáo về các sản phẩm sử dụng vật liệu composite TPU sợi carbon, chẳng hạn như tấm composite sợi carbon/TPU Maezio của Covestro, có mô đun đàn hồi lên đến 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 các đặc tính khác, khiến nó trở thành vật liệu vỏ bọc rất phù hợp cho dây dẫn và cáp. Tuy nhiên, trong các lĩnh vực ứng dụng như trạm sạc, khả năng chống cháy cao hơn là cần thiết. Nhìn chung có hai cách để cải thiện hiệu suất chống cháy của TPU. Một là phương pháp cải tiến chống cháy bằng phản ứng, bao gồm việc đưa các vật liệu chống cháy như polyol hoặc isocyanat chứa phốt pho, nitơ và các nguyên tố khác vào quá trình tổng hợp TPU thông qua liên kết hóa học; cách thứ hai là phương pháp cải tiến chống cháy bằng chất phụ gia, bao gồm việc sử dụng TPU làm chất nền và thêm chất chống cháy để trộn chảy.
Biến đổi phản ứng có thể thay đổi cấu trúc của TPU, nhưng khi lượng chất chống cháy phụ gia lớn, độ bền của TPU giảm, hiệu suất gia công suy giảm, và việc thêm một lượng nhỏ không thể đạt được mức độ chống cháy yêu cầu. Hiện nay, chưa có sản phẩm chống cháy cao cấp nào trên thị trường thực sự đáp ứng được ứng dụng trong các trạm sạc.
Công ty Bayer MaterialScience (nay là Kostron) từng giới thiệu một loại polyol hữu cơ chứa phốt pho (IHPO) dựa trên oxit photphin 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 tính chất cơ học tuyệt vời. Quá trình ép đùn diễn ra suôn sẻ và bề mặt sản phẩm nhẵn mịn.
Việc thêm chất chống cháy không chứa halogen hiện là phương pháp kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo TPU chống cháy không chứa halogen. Thông thường, các chất chống cháy gốc phốt pho, gốc nitơ, gốc silic, gốc boron được pha trộn hoặc sử dụng hydroxit kim loại làm chất chống cháy. Do tính dễ cháy vốn có của TPU, lượng chất chống cháy thêm vào thường phải hơn 30% để tạo thành lớp chống cháy ổn định trong quá trình cháy. Tuy nhiên, khi lượng chất chống cháy thêm vào lớn, chất chống cháy sẽ phân tán không đều trong chất nền TPU, và các tính chất cơ học của TPU chống cháy không lý tưởng, điều này cũng hạn chế ứng dụng và phổ biến của nó trong các lĩnh vực như ống dẫn, màng và cáp.
Bằng sáng chế của BASF giới thiệu công nghệ TPU chống cháy, kết hợp polyphosphate melamine và dẫn xuất chứa phốt pho của axit phosphinic làm chất chống cháy với TPU có trọng lượng phân tử trung bình lớn hơn 150kDa. Kết quả cho thấy hiệu quả chống cháy được cải thiện đáng kể trong khi vẫn 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 để điều chế hỗn hợp chất liên kết ngang chứa isocyanat. Việc thêm 2% loại hỗn hợp này vào một thành phần đáp ứng yêu cầu chống cháy UL94V-0 có thể làm tăng độ bền kéo của vật liệu từ 35MPa lên 40MPa trong khi vẫn duy trì hiệu quả 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 LinghuaBài báo này cũng 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 LinghuaTrong một đơn xin cấp bằng sáng chế khác, người ta đã giới thiệu cacbonat kim loại dựa trên việc bổ sung chất chống cháy melamine.
4. TPU dùng cho màng bảo vệ sơn ô tô
Màng bảo vệ sơn xe là một loại màng bảo vệ giúp cách ly bề mặt sơn khỏi không khí sau khi lắp đặt, ngăn ngừa mưa axit, oxy hóa, trầy xước và cung cấp khả năng bảo vệ lâu dài cho bề mặt sơn. Chức năng chính của nó là bảo vệ bề mặt sơn xe sau khi lắp đặt. Màng bảo vệ sơn thường bao gồm ba lớp, với lớp phủ tự phục hồi ở bề mặt, một lớp màng polymer ở giữa và một lớp keo acrylic nhạy áp ở lớp dưới cùng. TPU là một trong những nguyên liệu chính để chế tạo các lớp màng polymer trung gian.
Các yêu cầu về tính chất đối với TPU được sử dụng trong màng bảo vệ sơn như sau: khả năng chống trầy xước, độ trong suốt cao (độ truyền ánh sáng >95%), độ dẻo ở nhiệt độ thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền kéo >50MPa, độ giãn dài >400%, và độ cứng Shore A trong khoảng 87-93; Tính chất quan trọng nhất là khả năng chống chịu thời tiết, bao gồm khả năng chống lão hóa do tia cực tím, sự phân hủy oxy hóa do nhiệt và thủy phân.
Các sản phẩm hiện đã hoàn thiện là TPU mạch hở được điều chế từ dicyclohexyl diisocyanate (H12MDI) và polycaprolactone diol làm nguyên liệu. TPU thơm thông thường sẽ bị ố vàng rõ rệt sau một ngày chiếu tia UV, trong khi TPU mạch hở dùng cho màng bọc xe hơi có thể duy trì hệ số ố vàng mà không 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 thể hiện khả năng chống rách tuyệt vời của polyester TPU thông thường, mặt khác, nó cũng cho thấy khả năng chịu nén biến dạng vĩnh viễn thấp và khả năng đàn hồi cao vượt trội của polyether TPU, do đó được sử dụng rộng rãi trên thị trường.
Do yêu cầu khác nhau về hiệu quả chi phí sản phẩm sau khi phân khúc thị trường, cùng với sự cải tiến công nghệ phủ bề mặt và khả năng điều chỉnh công thức chất kết dính, trong tương lai, polyether hoặc polyester H12MDI aliphatic TPU có thể được ứng dụng vào màng bảo vệ sơn.
5. TPU sinh học
Phương pháp phổ biến để điều chế TPU sinh học là đưa các monome hoặc chất trung gian sinh học vào trong 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 isocyanat 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. Công ty Wanhua Chemical đã phát triển các sản phẩm TPU 100% sinh học sử dụng PDI sinh học được sản xuất từ thân cây ngô.
Về các loại polyol sinh học, nó bao gồm polytetrafluoroethylene sinh học (PTMEG), 1,4-butanediol sinh học (BDO), 1,3-propanediol sinh học (PDO), polyol polyester sinh học, polyol polyether sinh học, v.v.
Hiện nay, nhiều nhà sản xuất TPU đã cho ra mắt TPU sinh học, có hiệu năng tương đương với TPU truyền thống có nguồn gốc từ hóa dầu. 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 mức cao hơn. So với TPU truyền thống có nguồn gốc từ hóa dầu, TPU sinh học có những ưu điểm như giảm phát thải carbon, tái tạo nguyên liệu bền vững, sản xuất xanh và tiết kiệm tài nguyên. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical, vàVật liệu mới LinghuaHọ đã cho ra mắt các thương hiệu TPU sinh học, và việc giảm thiểu carbon và phát triển bền vững cũng là những hướng đi quan trọng cho sự phát triển của TPU trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 09/08/2024