الاتجاهات الرئيسية للتنمية المستقبلية لـ TPU

TPU هو إلاستومر حراري من البولي يوريثان، وهو بوليمر متعدد المراحل يتكون من ثنائي إيزوسيانات وبوليولات وممددات سلاسل. وبصفته إلاستومرًا عالي الأداء، يتميز TPU بتنوع واسع في استخداماته اللاحقة، ويُستخدم على نطاق واسع في الضروريات اليومية، والمعدات الرياضية، والألعاب، ومواد الديكور، وغيرها من المجالات، مثل مواد الأحذية، والخراطيم، والكابلات، والأجهزة الطبية، وغيرها.

في الوقت الحاضر، تشمل الشركات المصنعة الرئيسية للمواد الخام TPU شركة BASF، وCovestro، وLubrizol، وHuntsman، وWanhua Chemical،مواد لينغهوا الجديدةمع توسع الشركات المحلية في تصميمها وقدرتها الإنتاجية، تشهد صناعة TPU حاليًا منافسة شديدة. ومع ذلك، لا تزال تعتمد على الواردات في مجال التطبيقات المتطورة، وهو مجال تحتاج الصين إلى تحقيق اختراقات فيه. لنتحدث الآن عن آفاق سوق منتجات TPU المستقبلية.

1. رغوة E-TPU فوق الحرجة

في عام ٢٠١٢، طورت شركتا أديداس وباسف بالتعاون معاً علامة EnergyBoost لأحذية الجري، والتي تستخدم مادة TPU الرغوية (الاسم التجاري infinergy) كمادة للنعل الأوسط. بفضل استخدام مادة TPU البولي إيثرية ذات صلابة Shore A تتراوح بين ٨٠ و٨٥، تحافظ النعال الوسطى الرغوية المصنوعة من مادة TPU على مرونتها ونعومتها في درجات حرارة أقل من ٠ درجة مئوية، مقارنةً بالنعال الوسطى المصنوعة من مادة EVA، مما يُحسّن راحة الارتداء ويحظى بشهرة واسعة في السوق.
2. مادة مركبة من مادة TPU المعدلة المقواة بالألياف

يتميز TPU بمقاومة جيدة للصدمات، ولكن في بعض التطبيقات، يتطلب الأمر معامل مرونة عاليًا ومواد شديدة الصلابة. يُعد تعديل تقوية الألياف الزجاجية تقنية شائعة الاستخدام لزيادة معامل مرونة المواد. من خلال التعديل، يمكن الحصول على مواد مركبة من البلاستيك الحراري تتميز بمزايا عديدة، مثل معامل مرونة عالي، وعزل جيد، ومقاومة عالية للحرارة، وأداء ممتاز لاستعادة المرونة، ومقاومة جيدة للتآكل، ومقاومة جيدة للصدمات، ومعامل تمدد منخفض، وثبات أبعاد.

قدمت شركة باسف تقنيةً لتحضير مادة TPU عالية المرونة مُقوّاة بألياف زجاجية قصيرة، وذلك في براءة اختراعها. تم تصنيع مادة TPU بصلابة شور دي 83، وذلك بخلط بولي تترافلوروإيثيلين جليكول (PTMEG، Mn=1000)، وMDI، و1,4-بيوتانيديول (BDO) مع 1,3-بروبانديول كمواد خام. تم تركيب هذه المادة مع ألياف زجاجية بنسبة كتلة 52:48 للحصول على مادة مركبة بمعامل مرونة 18.3 جيجاباسكال وقوة شد 244 ميجاباسكال.

بالإضافة إلى الألياف الزجاجية، هناك أيضًا تقارير عن منتجات تستخدم مادة TPU المركبة من ألياف الكربون، مثل لوحة Maezio المركبة من ألياف الكربون/TPU من Covestro، والتي تتمتع بمعامل مرونة يصل إلى 100 جيجاباسكال وكثافة أقل من المعادن.
3. مادة TPU المقاومة للهب والخالية من الهالوجين

يتميز TPU بقوة وصلابة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل وخصائص أخرى، مما يجعله مادة تغليف مناسبة جدًا للأسلاك والكابلات. ولكن في مجالات التطبيقات مثل محطات الشحن، يتطلب الأمر مقاومة أعلى للهب. هناك طريقتان لتحسين أداء TPU في مقاومة اللهب. الأولى هي تعديل مقاومة اللهب التفاعلية، والتي تتضمن إدخال مواد مقاومة للهب مثل البوليولات أو الأيزوسيانات التي تحتوي على الفوسفور والنيتروجين وعناصر أخرى في تركيب TPU من خلال الترابط الكيميائي؛ والثانية هي تعديل مقاومة اللهب المضافة، والتي تتضمن استخدام TPU كركيزة وإضافة مثبطات اللهب لخلط المواد المنصهرة.

يمكن للتعديل التفاعلي أن يُغير بنية مادة TPU، ولكن مع زيادة كمية مثبطات اللهب المضافة، تنخفض قوة مادة TPU، ويتدهور أداء المعالجة، وإضافة كمية صغيرة لا تُحقق مستوى مثبطات اللهب المطلوب. حاليًا، لا يوجد منتج تجاري عالي المقاومة للهب يُلبي احتياجات محطات الشحن.

قدمت شركة باير ماتيريال ساينس (كوسترون حاليًا) سابقًا بوليولًا عضويًا يحتوي على الفوسفور (IHPO) قائمًا على أكسيد الفوسفين، وذلك من خلال براءة اختراع. يتميز بولي إيثر TPU المُصنّع من IHPO، وPTMEG-1000، و4,4 '-MDI، وBDO بمقاومة ممتازة للهب وخصائص ميكانيكية. عملية البثق سلسة، وسطح المنتج أملس.

تُعد إضافة مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين حاليًا الطريقة التقنية الأكثر شيوعًا لتحضير مادة TPU المقاومة للهب. عادةً ما تُركّب مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور، والنيتروجين، والسيليكون، والبورون، أو تُستخدم هيدروكسيدات المعادن كمثبطات لهب. ونظرًا لقابلية TPU للاشتعال، غالبًا ما يتطلب الأمر إضافة كمية من مثبطات اللهب تزيد عن 30% لتكوين طبقة مقاومة لهب مستقرة أثناء الاحتراق. ومع ذلك، عند إضافة كمية كبيرة من مثبطات اللهب، يتوزع مثبط اللهب بشكل غير متساوٍ في ركيزة TPU، وتكون خصائصها الميكانيكية غير مثالية، مما يحد من استخدامها وترويجها في مجالات مثل الخراطيم والأغشية والكابلات.

تُقدّم براءة اختراع شركة باسف تقنيةً جديدةً لمادة البولي يوريثين الحراري المقاومة للهب، والتي تمزج بين بولي فوسفات الميلامين ومشتق حمض الفوسفينيك المحتوي على الفوسفور كمواد مقاومة للهب، مع مادة البولي يوريثين الحراري بوزن جزيئي متوسط يزيد عن 150 كيلو دالتون. وقد تبيّن أن أداء هذه المادة المقاومة للهب قد تحسّن بشكل ملحوظ مع تحقيق قوة شد عالية.

لتعزيز قوة شد المادة، تُقدّم براءة اختراع شركة باسف طريقةً لتحضير ماسترباتش عامل تشابك يحتوي على إيزوسيانات. إضافة 2% من هذا النوع من الماسترباتش إلى تركيبة تُلبي متطلبات مقاومة اللهب UL94V-0 يُمكن أن تزيد قوة شد المادة من 35 ميجا باسكال إلى 40 ميجا باسكال مع الحفاظ على أداء مقاومة اللهب V-0.

لتحسين مقاومة الشيخوخة الحرارية لمادة TPU المقاومة للهب، تم تسجيل براءة اختراعشركة لينغهوا للمواد الجديدةيُقدّم أيضًا طريقةً لاستخدام هيدروكسيدات معدنية مُغطاة بالسطح كمثبطات للهب. لتحسين مقاومة التحلل المائي للبولي يوريثين الحراري المُثبط للهب،شركة لينغهوا للمواد الجديدةتم إدخال كربونات معدنية على أساس إضافة مادة الميلامين المثبطة للهب في طلب براءة اختراع آخر.

4. TPU لفيلم حماية طلاء السيارات

غشاء حماية طلاء السيارة هو غشاء واقٍ يعزل سطح الطلاء عن الهواء بعد التركيب، ويمنع الأمطار الحمضية والأكسدة والخدوش، ويوفر حماية طويلة الأمد لسطح الطلاء. وظيفته الرئيسية هي حماية سطح الطلاء بعد التركيب. يتكون غشاء حماية الطلاء عادةً من ثلاث طبقات: طبقة ذاتية الشفاء على السطح، وطبقة بوليمر في المنتصف، وطبقة لاصقة أكريليك حساسة للضغط في الطبقة السفلية. يُعد TPU من المواد الرئيسية المستخدمة في تحضير أغشية البوليمر الوسيطة.

متطلبات الأداء لـ TPU المستخدمة في فيلم حماية الطلاء هي كما يلي: مقاومة الخدش، الشفافية العالية (نفاذية الضوء> 95٪)، المرونة في درجات الحرارة المنخفضة، مقاومة درجات الحرارة العالية، قوة الشد> 50 ميجا باسكال، الاستطالة> 400٪، ونطاق صلابة الشاطئ A من 87-93؛ الأداء الأكثر أهمية هو مقاومة الطقس، والتي تشمل مقاومة الشيخوخة بالأشعة فوق البنفسجية، والتدهور التأكسدي الحراري، والتحلل المائي.

المنتجات الناضجة حاليًا هي TPU أليفاتي مُحضر من ثنائي سيكلوهكسيل ثنائي إيزوسيانات (H12MDI) وبولي كابرولاكتون ديول كمواد خام. يتحول لون TPU العطري العادي إلى الأصفر بشكل واضح بعد يوم واحد من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، بينما يحافظ TPU الأليفاتي المستخدم في أغشية تغليف السيارات على معامل الاصفرار دون تغيرات كبيرة في نفس الظروف.
يتميز بولي (ε – كابرولاكتون) TPU بأداء أكثر توازناً مقارنةً بالبولي إيثر والبوليستر. فمن جهة، يتميز بمقاومة ممتازة للتمزق مقارنةً بالبوليستر العادي، ومن جهة أخرى، يتميز بتشوه دائم منخفض الضغط وأداء ارتداد عالي مقارنةً بالبولي إيثر، مما يجعله شائع الاستخدام في السوق.

بسبب المتطلبات المختلفة لفعالية تكلفة المنتج بعد تقسيم السوق، مع تحسين تكنولوجيا طلاء السطح وقدرة تعديل صيغة المادة اللاصقة، هناك أيضًا فرصة لتطبيق مادة TPU الأليفاتية H12MDI المصنوعة من البولي إيثر أو البوليستر العادي على أفلام حماية الطلاء في المستقبل.

5. TPU القائم على المواد الحيوية

الطريقة الشائعة لإعداد TPU القائم على المواد الحيوية هي إدخال مونومرات أو وسطاء قائمين على المواد الحيوية أثناء عملية البلمرة، مثل الإيزوسيانات القائمة على المواد الحيوية (مثل MDI وPDI)، والبوليولات القائمة على المواد الحيوية، وما إلى ذلك. ومن بينها، تعد الإيزوسيانات القائمة على المواد الحيوية نادرة نسبيًا في السوق، بينما تعد البوليولات القائمة على المواد الحيوية أكثر شيوعًا.

فيما يتعلق بالإيزوسيانات الحيوية، بذلت شركتا باسف وكوفيسترو وآخرون جهودًا كبيرة في أبحاث PDI منذ عام 2000، وطُرحت أول دفعة من منتجات PDI في السوق بين عامي 2015 و2016. طورت شركة وانهوا للكيماويات منتجات TPU حيوية 100% باستخدام PDI حيوي مصنوع من قش الذرة.

من حيث البوليولات الحيوية، فهي تشمل بولي تترافلورو إيثيلين الحيوي (PTMEG)، و1،4-بيوتانيديول الحيوي (BDO)، و1،3-بروبانديول الحيوي (PDO)، وبوليولات البوليستر الحيوية، وبوليولات البولي إيثر الحيوية، إلخ.

في الوقت الحالي، أطلق العديد من مصنعي TPU مواد TPU بيولوجية، تُضاهي في أدائها مواد TPU التقليدية القائمة على البتروكيماويات. يكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه المواد في مستوى محتواها البيولوجي، والذي يتراوح عادةً بين 30% و40%، بل إن بعضها يحقق مستويات أعلى. مقارنةً بـ TPU التقليدية القائمة على البتروكيماويات، تتميز مواد TPU البيولوجية بمزايا مثل تقليل انبعاثات الكربون، والتجديد المستدام للمواد الخام، والإنتاج الأخضر، والحفاظ على الموارد. BASF، Covestro، Lubrizol، Wanhua Chemical، ومواد لينغهوا الجديدةوقد أطلقت الشركة علاماتها التجارية من مادة TPU القائمة على المواد الحيوية، كما أن الحد من الكربون والاستدامة هما أيضًا اتجاهات رئيسية لتطوير مادة TPU في المستقبل.