TPUはポリウレタン熱可塑性エラストマーであり、ジイソシアネート、ポリオール、鎖延長剤からなる多相ブロック共重合体です。高性能エラストマーとして、TPUは幅広い下流製品分野を有し、日用品、スポーツ用品、玩具、装飾材料、靴材料、ホース、ケーブル、医療機器など、様々な分野で広く使用されています。
現在、主なTPU原料メーカーとしては、BASF、コベストロ、ルーブリゾール、ハンツマン、万華化学などが挙げられます。凌華新素材などなど。国内企業の進出と生産能力の拡大により、TPU業界は現在、高い競争力を備えています。しかし、ハイエンド用途分野では依然として輸入に依存しており、中国が躍進を遂げなければならない分野でもあります。TPU製品の今後の市場展望についてお話ししましょう。
1. 超臨界発泡E-TPU
2012年、アディダスとBASFは共同でランニングシューズブランド「EnergyBoost」を開発しました。このブランドは、ミッドソール素材に発泡TPU（商品名：インフィナジー）を採用しています。基材にショアA硬度80～85のポリエーテルTPUを使用しているため、EVAミッドソールと比較して、0℃以下の環境でも優れた弾力性と柔らかさを維持でき、履き心地を向上させることで市場で広く認知されています。
2. 繊維強化改質TPU複合材料
TPUは優れた耐衝撃性を備えていますが、用途によっては、高い弾性率と非常に硬い材料が求められます。ガラス繊維強化改質は、材料の弾性率を高めるために一般的に用いられる技術です。改質により、高い弾性率、優れた絶縁性、優れた耐熱性、優れた弾性回復性能、優れた耐腐食性、耐衝撃性、低い膨張係数、寸法安定性など、多くの利点を備えた熱可塑性複合材料が得られます。
BASFは、ガラス短繊維を用いた高弾性率ガラス繊維強化TPU（TPU）製造技術を特許で発表した。ポリテトラフルオロエチレングリコール（PTMEG、Mn=1000）、MDI、1,4-ブタンジオール（BDO）を1,3-プロパンジオールに混合し、ショアD硬度83のTPUを合成した。このTPUをガラス繊維と質量比52:48で複合することで、弾性率18.3GPa、引張強度244MPaの複合材料が得られた。
ガラス繊維に加えて、最大100GPaの弾性率と金属よりも低い密度を持つCovestroのMaezio炭素繊維/ TPU複合板など、炭素繊維複合TPUを使用した製品も報告されています。
3. ハロゲンフリー難燃性TPU
TPUは高強度、高靭性、優れた耐摩耗性などの特性を備えており、電線・ケーブルのシース材として非常に適しています。しかし、充電ステーションなどの応用分野では、より高い難燃性が求められています。TPUの難燃性を向上させるには、一般的に2つの方法があります。1つは反応性難燃改質法で、リン、窒素などの元素を含むポリオールやイソシアネートなどの難燃性材料を化学結合によりTPUの合成に導入する方法です。もう1つは添加性難燃改質法で、TPUを基材として難燃剤を添加し、溶融混合する方法です。
反応改質はTPUの構造を変化させることができますが、添加する難燃剤の量が多いとTPUの強度が低下し、加工性能も低下し、少量の添加では必要な難燃レベルを達成できません。現在、充電ステーションの用途に真に適合する高難燃性製品は市販されていません。
旧バイエルマテリアルサイエンス（現コストロン）は、ホスフィンオキシドをベースとした有機リン含有ポリオール（IHPO）を特許で発表しました。IHPO、PTMEG-1000、4,4'-MDI、BDOから合成されたポリエーテルTPUは、優れた難燃性と機械特性を有し、押出成形プロセスはスムーズで、製品表面も滑らかです。
ハロゲンフリー難燃剤の添加は、現在、ハロゲンフリー難燃性TPUを製造するための最も一般的な技術的ルートです。一般的には、リン系、窒素系、シリコン系、ホウ素系などの難燃剤を配合するか、金属水酸化物を難燃剤として使用します。TPUは本質的に可燃性であるため、燃焼時に安定した難燃層を形成するには、30％以上の難燃剤充填量が必要になることがよくあります。しかし、添加する難燃剤の量が多いと、難燃剤がTPU基材中に不均一に分散し、難燃性TPUの機械特性が理想的ではなくなり、ホース、フィルム、ケーブルなどの分野への応用と普及にも制限が生じます。
BASFの特許は、メラミンポリリン酸とリン含有ホスフィン酸誘導体を難燃剤として、重量平均分子量150kDaを超えるTPUに配合する難燃性TPU技術を紹介しています。これにより、高い引張強度を達成しながら、難燃性能が大幅に向上することがわかりました。
材料の引張強度をさらに高めるため、BASFの特許では、イソシアネートを含む架橋剤マスターバッチの調製方法が紹介されています。UL94V-0難燃性要件を満たす組成物にこのマスターバッチを2%添加することで、V-0難燃性を維持しながら、材料の引張強度を35MPaから40MPaに向上させることができます。
難燃性TPUの耐熱老化性を向上させるために、凌華新材料会社また、表面コーティングされた金属水酸化物を難燃剤として用いる方法も紹介されている。難燃性TPUの耐加水分解性を向上させるために、凌華新材料会社別の特許出願ではメラミン難燃剤の添加をベースとした金属炭酸塩を導入した。
4. 自動車用塗装保護フィルム用TPU
自動車用ペイントプロテクションフィルムは、施工後に塗装面を空気から遮断し、酸性雨、酸化、傷を防ぎ、塗装面を長期間保護する保護フィルムです。主な機能は、施工後の塗装面を保護することです。ペイントプロテクションフィルムは一般的に3層構造で、表面に自己修復コーティング、中間層にポリマーフィルム、最下層にアクリル系粘着剤が塗布されています。TPUは、中間ポリマーフィルムを製造するための主要な材料の一つです。
ペイント保護フィルムに使用されるTPUの性能要件は次のとおりです。耐傷性、高透明性（光透過率> 95%）、低温柔軟性、耐高温性、引張強度> 50MPa、伸び> 400%、ショアA硬度範囲87〜93。最も重要な性能は耐候性で、これには紫外線老化、熱酸化劣化、加水分解に対する耐性が含まれます。
現在成熟している製品は、ジシクロヘキシルジイソシアネート（H12MDI）とポリカプロラクトンジオールを原料とする脂肪族TPUです。一般的な芳香族TPUは紫外線照射1日後には明らかに黄変しますが、カーラップフィルムに使用される脂肪族TPUは、同じ条件下でも黄変率に大きな変化がなく、良好な状態を維持します。
ポリ（ε-カプロラクトン）TPUは、ポリエーテルTPUやポリエステルTPUと比較して、よりバランスの取れた性能を備えています。一般的なポリエステルTPUの優れた引裂き強度と、ポリエーテルTPUの優れた低圧縮永久変形特性、そして高い反発性能を併せ持つため、市場で広く使用されています。
市場細分化後の製品コスト効率に対する要求の違いにより、表面コーティング技術と接着剤配合調整能力の向上により、将来的にはポリエーテルまたは通常のポリエステルH12MDI脂肪族TPUがペイント保護フィルムに適用される可能性もあります。
5. バイオベースTPU
バイオベース TPU を製造するための一般的な方法は、重合プロセス中にバイオベースイソシアネート (MDI、PDI など)、バイオベースポリオールなどのバイオベースモノマーまたは中間体を導入することです。その中でも、バイオベースイソシアネートは市場では比較的まれですが、バイオベースポリオールはより一般的です。
バイオ由来イソシアネートに関しては、2000年代初頭からBASF、コベストロなどがPDI研究に多大な労力を注ぎ込み、最初のPDI製品は2015年から2016年に市場に投入されました。万華化学は、トウモロコシの茎葉から作られたバイオ由来PDIを用いた100%バイオ由来TPU製品を開発しました。
バイオベースポリオールとしては、バイオベースポリテトラフルオロエチレン（PTMEG）、バイオベース1,4-ブタンジオール（BDO）、バイオベース1,3-プロパンジオール（PDO）、バイオベースポリエステルポリオール、バイオベースポリエーテルポリオールなどが含まれます。
現在、複数のTPUメーカーがバイオベースTPUを発売しており、その性能は従来の石油化学系TPUに匹敵します。これらのバイオベースTPUの主な違いは、バイオベース含有量にあります。一般的には30%から40%ですが、中にはそれ以上の含有量を達成しているものもあります。従来の石油化学系TPUと比較して、バイオベースTPUは、二酸化炭素排出量の削減、原材料の持続可能な再生、グリーン生産、資源保全などの利点があります。BASF、コベストロ、ルーブリゾール、万華化学、そして凌華新素材バイオベースのTPUブランドを立ち上げており、炭素削減と持続可能性も将来のTPU開発の重要な方向性です。
投稿日時: 2024年8月9日