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、および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は幅広い製品用途があり、日用品、スポーツ用品、玩具、装飾材料、靴材、ホース、ケーブル、医療機器など、さまざまな分野で広く使用されています。
現在、主なTPU原料メーカーには、BASF、Covestro、Lubrizol、Huntsman、Wanhua Chemical、凌華新素材など。国内企業のレイアウトと生産能力の拡大により、TPU業界は現在非常に競争力があります。しかし、ハイエンドのアプリケーション分野では、依然として輸入に依存しており、これは中国が突破口を開く必要がある分野でもあります。TPU製品の将来の市場見通し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、ミッドソール素材に発泡TPU（商標名：インフィナジー）を使用したランニングシューズブランド「エナジーブースト」を共同開発しました。基材としてショアA硬度80～85のポリエーテルTPUを使用しているため、発泡TPUミッドソールはEVAミッドソールと比較して、0℃以下の環境下でも優れた弾力性と柔らかさを維持でき、履き心地が向上し、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有していますが、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る場合があります。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手法です。この改質により、高い弾性率、優れた絶縁性、高い耐熱性、優れた弾性回復性能、優れた耐腐食性、耐衝撃性、低い熱膨張係数、寸法安定性など、多くの利点を持つ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の製造技術を特許で発表した。原料として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-プロパンジオールと混合し、ショアD硬度83のTPUを合成した。このTPUを質量比52:48でガラス繊維と複合化することで、弾性率18.3 GPa、引張強度244 MPaの複合材料を得た。
ガラス繊維に加えて、炭素繊維複合TPUを使用した製品も報告されており、例えばコベストロ社のMaezio炭素繊維/TPU複合板は、最大100GPaの弾性率を持ち、金属よりも密度が低い。
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いるため、電線やケーブルの被覆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用途分野では、より高い難燃性が求められます。TPUの難燃性を向上させる方法は、一般的に2つあります。1つは反応性難燃剤改質で、リン、窒素、その他の元素を含むポリオールやイソシアネートなどの難燃剤を化学結合によってTPUの合成に導入する方法です。もう1つは添加剤難燃剤改質で、TPUを基材として難燃剤を添加して溶融混合する方法です。
反応性改質によってTPUの構造を変化させることは可能ですが、難燃剤の添加量が多いとTPUの強度が低下し、加工性能が劣化します。また、添加量が少ないと必要な難燃レベルを達成できません。現状では、充電ステーションの用途に真に合致する高難燃性製品は市販されていません。
かつてバイエル・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）を特許で発表した。IHPO、PTMEG-1000、4,4'-MDI、および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的特性を示す。押出成形プロセスはスムーズで、製品表面も滑らかである。
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手法である。一般的に、リン系、窒素系、シリコン系、ホウ素系の難燃剤を配合するか、金属水酸化物を難燃剤として用いる。TPUは本来可燃性であるため、燃焼時に安定した難燃層を形成するには、30%以上の難燃剤を添加する必要がある場合が多い。しかし、難燃剤の添加量が多いと、TPU基材中に難燃剤が不均一に分散し、難燃性TPUの機械的特性が理想的ではなくなるため、ホース、フィルム、ケーブルなどの分野での応用や普及が制限される。
BASFの特許は、重量平均分子量が150kDaを超えるTPUに、難燃剤としてメラミンポリリン酸塩とホスフィン酸のリン含有誘導体をブレンドした難燃性TPU技術を紹介するものである。この技術により、高い引張強度を維持しながら、難燃性能が大幅に向上することが確認された。
BASFの特許では、材料の引張強度をさらに向上させるため、イソシアネートを含む架橋剤マスターバッチの製造方法が紹介されている。UL94V-0の難燃性要件を満たす組成物にこのタイプのマスターバッチを2%添加することで、V-0の難燃性能を維持しながら、材料の引張強度を35MPaから40MPaに向上させることができる。
難燃性TPUの耐熱老化性を向上させるために、特許は霊華新材料有限公司また、表面コーティングされた金属水酸化物を難燃剤として使用する方法も紹介する。難燃性TPUの加水分解耐性を向上させるために、霊華新材料有限公司別の特許出願では、メラミン系難燃剤を添加することを基本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
自動車用塗装保護フィルムは、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、施工後に自動車の塗装面を保護することです。塗装保護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感圧接着剤が塗布されています。TPUは、中間ポリマーフィルムの製造に使用される主要な材料の一つです。
塗装保護フィルムに使用されるTPUの性能要件は以下のとおりです。耐擦傷性、高透明性（光透過率95%以上）、低温柔軟性、耐高温性、引張強度50MPa以上、伸び400%以上、ショアA硬度87～93。最も重要な性能は耐候性であり、これには紫外線劣化、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して製造される脂肪族TPUである。通常の芳香族TPUは紫外線照射後1日で目に見えて黄色に変色するが、自動車用ラッピングフィルムに使用される脂肪族TPUは、同じ条件下でも黄変係数に大きな変化なく維持できる。
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。一方では、一般的なポリエステルTPUの優れた引裂抵抗性を発揮し、他方では、ポリエーテルTPUの優れた低圧縮永久変形性と高反発性能も兼ね備えているため、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、表面コーティング技術の向上、接着剤配合の調整能力の向上に伴い、将来的にはポリエーテルや一般的なポリエステルH12MDI脂肪族TPUが塗装保護フィルムに適用される可能性もある。
5. バイオベースTPU
バイオベースTPUを製造する一般的な方法は、重合プロセス中にバイオベースモノマーまたは中間体（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）を導入することです。これらのうち、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年頃からBASF、コベストロなどがPDIの研究に多大な努力を注ぎ込み、2015年から2016年にかけて最初のPDI製品が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を使用した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に関しては、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、一般的に30%から40%の範囲ですが、中にはさらに高い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、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、資源の保全などの利点があります。BASF、Covestro、Lubrizol、Wanhua Chemical、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、炭素排出量の削減と持続可能性も、今後のTPU開発における重要な方向性となっている。
投稿日時：2024年8月9日