من التخطيط العالمي لعمالقة المواد الكيميائية، اتجاهات التطوير المستقبلية الرئيسية لـ TPU

من التخطيط العالمي لعمالقة المواد الكيميائية، اتجاهات التطوير المستقبلية الرئيسية لـ TPU

TPU (البولي يوريثين بالحرارة) هو نوع من المطاط الصناعي لدن بالحرارة ينتمي إلى فئة البولي يوريثين. وهو عبارة عن بوليمر مشترك متعدد المراحل يتكون من ثنائي إيزوسيانات والبوليول وموسع السلسلة. باعتباره أحد المطاط الصناعي ذو الخصائص الممتازة، فإن مادة TPU لديها مجموعة واسعة جدًا من تطبيقات المنتجات النهائية، حيث يتم استخدامها على نطاق واسع في الضروريات اليومية والسلع الرياضية والألعاب ومواد الديكور وغيرها من المجالات، مثل مواد الأحذية والخراطيم والأسلاك والكابلات والأجهزة الطبية، إلخ.

المنتجون الرئيسيون الحاليون للمواد الخام TPU يشملون BASF، وCovestro، وLubrizol، وHuntsman، وWanhua Chemical، وHuafon Chemical، وShanghai Heng'an، وRuihua، وXuchuan Chemical، وغيرها. مع تخطيط وتوسيع قدرات المؤسسات المحلية، أصبحت صناعة TPU ذات قدرة تنافسية عالية. ومع ذلك، لا تزال مجالات التطبيقات المتطورة تعتمد على الواردات، وهو مجال يحتاج إلى اختراقات محلية. دعونا نناقش مجالات التطبيق الواعدة لمنتجات TPU في المستقبل.

1. E-TPU الرغوي فوق الحرج
في عام 2012، قامت الشركة الألمانية Adidas وBASF بتطوير العلامة التجارية لأحذية الجري Energy Boost، والتي استخدمت مادة TPU الرغوية (اسم العلامة التجارية Infinergy) كمادة للنعل الأوسط. نظرًا لأنه يستخدم مادة TPU من نوع الأثير مع صلابة Shore A 80-85 كمادة أساسية، مقارنةً بالنعل الأوسط EVA، فإن النعل الأوسط الرغوي المصنوع من مادة TPU يحافظ على مرونة ونعومة جيدة حتى في البيئات التي تقل عن 0 درجة مئوية، مما يحسن راحة الارتداء ويحظى بقبول واسع في السوق.

2. مركبات TPU المعدلة والمعززة بالألياف
يتمتع TPU بمقاومة جيدة للصدمات، ولكن في بعض التطبيقات، يلزم وجود مواد ذات معامل مرونة عالي وصلابة عالية جدًا. يعد تقوية الألياف الزجاجية وسيلة تقنية شائعة لتحسين معامل المرونة للمواد. من خلال التعديل، يمكن الحصول على مركبات اللدائن الحرارية ذات المزايا العديدة، مثل معامل المرونة العالي، والعزل الجيد، والمقاومة القوية للحرارة، وأداء الاسترداد المرن الممتاز، ومقاومة التآكل الجيدة، ومقاومة الصدمات، ومعامل التمدد المنخفض، واستقرار الأبعاد. قدمت شركة BASF تقنية في براءة اختراع لتحضير مادة TPU المقواة بالألياف الزجاجية عالية المعامل باستخدام ألياف زجاجية قصيرة. باستخدام بولي تترامثيلين إيثر جلايكول (PTMEG، Mn = 1000)، MDI، 1،4-بوتانيديول (BDO) ممزوجًا مع 1،3-بروبانديول كمواد خام لتصنيع مادة TPU بصلابة Shore D تبلغ 83، وتركيب مادة TPU هذه مع ألياف زجاجية بنسبة كتلة تبلغ 52:48، وهي مادة مركبة بمعامل مرن يبلغ 18.3 جيجا باسكال وقوة شد تصل إلى يمكن الحصول على 244 ميجا باسكال.
إلى جانب الألياف الزجاجية، تم أيضًا الإبلاغ عن المنتجات التي تستخدم ألياف الكربون المركبة مع مادة TPU، مثل منتج Tepex Dynalite من Lanxess ولوح Maezio من ألياف الكربون / TPU المركب من Covestro، والذي يمكن أن يصل معامل مرونته إلى 100 جيجا باسكال بكثافة أقل من المعدن.

3. مادة TPU المقاومة للهب الخالية من الهالوجين
تتميز بقوة عالية، وصلابة عالية، ومقاومة تآكل ممتازة، مما يجعلها مناسبة جدًا لتغليف مواد الأسلاك والكابلات. ومع ذلك، مطلوب أداء أعلى لمثبطات اللهب في مجالات التطبيق مثل أكوام الشحن. هناك عمومًا طريقتان لتحسين مثبطات اللهب لـ TPU: إحداهما هي تعديل مثبطات اللهب التفاعلية، والتي تتضمن إدخال مواد خام ذات وظائف مثبطات اللهب، مثل البوليولات أو الإيزوسيانات التي تحتوي على الفوسفور والنيتروجين وعناصر أخرى، من خلال الترابط الكيميائي أثناء تخليق مادة TPU، والآخر هو تعديل مثبطات اللهب الإضافي، والذي يتضمن ذوبان مزج مادة TPU كمادة أساسية مع مثبطات اللهب.
يؤدي التعديل التفاعلي إلى تغيير هيكل مادة TPU، ولكن عندما تكون كمية مثبطات اللهب المضافة كبيرة، تنخفض قوة مادة TPU ويتدهور أداء المعالجة، ولا يمكن لإضافة كمية صغيرة تحقيق معدل تثبيط اللهب المطلوب. في الوقت الحالي، لم يتم العثور على مثل هذه المنتجات التجارية ذات مثبطات اللهب العالية التي تلبي حقًا متطلبات تطبيقات شحن الأكوام.
قدمت شركة Bayer MaterialScience السابقة (المعروفة الآن باسم Covestro) ذات مرة بوليول عضوي يحتوي على الفوسفور (IHPO) يعتمد على أكسيد الفوسفين في براءة اختراع. أظهر TPU من نوع الأثير الذي تم تصنيعه من IHPO، وPTMEG-1000، و4,4'-MDI، وBDO تثبيطًا جيدًا للهب وخواص ميكانيكية ممتازة، مع عملية بثق مستقرة وسطح منتج أملس.
تعد إضافة مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين حاليًا الطريق الفني الأكثر شيوعًا لتحضير مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، وعادةً ما يتم استخدام مثبطات اللهب القائمة على الفوسفور والنيتروجين والسيليكون والبورون مجتمعة أو هيدروكسيدات معدنية كمثبطات للهب. نظرًا لأن مادة TPU نفسها قابلة للاشتعال، فإن كمية الحشو من مثبطات اللهب غالبًا ما تحتاج إلى أن تكون أكبر من 30% لتكوين طبقة مثبطة للهب ثابتة أثناء الاحتراق. ومع ذلك، عندما تكون كمية مثبطات اللهب المضافة كبيرة، فإن التشتت غير المتساوي لمثبطات اللهب في مصفوفة TPU يؤدي إلى خصائص ميكانيكية غير مرضية لمثبطات اللهب TPU، مما يحد أيضًا من تعزيز تطبيقها في مجالات مثل الخراطيم والأفلام والكابلات.
براءة اختراع من BASF تقدم تقنية TPU المقاومة للهب والتي تستخدم مزيجًا من الميلامين متعدد الفوسفات ومشتق الفوسفات المحتوي على الفوسفور كمثبطات للهب، ممزوجة بمادة TPU ذات وزن جزيئي متوسط ​​يزيد عن 150 كيلو دالتون. وقد وجد أن هذا يحسن بشكل كبير من أداء مثبطات اللهب مع تحقيق قوة شد أعلى.
لتعزيز قوة الشد للمادة بشكل أكبر، تصف براءة اختراع BASF طريقة تحضير لخلطة رئيسية تحتوي على عامل تشابك أيزوسيانات. يمكن أن تؤدي إضافة 2% من هذا الخليط الرئيسي إلى تركيبة تفي بمتطلبات تثبيط اللهب UL94 V-0 إلى زيادة قوة شد المادة من 35 ميجا باسكال إلى 40 ميجا باسكال مع الحفاظ على مستوى تثبيط اللهب V-0.
لتحسين مقاومة التقادم الحراري لمادة TPU المثبطة للهب، تصف براءة اختراع أخرى لشركة BASF طريقة تستخدم هيدروكسيد المعدن المطلي بالسطح كمثبط للهب. لتحسين مقاومة التحلل المائي لمادة TPU المثبطة للهب، تقدم BASF، في طلب براءة اختراع آخر، كربونات معدنية بالإضافة إلى مثبطات اللهب بالميلامين.

4. TPU لفيلم حماية طلاء السيارات
فيلم حماية طلاء السيارات هو فيلم يتم تطبيقه لعزل سطح الطلاء عن الهواء، والحماية من المطر الحمضي، والأكسدة، والخدوش، وتوفير حماية دائمة لسطح الطلاء. وتتمثل مهمتها الرئيسية في حماية طلاء السيارة بعد التثبيت. يتكون فيلم حماية الطلاء عمومًا من ثلاث طبقات: السطح عبارة عن طلاء ذاتي الشفاء، والوسط عبارة عن فيلم بوليمر، والطبقة السفلية عبارة عن مادة لاصقة أكريليك حساسة للضغط. يعد TPU أحد المواد الرئيسية لتحضير طبقة البوليمر المتوسطة.
متطلبات أداء مادة TPU المستخدمة في أفلام حماية الطلاء هي كما يلي: مقاومة الخدش، الشفافية العالية (نفاذية الضوء > 95%)، مرونة درجات الحرارة المنخفضة، مقاومة درجات الحرارة العالية، قوة الشد > 50 ميجا باسكال، الاستطالة > 400%، ونطاق صلابة Shore A 87-93، الأداء الأكثر أهمية هو مقاومة الطقس، وهي مقاومة الشيخوخة فوق البنفسجية، والتحلل الحراري المؤكسد، والتحلل المائي.
حاليًا، المنتجات الناضجة عبارة عن TPUs الأليفاتية المحضرة باستخدام ثنائي سيكلوهكسيل ميثان ثنائي إيزوسيانات (H12MDI) وديول بولي كابرولاكتون كمواد خام. يتحول مادة TPU العطرية العادية إلى اللون الأصفر بعد يوم واحد فقط من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، بينما يمكن أن يحافظ مادة TPU الأليفاتية لـ PPF على مؤشر الصفرة مع تغيير بسيط في ظل نفس الظروف.

يتميز مادة TPU من نوع البولي كابرولاكتون بخصائص أكثر توازناً مقارنةً بنوع البولي إيثر والبوليستر، فمن ناحية، فإنه يُظهر مقاومة ممتازة للتمزق من مادة البولي يوريثان الحراري من نوع البوليستر العادي، بينما يُظهر في الوقت نفسه مجموعة الضغط المنخفض المتميزة ومرونة الارتداد العالية للبولي يوريثان من نوع البولي إيثر، وبالتالي يجد تطبيقًا واسع النطاق في السوق.
نظرًا للمتطلبات المختلفة لنسب أداء التكلفة بعد تجزئة السوق، ومع التحسينات في تكنولوجيا الطلاء السطحي وقدرات تعديل صياغة الطبقة اللاصقة، قد يكون لدى TPUs الأليفاتية من نوع البولي إيثر أو النوع العادي من البوليستر H12MDI أيضًا فرص للتطبيق في أفلام حماية الطلاء في المستقبل.

5. مادة TPU ذات الأساس الحيوي
تتضمن الطرق الشائعة لتحضير مادة TPU ذات الأساس الحيوي إدخال مونومرات ذات أساس حيوي أو مواد وسيطة أثناء البلمرة، مثل الإيزوسيانات ذات الأساس الحيوي (على سبيل المثال، MDI، PDI)، والبوليولات ذات الأساس الحيوي، وما إلى ذلك. ومن بينها، تعتبر الأيزوسيانات ذات الأساس الحيوي أقل شيوعًا في السوق، في حين أن البوليولات ذات الأساس الحيوي شائعة نسبيًا.
وفيما يتعلق بالإيزوسيانات ذات الأساس الحيوي، ففي وقت مبكر من عام 2000، استثمرت شركات BASF وCovestro وMitsui Chemicals وغيرها جهودًا كبيرة في أبحاث PDI، مع إطلاق أول منتجات PDI في السوق في 2015-2016. استخدمت شركة Wanhua Chemical شركة PDI ذات أساس حيوي تم إنتاجها من سيقان الذرة لتطوير منتج TPU من مادة خام ذات أساس حيوي بنسبة 100%. في الآونة الأخيرة، نجحت مجموعة Gansu Yinguang في الإنتاج التجريبي للدفعة الأولى من منتجات PDI المؤهلة بنقاء أعلى من 99.5%، مما حقق توطين منتجات PDI.
فيما يتعلق بالبوليولات ذات الأساس الحيوي، فهي تشمل بولي تتراهيدروفوران ذو الأساس الحيوي (المعروف أيضًا باسم بولي تترامثيلين إيثر جلايكول، PTMEG)، و1.4-بوتانيديول (BDO) ذو الأساس الحيوي، و1.3-بروبانديول (PDO) ذو الأساس الحيوي، وبوليولات البوليستر ذات الأساس الحيوي، وبوليولات البولي إيثر ذات الأساس الحيوي.
في الوقت الحالي، أطلق العديد من مصنعي مادة TPU مواد TPU ذات أساس حيوي والتي يمكن أن يتنافس أداءها بالفعل مع مواد TPU التقليدية المعتمدة على البترول. يكمن الاختلاف الرئيسي بين هذه المواد TPU ذات الأساس الحيوي في مستوى المحتوى الحيوي، بشكل عام بين 30%-40%، مع قدرة بعضها على تحقيق مستويات أعلى. بالمقارنة مع مادة TPU التقليدية القائمة على البترول، فإن مادة TPU ذات الأساس الحيوي تتمتع بمزايا مثل تقليل انبعاثات الكربون، والمواد الخام المستدامة والمتجددة، والإنتاج الأخضر، والحفاظ على الموارد. أطلقت BASF، وCovestro، وLubrizol، وWanhua Chemical، وMiracll Chemical، وما إلى ذلك، علاماتها التجارية الحيوية من مادة TPU. يعد الحد من الكربون والاستدامة أيضًا من الاتجاهات الرئيسية للتنمية المستقبلية لـ TPU.

باختصار، في مجال البحث والتطوير عالي الأداء الذي تركز عليه شركات المواد الكيميائية العالمية، تظل مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين مجالًا رئيسيًا وصعبًا يجب التغلب عليه، خاصة في مجالات التطبيقات الصعبة مثل شحن كابلات الأكوام. إن من Yinsu مثبطات اللهب WADP-10 القائمة على الفوسفور هي حلول مستهدفة تم تطويرها استجابة لهذه التحديات الصناعية. من خلال التركيب التآزري الفعال، فإنها تهدف إلى تحقيق تأثيرات مثبطة للهب ممتازة (مثل تصنيف UL94 V-0) مع مستويات إضافة منخفضة نسبيًا، مع زيادة الاحتفاظ بالقوة العالية المتأصلة لمصفوفة TPU والمتانة العالية وأداء المعالجة الجيد. إنها توفر دعمًا ماديًا مهمًا لتطوير مادة TPU المقاومة للهب الخالية من الهالوجين والتي تلبي احتياجات التطبيقات المتطورة.