TPU ist ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer, ein mehrphasiges Blockcopolymer aus Diisocyanaten, Polyolen und Kettenverlängerern. Als Hochleistungselastomer bietet TPU vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und wird häufig in Produkten des täglichen Bedarfs, Sportgeräten, Spielzeug, Dekorationsmaterialien und anderen Bereichen wie Schuhmaterialien, Schläuchen, Kabeln, medizinischen Geräten usw. eingesetzt.
Zu den wichtigsten TPU-Rohstoffherstellern zählen derzeit BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Linghua Neue Materialienusw. Dank der Expansion und Kapazitätserweiterung inländischer Unternehmen ist die TPU-Industrie derzeit äußerst wettbewerbsfähig. Im High-End-Anwendungsbereich ist sie jedoch weiterhin auf Importe angewiesen, und auch hier muss China Durchbrüche erzielen. Lassen Sie uns über die zukünftigen Marktaussichten von TPU-Produkten sprechen.
1. Überkritisches Schäumen von E-TPU
Im Jahr 2012 entwickelten Adidas und BASF gemeinsam die Laufschuhmarke EnergyBoost, die geschäumtes TPU (Handelsname Infinergy) als Zwischensohlenmaterial verwendet. Durch die Verwendung von Polyether-TPU mit einer Shore-A-Härte von 80–85 als Substrat können geschäumte TPU-Zwischensohlen im Vergleich zu EVA-Zwischensohlen auch bei Temperaturen unter 0 °C eine gute Elastizität und Weichheit bewahren, was den Tragekomfort verbessert und auf dem Markt breite Anerkennung findet.
2. Faserverstärktes modifiziertes TPU-Verbundmaterial
TPU weist eine gute Schlagzähigkeit auf, für manche Anwendungen sind jedoch ein hoher Elastizitätsmodul und sehr harte Materialien erforderlich. Die Modifikation mit Glasfaserverstärkung ist eine häufig verwendete Technik zur Erhöhung des Elastizitätsmoduls von Materialien. Durch die Modifikation können thermoplastische Verbundwerkstoffe mit vielen Vorteilen wie hohem Elastizitätsmodul, guter Isolierung, hoher Hitzebeständigkeit, gutem Rückstellvermögen, guter Korrosionsbeständigkeit, Schlagzähigkeit, niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und Dimensionsstabilität erhalten werden.
BASF hat in ihrem Patent eine Technologie zur Herstellung von hochmoduligem, glasfaserverstärktem TPU unter Verwendung von Glasfaserkurzfasern vorgestellt. Ein TPU mit einer Shore-D-Härte von 83 wurde durch Mischen von Polytetrafluorethylenglykol (PTMEG, Mn=1000), MDI und 1,4-Butandiol (BDO) mit 1,3-Propandiol als Rohstoffe synthetisiert. Dieses TPU wurde mit Glasfasern im Massenverhältnis 52:48 vermischt, um einen Verbundwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul von 18,3 GPa und einer Zugfestigkeit von 244 MPa zu erhalten.
Neben Glasfasern gibt es auch Berichte über Produkte, bei denen TPU aus Kohlefaserverbundwerkstoffen verwendet wird, wie etwa die Maezio-Kohlefaser-/TPU-Verbundplatte von Covestro, die einen Elastizitätsmodul von bis zu 100 GPa und eine geringere Dichte als Metalle aufweist.
3. Halogenfreies, flammhemmendes TPU
TPU weist eine hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und weitere Eigenschaften auf, die es zu einem sehr geeigneten Mantelmaterial für Drähte und Kabel machen. In Anwendungsbereichen wie Ladestationen ist jedoch eine höhere Flammhemmung erforderlich. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die Flammhemmung von TPU zu verbessern. Eine davon ist die reaktive Flammschutzmodifizierung, bei der flammhemmende Materialien wie Polyole oder Isocyanate, die Phosphor, Stickstoff und andere Elemente enthalten, durch chemische Bindung in die TPU-Synthese eingebracht werden. Die zweite ist die additive Flammschutzmodifizierung, bei der TPU als Substrat verwendet und Flammschutzmittel zum Schmelzmischen hinzugefügt werden.
Durch reaktive Modifikation kann die Struktur von TPU verändert werden. Bei einer großen Menge an Flammschutzadditiv nimmt jedoch die Festigkeit des TPU ab, die Verarbeitungsleistung verschlechtert sich und durch die Zugabe einer kleinen Menge kann der erforderliche Flammschutzgrad nicht erreicht werden. Derzeit gibt es kein kommerziell erhältliches Produkt mit hohem Flammschutz, das den Anforderungen von Ladestationen wirklich gerecht wird.
Die ehemalige Bayer MaterialScience (heute Kostron) hat in einem Patent ein organisches phosphorhaltiges Polyol (IHPO) auf Phosphinoxidbasis vorgestellt. Das aus IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI und BDO synthetisierte Polyether-TPU weist hervorragende Flammschutzeigenschaften und mechanische Eigenschaften auf. Der Extrusionsprozess verläuft reibungslos, und die Oberfläche des Produkts ist glatt.
Die Zugabe halogenfreier Flammschutzmittel ist derzeit der am häufigsten verwendete technische Weg zur Herstellung halogenfreier flammhemmender TPU. In der Regel werden Flammschutzmittel auf Phosphor-, Stickstoff-, Silizium- oder Borbasis oder Metallhydroxide als Flammschutzmittel verwendet. Aufgrund der inhärenten Entflammbarkeit von TPU ist oft eine Flammschutzmittel-Füllmenge von über 30 % erforderlich, um bei der Verbrennung eine stabile Flammschutzschicht zu bilden. Bei einer großen Menge des zugesetzten Flammschutzmittels verteilt sich dieses jedoch ungleichmäßig im TPU-Substrat, und die mechanischen Eigenschaften des flammhemmenden TPU sind nicht optimal, was seine Anwendung und Förderung in Bereichen wie Schläuchen, Folien und Kabeln einschränkt.
Das BASF-Patent stellt eine flammhemmende TPU-Technologie vor, die Melaminpolyphosphat und ein phosphorhaltiges Phosphinsäurederivat als Flammschutzmittel mit TPU mit einem gewichtsdurchschnittlichen Molekulargewicht von über 150 kDa kombiniert. Es zeigte sich, dass die Flammschutzleistung deutlich verbessert wurde und gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit erreicht wurde.
Um die Zugfestigkeit des Materials weiter zu erhöhen, führt das BASF-Patent ein Verfahren zur Herstellung von isocyanathaltigen Vernetzer-Masterbatches ein. Durch Zugabe von 2 % dieses Masterbatches zu einer Zusammensetzung, die die Flammschutzanforderungen der Klasse UL94V-0 erfüllt, kann die Zugfestigkeit des Materials von 35 MPa auf 40 MPa erhöht werden, während die Flammschutzleistung der Klasse V-0 erhalten bleibt.
Um die Wärmealterungsbeständigkeit von flammhemmendem TPU zu verbessern, wurde das Patent vonLinghua New Materials Companystellt außerdem eine Methode zur Verwendung von oberflächenbeschichteten Metallhydroxiden als Flammschutzmittel vor. Um die Hydrolysebeständigkeit von flammhemmendem TPU zu verbessern,Linghua New Materials CompanyIn einer anderen Patentanmeldung wurde Metallcarbonat auf Basis der Zugabe von Melamin als Flammschutzmittel eingeführt.
4. TPU für Autolackschutzfolien
Autolackschutzfolien isolieren die Lackoberfläche nach der Montage von der Luft, verhindern sauren Regen, Oxidation und Kratzer und bieten langanhaltenden Schutz. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Autolackoberfläche nach der Montage zu schützen. Lackschutzfolien bestehen in der Regel aus drei Schichten: einer selbstheilenden Beschichtung auf der Oberfläche, einer Polymerfolie in der Mitte und einem Acryl-Haftklebstoff auf der unteren Schicht. TPU ist eines der Hauptmaterialien zur Herstellung von Polymerzwischenfolien.
Die Leistungsanforderungen an TPU, das in Lackschutzfolien verwendet wird, lauten wie folgt: Kratzfestigkeit, hohe Transparenz (Lichtdurchlässigkeit > 95 %), Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Zugfestigkeit > 50 MPa, Dehnung > 400 % und Shore-A-Härtebereich von 87–93; Die wichtigste Leistung ist die Wetterbeständigkeit, die Beständigkeit gegen UV-Alterung, thermischen oxidativen Abbau und Hydrolyse umfasst.
Die derzeit ausgereiften Produkte sind aliphatisches TPU, das aus den Rohstoffen Dicyclohexyldiisocyanat (H12MDI) und Polycaprolactondiol hergestellt wird. Gewöhnliches aromatisches TPU vergilbt nach einem Tag UV-Bestrahlung sichtbar, während aliphatisches TPU, das für Autofolien verwendet wird, seinen Vergilbungskoeffizienten unter denselben Bedingungen ohne nennenswerte Veränderungen beibehalten kann.
Poly (ε – Caprolacton) TPU weist im Vergleich zu Polyether- und Polyester-TPU eine ausgewogenere Leistung auf. Einerseits weist es die hervorragende Reißfestigkeit von gewöhnlichem Polyester-TPU auf, andererseits zeichnet es sich durch eine hervorragende bleibende Verformung bei geringer Kompression und eine hohe Rückfederung von Polyether-TPU aus und wird daher auf dem Markt häufig verwendet.
Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen an die Kosteneffizienz von Produkten nach der Marktsegmentierung besteht mit der Verbesserung der Oberflächenbeschichtungstechnologie und der Anpassungsfähigkeit der Klebstoffformel auch die Möglichkeit, Polyether oder gewöhnliches Polyester H12MDI-aliphatisches TPU künftig für Lackschutzfolien einzusetzen.
5. Biobasiertes TPU
Die gängige Methode zur Herstellung biobasierter TPU besteht darin, während des Polymerisationsprozesses biobasierte Monomere oder Zwischenprodukte einzuführen, beispielsweise biobasierte Isocyanate (wie MDI, PDI), biobasierte Polyole usw. Unter diesen sind biobasierte Isocyanate auf dem Markt relativ selten, während biobasierte Polyole häufiger vorkommen.
Im Bereich biobasierter Isocyanate haben BASF, Covestro und andere bereits im Jahr 2000 große Anstrengungen in die PDI-Forschung investiert, und die ersten PDI-Produkte kamen 2015/16 auf den Markt. Wanhua Chemical hat 100 % biobasierte TPU-Produkte entwickelt, die biobasiertes PDI aus Maisstroh verwenden.
Zu den biobasierten Polyolen gehören biobasiertes Polytetrafluorethylen (PTMEG), biobasiertes 1,4-Butandiol (BDO), biobasiertes 1,3-Propandiol (PDO), biobasierte Polyesterpolyole, biobasierte Polyetherpolyole usw.
Derzeit haben mehrere TPU-Hersteller biobasiertes TPU auf den Markt gebracht, dessen Leistung mit der von herkömmlichem petrochemischem TPU vergleichbar ist. Der Hauptunterschied zwischen diesen biobasierten TPUs liegt im Anteil biobasierter Materialien, der in der Regel zwischen 30 % und 40 % liegt, wobei einige sogar höhere Anteile erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichem petrochemischem TPU bieten biobasierte TPUs Vorteile wie die Reduzierung von CO2-Emissionen, die nachhaltige Regeneration von Rohstoffen, eine umweltfreundliche Produktion und Ressourcenschonung. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical undLinghua Neue Materialienhaben ihre biobasierten TPU-Marken auf den Markt gebracht, und auch in Zukunft sind Kohlenstoffreduzierung und Nachhaltigkeit wichtige Richtungen für die TPU-Entwicklung.
Beitragszeit: 09.08.2024