El TPU es un elastómero termoplástico de poliuretano, un copolímero de bloques multifásico compuesto por diisocianatos, polioles y extensores de cadena. Como elastómero de alto rendimiento, el TPU tiene una amplia gama de aplicaciones y se utiliza en artículos de uso diario, equipamiento deportivo, juguetes, materiales decorativos y otros campos, como calzado, mangueras, cables, dispositivos médicos, etc.
En la actualidad, los principales fabricantes de materia prima de TPU incluyen BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman, Wanhua Chemical,Nuevos materiales Linghuay así sucesivamente. Con la expansión de la capacidad y la infraestructura de las empresas nacionales, la industria del TPU es actualmente muy competitiva. Sin embargo, en el ámbito de las aplicaciones de alta gama, aún depende de las importaciones, un área en la que China necesita lograr avances significativos. Analicemos las perspectivas futuras del mercado de productos de TPU.
1. E-TPU espumado supercrítico
En 2012, Adidas y BASF desarrollaron conjuntamente la marca de zapatillas para correr EnergyBoost, que utiliza TPU espumado (nombre comercial infinergy) como material de la entresuela. Gracias al uso de TPU de poliéter con una dureza Shore A de 80-85 como sustrato, en comparación con las entresuelas de EVA, las entresuelas de TPU espumado mantienen una buena elasticidad y suavidad incluso a temperaturas inferiores a 0 ℃, lo que mejora la comodidad y goza de un amplio reconocimiento en el mercado.
2. Material compuesto de TPU modificado reforzado con fibra
El TPU posee buena resistencia al impacto, pero en algunas aplicaciones se requieren materiales con un módulo elástico elevado y gran dureza. La modificación mediante refuerzo con fibra de vidrio es una técnica común para aumentar el módulo elástico de los materiales. Mediante esta modificación, se pueden obtener materiales compuestos termoplásticos con numerosas ventajas, como un módulo elástico elevado, buen aislamiento térmico, alta resistencia al calor, buena recuperación elástica, buena resistencia a la corrosión, resistencia al impacto, bajo coeficiente de expansión y estabilidad dimensional.
BASF ha presentado en su patente una tecnología para la preparación de TPU reforzado con fibra de vidrio de alto módulo mediante fibras cortas de vidrio. Se sintetizó un TPU con una dureza Shore D de 83 mediante la mezcla de politetrafluoroetilenglicol (PTMEG, Mn=1000), MDI y 1,4-butanodiol (BDO) con 1,3-propanodiol como materias primas. Este TPU se combinó con fibra de vidrio en una proporción de masa de 52:48 para obtener un material compuesto con un módulo elástico de 18,3 GPa y una resistencia a la tracción de 244 MPa.
Además de la fibra de vidrio, también existen informes de productos que utilizan TPU compuesto de fibra de carbono, como el tablero compuesto de fibra de carbono/TPU Maezio de Covestro, que tiene un módulo elástico de hasta 100 GPa y una densidad menor que la de los metales.
3. TPU ignífugo libre de halógenos
El TPU posee alta resistencia, gran tenacidad, excelente resistencia al desgaste y otras propiedades que lo convierten en un material de revestimiento muy adecuado para cables y alambres. Sin embargo, en aplicaciones como las estaciones de carga, se requiere una mayor resistencia a la llama. Generalmente, existen dos maneras de mejorar el rendimiento ignífugo del TPU. Una es la modificación reactiva ignífuga, que consiste en introducir materiales ignífugos como polioles o isocianatos que contienen fósforo, nitrógeno y otros elementos en la síntesis del TPU mediante enlaces químicos; la segunda es la modificación ignífuga aditiva, que consiste en utilizar el TPU como sustrato y añadir retardantes de llama para la mezcla en estado fundido.
La modificación reactiva puede alterar la estructura del TPU, pero cuando la cantidad de retardante de llama añadido es elevada, la resistencia del TPU disminuye, el rendimiento del procesamiento se deteriora y, con una pequeña cantidad, no se alcanza el nivel de resistencia al fuego requerido. Actualmente, no existe en el mercado ningún producto altamente ignífugo que cumpla plenamente con los requisitos para su aplicación en estaciones de carga.
La antigua Bayer MaterialScience (ahora Kostron) presentó en una patente un poliol orgánico que contenía fósforo (IHPO) basado en óxido de fosfina. El TPU de poliéter sintetizado a partir de IHPO, PTMEG-1000, 4,4'-MDI y BDO exhibe excelentes propiedades ignífugas y mecánicas. El proceso de extrusión es sencillo y la superficie del producto es lisa.
La adición de retardantes de llama libres de halógenos es actualmente la ruta técnica más común para la preparación de TPU ignífugo libre de halógenos. Generalmente, se utilizan retardantes de llama a base de fósforo, nitrógeno, silicio o boro, o bien hidróxidos metálicos. Debido a la inflamabilidad inherente del TPU, a menudo se requiere una cantidad de retardante de llama superior al 30 % para formar una capa ignífuga estable durante la combustión. Sin embargo, cuando la cantidad de retardante de llama añadida es elevada, este se dispersa de forma desigual en el sustrato de TPU, y las propiedades mecánicas del TPU ignífugo no son óptimas, lo que limita su aplicación y promoción en campos como mangueras, películas y cables.
La patente de BASF introduce una tecnología de TPU ignífuga que combina polifosfato de melamina y un derivado de ácido fosfínico que contiene fósforo como retardantes de llama con TPU de peso molecular promedio ponderado superior a 150 kDa. Se observó una mejora significativa en el rendimiento ignífugo, al tiempo que se lograba una alta resistencia a la tracción.
Para mejorar aún más la resistencia a la tracción del material, la patente de BASF introduce un método para preparar un concentrado de agente reticulante que contiene isocianatos. Al añadir un 2 % de este tipo de concentrado a una composición que cumple con los requisitos de resistencia a la llama UL94V-0, se puede aumentar la resistencia a la tracción del material de 35 MPa a 40 MPa, manteniendo el rendimiento de resistencia a la llama V-0.
Para mejorar la resistencia al envejecimiento térmico del TPU ignífugo, la patente deCompañía de Nuevos Materiales LinghuaTambién introduce un método para utilizar hidróxidos metálicos recubiertos superficialmente como retardantes de llama. Para mejorar la resistencia a la hidrólisis del TPU retardante de llama,Compañía de Nuevos Materiales LinghuaEn otra solicitud de patente, se introdujo el carbonato metálico a partir de la adición de un retardante de llama de melamina.
4. TPU para película protectora de pintura automotriz
La película protectora para pintura de automóviles es una lámina que, tras su instalación, aísla la superficie pintada del aire, previene la lluvia ácida, la oxidación y los arañazos, y proporciona una protección duradera. Su función principal es proteger la pintura del coche. Generalmente, la película protectora consta de tres capas: una capa superficial autorreparable, una capa intermedia de polímero y una capa inferior de adhesivo acrílico sensible a la presión. El TPU es uno de los materiales principales para la elaboración de las capas intermedias de polímero.
Los requisitos de rendimiento para el TPU utilizado en películas de protección de pintura son los siguientes: resistencia al rayado, alta transparencia (transmitancia de luz > 95 %), flexibilidad a bajas temperaturas, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la tracción > 50 MPa, elongación > 400 % y rango de dureza Shore A de 87-93; el rendimiento más importante es la resistencia a la intemperie, que incluye la resistencia al envejecimiento por rayos UV, la degradación termooxidativa y la hidrólisis.
Los productos actualmente consolidados son los TPU alifáticos preparados a partir de diisocianato de diciclohexilo (H12MDI) y diol de policaprolactona como materias primas. El TPU aromático convencional se torna visiblemente amarillo tras un día de irradiación UV, mientras que el TPU alifático utilizado para películas de revestimiento de automóviles mantiene su coeficiente de amarilleamiento sin cambios significativos en las mismas condiciones.
El TPU de poli(ε-caprolactona) presenta un rendimiento más equilibrado en comparación con el TPU de poliéter y poliéster. Por un lado, exhibe la excelente resistencia al desgarro del TPU de poliéster convencional, mientras que, por otro lado, demuestra una deformación permanente por compresión mínima y un alto rendimiento de rebote propios del TPU de poliéter, lo que explica su amplia aceptación en el mercado.
Debido a los diferentes requisitos de rentabilidad del producto tras la segmentación del mercado, y gracias a la mejora de la tecnología de recubrimiento de superficies y la capacidad de ajuste de la fórmula adhesiva, también existe la posibilidad de que en el futuro se aplique TPU alifático H12MDI de poliéter o poliéster ordinario a las películas de protección de pintura.
5. TPU de base biológica
El método habitual para preparar TPU de base biológica consiste en introducir monómeros o intermedios de base biológica durante el proceso de polimerización, como isocianatos de base biológica (por ejemplo, MDI, PDI), polioles de base biológica, etc. Entre ellos, los isocianatos de base biológica son relativamente escasos en el mercado, mientras que los polioles de base biológica son más comunes.
En lo que respecta a los isocianatos de origen biológico, ya en el año 2000, BASF, Covestro y otras empresas invirtieron grandes esfuerzos en la investigación de PDI, y el primer lote de productos PDI se lanzó al mercado entre 2015 y 2016. Wanhua Chemical ha desarrollado productos TPU 100% de origen biológico utilizando PDI de origen biológico elaborado a partir de rastrojo de maíz.
En lo que respecta a los polioles de origen biológico, se incluyen el politetrafluoroetileno (PTMEG) de origen biológico, el 1,4-butanodiol (BDO) de origen biológico, el 1,3-propanodiol (PDO) de origen biológico, los polioles de poliéster de origen biológico, los polioles de poliéter de origen biológico, etc.
Actualmente, varios fabricantes de TPU han lanzado TPU de base biológica, cuyo rendimiento es comparable al del TPU tradicional basado en productos petroquímicos. La principal diferencia entre estos TPU de base biológica radica en el nivel de contenido biológico, que generalmente oscila entre el 30% y el 40%, y algunos incluso alcanzan niveles superiores. En comparación con el TPU tradicional basado en productos petroquímicos, el TPU de base biológica tiene ventajas como la reducción de las emisiones de carbono, la regeneración sostenible de materias primas, la producción ecológica y la conservación de recursos. BASF, Covestro, Lubrizol, Wanhua Chemical yNuevos materiales LinghuaHan lanzado sus marcas de TPU de base biológica, y la reducción de emisiones de carbono y la sostenibilidad son también direcciones clave para el desarrollo del TPU en el futuro.
Fecha de publicación: 9 de agosto de 2024