Il TPU è un elastomero termoplastico poliuretanico, un copolimero a blocchi multifase composto da diisocianati, polioli ed estensori di catena. Essendo un elastomero ad alte prestazioni, il TPU ha un'ampia gamma di applicazioni e trova impiego in diversi settori, tra cui articoli di uso quotidiano, attrezzature sportive, giocattoli, materiali decorativi e altri, come materiali per calzature, tubi flessibili, cavi, dispositivi medici, ecc.
Attualmente, i principali produttori di materie prime TPU includono BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Nuovi Materiali Linghuae così via. Con la struttura e l'espansione della capacità produttiva delle imprese nazionali, l'industria del TPU è attualmente altamente competitiva. Tuttavia, nel settore delle applicazioni di fascia alta, dipende ancora dalle importazioni, un'area in cui la Cina deve ancora compiere progressi significativi. Parliamo ora delle prospettive future del mercato dei prodotti in TPU.
1. Schiumatura supercritica di E-TPU
Nel 2012, Adidas e BASF hanno sviluppato congiuntamente il marchio di scarpe da corsa EnergyBoost, che utilizza TPU espanso (nome commerciale Infinergy) come materiale per l'intersuola. Grazie all'utilizzo di TPU polieterico con una durezza Shore A di 80-85 come substrato, rispetto alle intersuole in EVA, le intersuole in TPU espanso mantengono una buona elasticità e morbidezza anche a temperature inferiori a 0 °C, migliorando il comfort e riscuotendo un ampio riconoscimento sul mercato.
2. Materiale composito in TPU modificato rinforzato con fibre
Il TPU ha una buona resistenza agli urti, ma in alcune applicazioni sono richiesti un elevato modulo elastico e materiali molto duri. La modifica con rinforzo in fibra di vetro è una tecnica comunemente utilizzata per aumentare il modulo elastico dei materiali. Attraverso questa modifica, è possibile ottenere materiali compositi termoplastici con numerosi vantaggi, quali elevato modulo elastico, buon isolamento, elevata resistenza al calore, buone prestazioni di recupero elastico, buona resistenza alla corrosione, resistenza agli urti, basso coefficiente di dilatazione e stabilità dimensionale.
BASF ha introdotto nel suo brevetto una tecnologia per la preparazione di TPU rinforzato con fibra di vetro ad alto modulo utilizzando fibre corte di vetro. Un TPU con una durezza Shore D di 83 è stato sintetizzato miscelando politetrafluoroetilenglicole (PTMEG, Mn=1000), MDI e 1,4-butandiolo (BDO) con 1,3-propandiolo come materie prime. Questo TPU è stato poi miscelato con fibra di vetro in un rapporto di massa di 52:48 per ottenere un materiale composito con un modulo elastico di 18,3 GPa e una resistenza alla trazione di 244 MPa.
Oltre alla fibra di vetro, si segnalano anche prodotti che utilizzano TPU composito in fibra di carbonio, come il pannello composito in fibra di carbonio/TPU Maezio di Covestro, che ha un modulo elastico fino a 100 GPa e una densità inferiore a quella dei metalli.
3. TPU ignifugo senza alogeni
Il TPU possiede elevata resistenza, elevata tenacità, eccellente resistenza all'usura e altre proprietà che lo rendono un materiale di rivestimento molto adatto per fili e cavi. Tuttavia, in campi di applicazione come le stazioni di ricarica, è richiesta una maggiore resistenza alla fiamma. Esistono generalmente due modi per migliorare le prestazioni ignifughe del TPU. Il primo è la modifica reattiva ignifuga, che prevede l'introduzione di materiali ignifughi come polioli o isocianati contenenti fosforo, azoto e altri elementi nella sintesi del TPU tramite legami chimici; il secondo è la modifica ignifuga additiva, che prevede l'utilizzo del TPU come substrato e l'aggiunta di ritardanti di fiamma durante la miscelazione a caldo.
La modifica reattiva può alterare la struttura del TPU, ma quando la quantità di ritardante di fiamma aggiunto è elevata, la resistenza del TPU diminuisce, le prestazioni di lavorazione si deteriorano e l'aggiunta di una piccola quantità non consente di raggiungere il livello di ritardante di fiamma richiesto. Attualmente, non esiste in commercio un prodotto ad alta resistenza alla fiamma che possa soddisfare pienamente le esigenze delle stazioni di ricarica.
L'ex Bayer MaterialScience (ora Kostron) ha brevettato un poliolo organico contenente fosforo (IHPO) a base di ossido di fosfina. Il TPU polieterico sintetizzato da IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI e BDO presenta eccellenti proprietà ignifughe e meccaniche. Il processo di estrusione è agevole e la superficie del prodotto è liscia.
Attualmente, la tecnica più comunemente utilizzata per la preparazione di TPU ignifugo senza alogeni consiste nell'aggiunta di ritardanti di fiamma privi di alogeni. Generalmente, si utilizzano ritardanti di fiamma a base di fosforo, azoto, silicio o boro, oppure idrossidi metallici. Data l'intrinseca infiammabilità del TPU, è spesso necessaria una quantità di ritardante di fiamma superiore al 30% per formare uno strato ignifugo stabile durante la combustione. Tuttavia, quando la quantità di ritardante di fiamma aggiunto è elevata, la sua dispersione nel substrato di TPU risulta non uniforme e le proprietà meccaniche del TPU ignifugo non sono ottimali, il che ne limita l'applicazione e la diffusione in settori quali tubi flessibili, pellicole e cavi.
Il brevetto di BASF introduce una tecnologia TPU ignifuga che combina polifosfato di melammina e un derivato dell'acido fosfinico contenente fosforo come ritardanti di fiamma con TPU avente un peso molecolare medio ponderale superiore a 150 kDa. È stato riscontrato che le prestazioni ignifughe sono state significativamente migliorate, pur mantenendo un'elevata resistenza alla trazione.
Per migliorare ulteriormente la resistenza alla trazione del materiale, il brevetto di BASF introduce un metodo per la preparazione di un masterbatch di agente reticolante contenente isocianati. L'aggiunta del 2% di questo tipo di masterbatch a una composizione che soddisfa i requisiti di resistenza alla fiamma UL94V-0 può aumentare la resistenza alla trazione del materiale da 35 MPa a 40 MPa, mantenendo al contempo le prestazioni di resistenza alla fiamma V-0.
Per migliorare la resistenza all'invecchiamento termico del TPU ignifugo, il brevetto diLinghua New Materials Companyintroduce anche un metodo di utilizzo di idrossidi metallici con rivestimento superficiale come ritardanti di fiamma. Al fine di migliorare la resistenza all'idrolisi del TPU ignifugo,Linghua New Materials Companyha introdotto il carbonato metallico sulla base dell'aggiunta di ritardante di fiamma melaminico in un'altra domanda di brevetto.
4. TPU per pellicole protettive per vernici automobilistiche
La pellicola protettiva per la vernice dell'auto è una pellicola protettiva che isola la superficie verniciata dall'aria dopo l'applicazione, previene le piogge acide, l'ossidazione, i graffi e fornisce una protezione duratura alla superficie verniciata. La sua funzione principale è quella di proteggere la superficie verniciata dell'auto dopo l'applicazione. La pellicola protettiva è generalmente composta da tre strati: un rivestimento autoriparante in superficie, una pellicola polimerica intermedia e un adesivo acrilico sensibile alla pressione sullo strato inferiore. Il TPU è uno dei materiali principali utilizzati per la preparazione delle pellicole polimeriche intermedie.
I requisiti prestazionali per il TPU utilizzato nelle pellicole protettive per vernici sono i seguenti: resistenza ai graffi, elevata trasparenza (trasmissione della luce >95%), flessibilità a basse temperature, resistenza alle alte temperature, resistenza alla trazione >50 MPa, allungamento >400% e durezza Shore A compresa tra 87 e 93; la prestazione più importante è la resistenza agli agenti atmosferici, che include la resistenza all'invecchiamento UV, alla degradazione termo-ossidativa e all'idrolisi.
I prodotti attualmente maturi sono TPU alifatici preparati a partire da dicicloesil diisocianato (H12MDI) e policaprolattone diolo come materie prime. Il TPU aromatico ordinario ingiallisce visibilmente dopo un giorno di irradiazione UV, mentre il TPU alifatico utilizzato per le pellicole per il car wrapping mantiene il suo coefficiente di ingiallimento senza variazioni significative nelle stesse condizioni.
Il TPU poli(ε-caprolattone) presenta prestazioni più equilibrate rispetto al TPU polieterico e poliestere. Da un lato, può esibire un'eccellente resistenza allo strappo tipica del TPU poliestere ordinario, mentre dall'altro dimostra anche una notevole bassa deformazione permanente da compressione e un'elevata capacità di rimbalzo del TPU polieterico, trovando così ampio impiego sul mercato.
A causa delle diverse esigenze in termini di rapporto costo-efficacia del prodotto dopo la segmentazione del mercato, con il miglioramento della tecnologia di rivestimento superficiale e della capacità di regolazione della formula adesiva, esiste anche la possibilità che il TPU alifatico H12MDI a base di polieteri o poliestere ordinario venga applicato alle pellicole protettive per vernici in futuro.
5. TPU di origine biologica
Il metodo comune per la preparazione di TPU di origine biologica consiste nell'introdurre monomeri o intermedi di origine biologica durante il processo di polimerizzazione, come ad esempio isocianati di origine biologica (ad esempio MDI, PDI), polioli di origine biologica, ecc. Tra questi, gli isocianati di origine biologica sono relativamente rari sul mercato, mentre i polioli di origine biologica sono più comuni.
Per quanto riguarda gli isocianati di origine biologica, già nel 2000 BASF, Covestro e altre aziende hanno investito notevoli risorse nella ricerca sul PDI, e i primi prodotti a base di PDI sono stati immessi sul mercato nel 2015-2016. Wanhua Chemical ha sviluppato prodotti TPU al 100% di origine biologica utilizzando PDI di origine biologica ricavato da residui di mais.
In termini di polioli di origine biologica, questi includono politetrafluoroetilene (PTMEG) di origine biologica, 1,4-butandiolo (BDO) di origine biologica, 1,3-propandiolo (PDO) di origine biologica, polioli poliestere di origine biologica, polioli polieterici di origine biologica, ecc.
Attualmente, diversi produttori di TPU hanno lanciato TPU a base biologica, le cui prestazioni sono paragonabili a quelle del TPU tradizionale a base petrolchimica. La principale differenza tra questi TPU a base biologica risiede nel livello di contenuto di origine biologica, che generalmente varia dal 30% al 40%, con alcuni che raggiungono anche livelli superiori. Rispetto al TPU tradizionale a base petrolchimica, il TPU a base biologica presenta vantaggi quali la riduzione delle emissioni di carbonio, la rigenerazione sostenibile delle materie prime, la produzione ecocompatibile e la conservazione delle risorse. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical eNuovi Materiali Linghuahanno lanciato i loro marchi di TPU a base biologica, e la riduzione delle emissioni di carbonio e la sostenibilità sono anche direzioni chiave per lo sviluppo del TPU in futuro.
Data di pubblicazione: 9 agosto 2024