التوجهات الرئيسية للتطوير المستقبلي لـ TPU

مادة TPU هي بوليمر لدن حراري من البولي يوريثان، وهي عبارة عن بوليمر متعدد الأطوار يتكون من ثنائي إيزوسيانات، وبوليولات، ومطيلات السلسلة. وباعتبارها مادة لدن عالية الأداء، تتمتع TPU بنطاق واسع من التطبيقات الصناعية، وتُستخدم على نطاق واسع في السلع الاستهلاكية اليومية، والمعدات الرياضية، والألعاب، ومواد الزينة، وغيرها من المجالات، مثل مواد الأحذية، والخراطيم، والكابلات، والأجهزة الطبية، وما إلى ذلك.

تشمل الشركات المصنعة الرئيسية للمواد الخام لمادة البولي يوريثين الحراري (TPU) حاليًا: BASF، وCovestro، وLubrizol، وHuntsman، وWanhua Chemical.مواد لينغهوا الجديدةوهكذا دواليك. مع توسع الشركات المحلية وزيادة طاقتها الإنتاجية، تتمتع صناعة البولي يوريثين الحراري (TPU) حاليًا بقدرة تنافسية عالية. ومع ذلك، لا تزال تعتمد على الواردات في مجال التطبيقات المتطورة، وهو مجال تحتاج الصين إلى تحقيق اختراقات فيه. دعونا نتحدث عن آفاق سوق منتجات البولي يوريثين الحراري (TPU) في المستقبل.

1. رغوة البولي يوريثان المرن فوق الحرجة

في عام ٢٠١٢، طورت أديداس وباسف معًا علامة أحذية الجري EnergyBoost، التي تستخدم مادة TPU الرغوية (الاسم التجاري: infinergy) كمادة للنعل الأوسط. وبفضل استخدام مادة TPU البولي إيثرية ذات صلابة شور A تتراوح بين ٨٠ و٨٥ كمادة أساسية، تحافظ نعال TPU الرغوية، مقارنةً بنعال EVA، على مرونة ونعومة جيدتين حتى في درجات حرارة أقل من الصفر المئوي، مما يُحسّن راحة الارتداء ويحظى بتقدير واسع في السوق.
2. مادة مركبة من البولي يوريثين الحراري المعدل المدعم بالألياف

يتميز البولي يوريثان الحراري (TPU) بمقاومة جيدة للصدمات، ولكن في بعض التطبيقات، يلزم استخدام مواد ذات معامل مرونة عالٍ وصلابة فائقة. يُعدّ تعديل تقوية الألياف الزجاجية تقنية شائعة لزيادة معامل مرونة المواد. ومن خلال هذا التعديل، يُمكن الحصول على مواد مركبة حرارية بلاستيكية تتمتع بالعديد من المزايا، مثل معامل مرونة عالٍ، وعزل حراري جيد، ومقاومة عالية للحرارة، وأداء استعادة مرونة ممتاز، ومقاومة جيدة للتآكل والصدمات، ومعامل تمدد منخفض، وثبات في الأبعاد.

قدمت شركة BASF في براءة اختراعها تقنيةً لتحضير مادة TPU عالية المرونة مُدعمة بالألياف الزجاجية باستخدام ألياف زجاجية قصيرة. وقد تم تصنيع مادة TPU ذات صلابة شور D تبلغ 83 عن طريق خلط بولي تترافلوروإيثيلين جلايكول (PTMEG، الوزن الجزيئي المتوسط ​​= 1000)، وMDI، و1،4-بيوتانيديول (BDO) مع 1،3-بروبانيديول كمواد خام. ثم تم دمج هذه المادة مع الألياف الزجاجية بنسبة كتلية 52:48 للحصول على مادة مركبة ذات معامل مرونة 18.3 جيجا باسكال وقوة شد 244 ميجا باسكال.

بالإضافة إلى الألياف الزجاجية، هناك أيضًا تقارير عن منتجات تستخدم مادة TPU المركبة من ألياف الكربون، مثل لوح ألياف الكربون/TPU المركب من Covestro Maezio، والذي يتميز بمعامل مرونة يصل إلى 100 جيجا باسكال وكثافة أقل من المعادن.
3. مادة TPU مقاومة للهب وخالية من الهالوجين

يتميز البولي يوريثان الحراري (TPU) بقوة ومتانة عاليتين، ومقاومة ممتازة للتآكل، وغيرها من الخصائص، مما يجعله مادة غلاف مثالية للأسلاك والكابلات. ولكن في مجالات التطبيق، مثل محطات الشحن، يلزم مستوى أعلى من مقاومة اللهب. هناك طريقتان رئيسيتان لتحسين أداء مقاومة اللهب في مادة TPU. الأولى هي التعديل التفاعلي لمثبطات اللهب، والذي يتضمن إدخال مواد مثبطة للهب، مثل البوليولات أو الإيزوسيانات التي تحتوي على الفوسفور والنيتروجين وعناصر أخرى، في عملية تصنيع مادة TPU من خلال الروابط الكيميائية. أما الثانية فهي التعديل الإضافي لمثبطات اللهب، والذي يتضمن استخدام مادة TPU كركيزة وإضافة مثبطات اللهب إلى عملية المزج بالصهر.

يمكن للتعديل التفاعلي تغيير بنية مادة البولي يوريثين الحراري (TPU)، ولكن عند زيادة كمية مثبطات اللهب المضافة، تنخفض قوة المادة، وتتدهور خصائص التصنيع، ولا تكفي إضافة كمية قليلة لتحقيق مستوى مقاومة اللهب المطلوب. حاليًا، لا يوجد منتج تجاري متوفر ذو مقاومة عالية للهب يلبي متطلبات محطات الشحن.

سبق لشركة باير ماتيريال ساينس (كوسترون حاليًا) أن قدمت في براءة اختراع بوليولًا عضويًا يحتوي على الفوسفور (IHPO) قائمًا على أكسيد الفوسفين. يتميز البولي إيثر TPU المُصنّع من IHPO وPTMEG-1000 و4,4'-MDI وBDO بمقاومة ممتازة للاشتعال وخصائص ميكانيكية فائقة. عملية البثق سلسة، وسطح المنتج أملس.

تُعدّ إضافة مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين حاليًا الطريقة التقنية الأكثر شيوعًا لتحضير مادة البولي يوريثان الحراري (TPU) المقاومة للهب. وعادةً ما تُستخدم مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور أو النيتروجين أو السيليكون أو البورون، أو هيدروكسيدات المعادن. ونظرًا لقابلية مادة TPU للاشتعال، غالبًا ما يتطلب الأمر إضافة أكثر من 30% من مثبطات اللهب لتكوين طبقة مستقرة مقاومة للهب أثناء الاحتراق. إلا أنه عند إضافة كميات كبيرة من مثبطات اللهب، يتوزع بشكل غير متجانس في مادة TPU، مما يؤدي إلى عدم مثالية الخواص الميكانيكية للمادة، وبالتالي الحد من استخدامها وانتشارها في مجالات مثل الخراطيم والأغشية والكابلات.

تقدم شركة BASF في براءة اختراعها تقنية TPU مقاومة للهب، حيث تمزج بين بولي فوسفات الميلامين ومشتق حمض الفوسفينيك المحتوي على الفوسفور كمواد مثبطة للهب مع TPU ذي وزن جزيئي متوسط ​​يزيد عن 150 كيلو دالتون. وقد تبين أن أداء مقاومة اللهب قد تحسن بشكل ملحوظ مع تحقيق قوة شد عالية.

لتعزيز قوة الشد للمادة، تقدم براءة اختراع شركة BASF طريقةً لتحضير مزيج رئيسي من عوامل الربط المتشابك يحتوي على الإيزوسيانات. بإضافة 2% من هذا النوع من المزيج الرئيسي إلى تركيبة تستوفي متطلبات مقاومة اللهب UL94V-0، يمكن زيادة قوة الشد للمادة من 35 ميجا باسكال إلى 40 ميجا باسكال مع الحفاظ على أداء مقاومة اللهب V-0.

لتحسين مقاومة مادة البولي يوريثين الحراري المقاوم للهب للتقادم الحراري، تم الحصول على براءة اختراع لـشركة لينغوا للمواد الجديدةكما يقدم هذا البحث طريقة لاستخدام هيدروكسيدات المعادن المطلية على السطح كمثبطات للهب. وذلك لتحسين مقاومة مادة البولي يوريثين الحراري (TPU) المقاومة للهب للتحلل المائي.شركة لينغوا للمواد الجديدةتم تقديم كربونات المعادن على أساس إضافة مادة الميلامين المثبطة للهب في طلب براءة اختراع آخر.

4. مادة TPU لحماية طلاء السيارات

غشاء حماية طلاء السيارة هو غشاء واقٍ يعزل سطح الطلاء عن الهواء بعد تركيبه، ويمنع الأمطار الحمضية والأكسدة والخدوش، ويوفر حماية طويلة الأمد لسطح الطلاء. وظيفته الأساسية هي حماية سطح طلاء السيارة بعد تركيبه. يتكون غشاء حماية الطلاء عادةً من ثلاث طبقات: طبقة خارجية ذاتية الإصلاح، وطبقة بوليمرية في المنتصف، وطبقة سفلية لاصقة حساسة للضغط من الأكريليك. يُعد البولي يوريثين الحراري (TPU) أحد المواد الرئيسية المستخدمة في تحضير طبقات البوليمر الوسيطة.

متطلبات الأداء لمادة البولي يوريثين الحراري المستخدمة في أغشية حماية الطلاء هي كما يلي: مقاومة الخدش، وشفافية عالية (نفاذية الضوء > 95٪)، ومرونة في درجات الحرارة المنخفضة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، وقوة شد > 50 ميجا باسكال، واستطالة > 400٪، ونطاق صلابة شور A من 87 إلى 93؛ أهم أداء هو مقاومة العوامل الجوية، والتي تشمل مقاومة التقادم بالأشعة فوق البنفسجية، والتدهور التأكسدي الحراري، والتحلل المائي.

المنتجات الناضجة حاليًا هي مادة البولي يوريثين الحراري الأليفاتية المُحضّرة من ثنائي إيزوسيانات ثنائي سيكلوهكسيل (H12MDI) وثنائي هيدروكسي بولي كابرولاكتون كمواد خام. يتحول لون البولي يوريثين الحراري العطري العادي إلى الأصفر بشكل واضح بعد يوم واحد من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، بينما يحافظ البولي يوريثين الحراري الأليفاتية المستخدم في تغليف السيارات على معامل اصفراره دون تغييرات ملحوظة في ظل نفس الظروف.
يتميز البولي يوريثان الحراري (TPU) المصنوع من بولي (إبسيلون-كابرولاكتون) بأداء أكثر توازناً مقارنةً بالبولي إيثر والبوليستر. فهو يتمتع بمقاومة ممتازة للتمزق كالبوليستر العادي، وفي الوقت نفسه، يتميز بانخفاض ملحوظ في التشوه الدائم الناتج عن الضغط المنخفض، وارتداد عالٍ كالبولي إيثر، مما يجعله واسع الانتشار في السوق.

نظراً لاختلاف متطلبات فعالية تكلفة المنتج بعد تجزئة السوق، ومع تحسين تقنية طلاء الأسطح وقدرة تعديل تركيبة المواد اللاصقة، هناك أيضاً فرصة لتطبيق مادة البولي إيثر أو البوليستر العادي H12MDI aliphatic TPU على أغشية حماية الطلاء في المستقبل.

5. البولي يوريثين الحراري الحيوي

تتمثل الطريقة الشائعة لتحضير البولي يوريثان الحراري الحيوي في إدخال المونومرات أو المواد الوسيطة الحيوية أثناء عملية البلمرة، مثل الإيزوسيانات الحيوية (مثل MDI وPDI) والبوليولات الحيوية، وما إلى ذلك. ومن بينها، تعد الإيزوسيانات الحيوية نادرة نسبيًا في السوق، بينما تعد البوليولات الحيوية أكثر شيوعًا.

فيما يتعلق بالإيزوسيانات الحيوية، فقد استثمرت شركات مثل BASF وCovestro وغيرها الكثير جهودًا كبيرة في أبحاث PDI منذ عام 2000، وطُرحت الدفعة الأولى من منتجات PDI في السوق في الفترة 2015-2016. وقد طورت شركة Wanhua Chemical منتجات TPU حيوية بنسبة 100% باستخدام PDI حيوي مصنوع من سيقان الذرة.

أما فيما يتعلق بالبوليولات الحيوية، فهي تشمل البولي تترافلوروإيثيلين الحيوي (PTMEG)، و1،4-بيوتانيديول الحيوي (BDO)، و1،3-بروبانيديول الحيوي (PDO)، وبوليولات البوليستر الحيوية، وبوليولات البولي إيثر الحيوية، وما إلى ذلك.

أطلقت العديد من الشركات المصنعة لمادة البولي يوريثان الحراري (TPU) حاليًا أنواعًا حيوية الصنع، تُضاهي في أدائها نظيرتها التقليدية المصنوعة من مشتقات البتروكيماويات. ويكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه الأنواع الحيوية في نسبة المحتوى الحيوي، والتي تتراوح عادةً بين 30% و40%، مع وصول بعضها إلى نسب أعلى. وبالمقارنة مع الأنواع التقليدية المصنوعة من مشتقات البتروكيماويات، تتميز الأنواع الحيوية بمزايا عديدة، منها تقليل انبعاثات الكربون، وإعادة تدوير المواد الخام بشكل مستدام، والإنتاج الصديق للبيئة، والحفاظ على الموارد. ومن بين هذه الشركات: BASF، وCovestro، وLubrizol، وWanhua Chemical، و...مواد لينغهوا الجديدةأطلقت علاماتها التجارية من مادة البولي يوريثين الحراري الحيوي، كما أن خفض انبعاثات الكربون والاستدامة يمثلان أيضاً توجهات رئيسية لتطوير البولي يوريثين الحراري في المستقبل.