À partir de la configuration mondiale des géants de la chimie, principales orientations futures du développement du TPU
Le TPU (Polyuréthane Thermoplastique) est un type d'élastomère thermoplastique appartenant à la classe des polyuréthanes. Il s'agit d'un copolymère bloc multiphasé composé de diisocyanate, de polyol et d'extenseur de chaîne. En tant qu'élastomère doté d'excellentes propriétés, le TPU a une très large gamme d'applications de produits en aval, étant largement utilisé dans les produits de première nécessité, les articles de sport, les jouets, les matériaux décoratifs et d'autres domaines, tels que les matériaux pour chaussures, les tuyaux, les fils et câbles, les dispositifs médicaux, etc.
Les principaux producteurs actuels de matières premières TPU comprennent BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical, Huafon Chemical, Shanghai Heng'an, Ruihua, Xuchuan Chemical et d'autres. Avec la configuration et l’expansion des capacités des entreprises nationales, l’industrie du TPU est devenue hautement compétitive. Cependant, les domaines d'application haut de gamme dépendent toujours des importations, domaine dans lequel des percées nationales sont nécessaires. Discutons des domaines d'application prometteurs des produits TPU à l'avenir.
1. E-TPU en mousse supercritique
En 2012, la société allemande Adidas et BASF ont développé conjointement la marque de chaussures de course Energy Boost, qui utilisait de la mousse de TPU (nom de marque Infinergy) comme matériau de semelle intermédiaire. Parce qu'elle utilise du TPU de type éther avec une dureté Shore A de 80-85 comme matériau de base, par rapport aux semelles intermédiaires EVA, la semelle intermédiaire en mousse TPU conserve une bonne élasticité et douceur même dans des environnements inférieurs à 0°C, améliorant ainsi le confort de port et gagnant une large acceptation sur le marché.
2. Composites TPU modifiés renforcés de fibres
Le TPU a une bonne résistance aux chocs, mais dans certaines applications, des matériaux avec un module élastique élevé et une rigidité très élevée sont nécessaires. Le renforcement en fibre de verre est un moyen technique courant pour améliorer le module élastique des matériaux. Grâce à la modification, des composites thermoplastiques présentant de nombreux avantages peuvent être obtenus, tels qu'un module d'élasticité élevé, une bonne isolation, une forte résistance à la chaleur, d'excellentes performances de récupération élastique, une bonne résistance à la corrosion, une résistance aux chocs, un faible coefficient de dilatation et une stabilité dimensionnelle. BASF a introduit une technologie dans un brevet pour préparer du TPU renforcé de fibres de verre à module élevé à l'aide de fibres de verre courtes. En utilisant du polytétraméthylène éther glycol (PTMEG, Mn = 1 000), du MDI, du 1,4-butanediol (BDO) mélangés avec du 1,3-propanediol comme matières premières pour synthétiser du TPU avec une dureté Shore D de 83, et en mélangeant ce TPU avec de la fibre de verre dans un rapport massique de 52:48, un matériau composite avec un module élastique de 18,3 GPa et une résistance à la traction atteignant 244 MPa peut être obtenu.
Outre la fibre de verre, des produits utilisant de la fibre de carbone mélangée à du TPU ont également été signalés, tels que le produit Tepex Dynalite de Lanxess et le panneau composite fibre de carbone/TPU Maezio de Covestro, dont le module d'élasticité peut atteindre 100 GPa avec une densité inférieure à celle du métal.
3. TPU ignifuge sans halogène
Le TPU a une résistance élevée, une ténacité élevée et une excellente résistance à l'usure, ce qui le rend très approprié pour les matériaux de gainage des fils et des câbles. Cependant, des performances ignifuges plus élevées sont requises dans des domaines d'application tels que le chargement des pieux. Il existe généralement deux manières d'améliorer le caractère ignifuge du TPU : l'une est la modification ignifuge réactive, qui implique l'introduction de matières premières ayant des fonctions ignifuges, telles que des polyols ou des isocyanates contenant du phosphore, de l'azote et d'autres éléments, par liaison chimique lors de la synthèse du TPU, l'autre est une modification ignifuge additive, qui implique un mélange en fusion du TPU comme matériau de base avec des ignifuges.
La modification réactive modifie la structure du TPU, mais lorsque la quantité d'additif ignifuge est importante, la résistance du TPU diminue et les performances de traitement se détériorent, l'ajout d'une petite quantité ne peut pas atteindre l'indice de retardateur de flamme requis. Actuellement, aucun produit commercialisé à haut pouvoir ignifuge qui répond réellement aux exigences des applications de pile de chargement n'a été vu.
L'ancien Bayer MaterialScience (maintenant Covestro) a introduit un jour un polyol organique contenant du phosphore (IHPO) à base d'oxyde de phosphine dans un brevet. Le TPU de type éther synthétisé à partir d'IHPO, de PTMEG-1000, de 4,4'-MDI et de BDO présentait un bon caractère ignifuge et d'excellentes propriétés mécaniques, avec un processus d'extrusion stable et une surface de produit lisse.
L'ajout de retardateurs de flamme sans halogène est actuellement la voie technique la plus courante pour préparer du TPU ignifuge sans halogène, utilisant généralement des retardateurs de flamme à base de phosphore, d'azote, de silicium et de bore en combinaison ou des hydroxydes métalliques comme retardateurs de flamme. Le TPU lui-même étant inflammable, la quantité de retardateur de flamme doit souvent être supérieure à 30 % pour former une couche ignifuge stable pendant la combustion. Cependant, lorsque la quantité de retardateur de flamme ajoutée est importante, la dispersion inégale du retardateur de flamme dans la matrice TPU conduit à des propriétés mécaniques insatisfaisantes du TPU retardateur de flamme, ce qui limite également la promotion de ses applications dans des domaines tels que les tuyaux flexibles, les films et les câbles.
Un brevet de BASF introduit une technologie TPU ignifuge qui utilise une combinaison de polyphosphate de mélamine et d'un dérivé de phosphinate contenant du phosphore comme ignifugeants, mélangés à du TPU ayant un poids moléculaire moyen supérieur à 150 kDa. Il a été constaté que cela améliore considérablement ses performances ignifuges tout en obtenant une résistance à la traction plus élevée.
Pour améliorer encore la résistance à la traction du matériau, un brevet BASF décrit une méthode de préparation d'un mélange maître contenant un agent de réticulation isocyanate. L'ajout de 2 % de ce mélange maître à une composition qui répond aux exigences d'ignifugation UL94 V-0 peut augmenter la résistance à la traction du matériau de 35 MPa à 40 MPa tout en maintenant l'ignifugation de niveau V-0.
Pour améliorer la résistance au vieillissement thermique du TPU ignifuge, un autre brevet de BASF décrit une méthode utilisant de l'hydroxyde métallique recouvert d'un revêtement en surface comme ignifuge. Pour améliorer la résistance à l'hydrolyse du TPU ignifuge, BASF, dans une autre demande de brevet, introduit du carbonate métallique en plus du retardateur de flamme mélamine.
4. TPU pour film de protection de peinture automobile
Le film de protection de peinture automobile est un film appliqué pour isoler la surface de la peinture de l'air, la protégeant contre les pluies acides, l'oxydation, les rayures et offrant une protection durable à la surface de la peinture. Sa fonction principale est de protéger la peinture de la voiture après l'installation. Le film de protection de peinture se compose généralement de trois couches : la surface est un revêtement auto-cicatrisant, la couche intermédiaire est un film polymère et la couche inférieure est un adhésif acrylique sensible à la pression. Le TPU est l'un des principaux matériaux de préparation du film polymère intermédiaire.
Les exigences de performance pour le TPU utilisé dans les films de protection de peinture sont les suivantes : résistance aux rayures, transparence élevée (transmission de la lumière > 95 %), flexibilité à basse température, résistance à haute température, résistance à la traction > 50 MPa, allongement > 400 % et plage de dureté Shore A de 87 à 93. La performance la plus importante est la résistance aux intempéries, à savoir la résistance au vieillissement UV, à la dégradation thermo-oxydante et à l'hydrolyse.
Actuellement, les produits matures sont des TPU aliphatiques préparés en utilisant du diisocyanate de dicyclohexylméthane (H12MDI) et du polycaprolactone diol comme matières premières. Le TPU aromatique ordinaire devient jaune après seulement un jour d'irradiation UV, tandis que le TPU aliphatique pour le PPF peut maintenir un indice de jaunissement avec peu de changement dans les mêmes conditions.
Le TPU de type polycaprolactone a des propriétés plus équilibrées par rapport aux TPU de type polyéther et de type polyester. D'une part, il présente l'excellente résistance à la déchirure du TPU de type polyester ordinaire, tout en montrant simultanément la faible déformation rémanente à la compression et la résilience élevée au rebond du TPU de type polyéther, trouvant ainsi une application largement répandue sur le marché.
En raison des différentes exigences en matière de rapports coût-performance après la segmentation du marché, et des améliorations apportées à la technologie de revêtement de surface et aux capacités d'ajustement de la formulation des couches adhésives, les TPU aliphatiques à base de H12MDI de type polyéther ou de type polyester ordinaire pourraient également avoir des opportunités d'application dans les films de protection de peinture à l'avenir.
5. TPU d'origine biologique
Les méthodes courantes de préparation de TPU d'origine biologique impliquent l'introduction de monomères ou d'intermédiaires d'origine biologique pendant la polymérisation, tels que des isocyanates d'origine biologique (par exemple, MDI, PDI), des polyols d'origine biologique, etc. Parmi eux, les isocyanates d'origine biologique sont moins courants sur le marché, tandis que les polyols d'origine biologique sont relativement courants.
Concernant les isocyanates d'origine biologique, dès 2000, BASF, Covestro, Mitsui Chemicals, etc. ont investi des efforts importants dans la recherche PDI, les premiers produits PDI étant lancés sur le marché en 2015-2016. Wanhua Chemical a utilisé du PDI biosourcé produit à partir de tiges de maïs pour développer un produit TPU à base de matière première 100 % biosourcée. Récemment, le groupe Gansu Yinguang a produit avec succès le premier lot de produits PDI qualifiés avec une pureté supérieure à 99,5 %, réalisant ainsi la localisation des produits PDI.
Concernant les polyols d'origine biologique, il s'agit notamment du polytétrahydrofuranne d'origine biologique (également connu sous le nom de polytétraméthylène éther glycol, PTMEG), du 1,4-butanediol (BDO) d'origine biologique, du 1,3-propanediol (PDO) d'origine biologique, des polyester polyols d'origine biologique et des polyols de polyéther d'origine biologique.
Actuellement, plusieurs fabricants de TPU ont lancé des TPU biosourcés dont les performances peuvent déjà rivaliser avec les TPU traditionnels à base de pétrole. La principale différence entre ces TPU biosourcés réside dans le niveau de contenu biosourcé, généralement compris entre 30 % et 40 %, certains pouvant atteindre des niveaux plus élevés. Par rapport au TPU traditionnel à base de pétrole, le TPU biosourcé présente des avantages tels que la réduction des émissions de carbone, des matières premières durables et renouvelables, une production verte et la conservation des ressources. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical, Miracll Chemical, etc. ont lancé leurs marques de TPU biosourcé. La réduction des émissions de carbone et la durabilité sont également des orientations clés du développement futur du TPU.
En résumé, dans le cadre de la R&D sur le TPU haute performance sur laquelle se concentrent les géants mondiaux de la chimie, l'ignifugation sans halogène reste un domaine clé et difficile à surmonter, en particulier dans les domaines d'application exigeants tels que les câbles pour piles de chargement. de Yinsu Le retardateur de flamme WADP-10 à base de phosphore est une solution ciblée développée en réponse à ces défis industriels. Grâce à une composition synergique efficace, ils visent à obtenir d'excellents effets ignifuges (tels que l'indice UL94 V-0) avec des niveaux d'addition relativement faibles, tout en maximisant la rétention de la haute résistance, de la ténacité élevée et des bonnes performances de traitement inhérentes à la matrice TPU. Ils fournissent un support matériel important pour le développement de TPU ignifuges sans halogène qui répondent aux besoins des applications haut de gamme.
