TPU未來發展的關鍵方向

TPU（熱塑性聚氨酯）是一種聚氨酯熱塑性彈性體，是由二異氰酸酯、多元醇和擴鏈劑組成的多相嵌段共聚物。作為一種高性能彈性體，TPU具有廣泛的下游產品應用方向，廣泛應用於日用品、運動器材、玩具、裝飾材料等領域，例如鞋材、軟管、電纜、醫療器材等。

目前，主要的TPU原料生產商包括巴斯夫、科思創、路博潤、亨斯邁、萬華化學等。菱華新材料等等。隨著國內企業佈局和產能的擴張，TPU產業目前競爭非常激烈。然而，在高階應用領域，TPU仍依賴進口，這也是中國需要突破的領域。接下來，我們來談談TPU產品的未來市場前景。

1. 超臨界發泡E-TPU

2012年，阿迪達斯與巴斯夫共同開發了跑鞋品牌EnergyBoost，品牌採用發泡TPU（商品名為infinergy）作為中底材質。由於其基材為邵氏A硬度80-85的聚醚TPU，與EVA中底相比，發泡TPU中底即使在0℃以下的環境下也能保持良好的彈性和柔軟度，從而提升穿著舒適度，並獲得了市場的廣泛認可。
2. 纖維增強改質TPU複合材料

TPU具有良好的抗衝擊性，但在某些應用中，需要高彈性模量和高硬度的材料。玻璃纖維增強改質是提高材料彈性模量的常用方法。透過改性，可以獲得具有高彈性模量、良好的絕緣性、優異的耐熱性、良好的彈性回復性能、良好的耐腐蝕性、抗衝擊性、低膨脹係數和尺寸穩定性等諸多優點的熱塑性複合材料。

巴斯夫在專利中介紹了一種利用玻璃短纖維製備高模量玻璃纖維增強TPU的技術。技術以聚四氟乙二醇（PTMEG，Mn=1000）、二甲基二異氰酸酯（MDI）、1,4-丁二醇（BDO）和1,3-丙二醇為原料，混合合成邵氏D硬度為83的TPU。將此TPU與玻璃纖維依質量比52:48複合，得到彈性模量為18.3 GPa、拉伸強度為244 MPa的複合材料。

除了玻璃纖維外，還有報導稱，部分產品使用碳纖維複合TPU，例如科思創的Maezio碳纖維/TPU複合板，其彈性模量高達100GPa，密度比金屬低。
3. 無鹵阻燃TPU

TPU具有高強度、高韌性、優異的耐磨性等特性，是電線電纜理想的護套材料。但在充電站等應用領域，對阻燃性能的要求更高。提高TPU阻燃性能的方法通常有兩種：一是反應型阻燃改性，即將含有磷、氮等元素的多元醇或異氰酸酯等阻燃劑透過化學鍵合引入TPU合成過程中；二是添加型阻燃改性，即以TPU為基材，熔融共混添加阻燃劑。

反應改質可以改變TPU的結構，但添加阻燃劑用量過大會導致TPU強度下降、加工性能變差，而添加量過小又無法達到所需的阻燃等級。目前市面上尚無真正能夠滿足充電站應用需求的商用高阻燃產品。

原拜耳材料科技公司（現為科創通）曾申請專利，並公開了一種以氧化膦為基礎的含磷有機多元醇（IHPO）。由IHPO、PTMEG-1000、4,4'-MDI和BDO合成的聚醚TPU具有優異的阻燃性和機械性能。擠出工藝流暢，產品表面光滑。

添加無鹵阻燃劑是目前製備無鹵阻燃TPU最常用的技術方法。通常以磷基、氮基、矽基、硼基阻燃劑或金屬氫氧化物作為阻燃劑。由於TPU本身俱有易燃性，通常需要添加30%以上的阻燃劑才能在燃燒過程中形成穩定的阻燃層。然而，當阻燃劑添加量過大時，阻燃劑在TPU基材中分散不均勻，導致阻燃TPU的機械性能不佳，從而限制了其在軟管、薄膜、電纜等領域的應用和推廣。

巴斯夫的專利介紹了一種阻燃TPU技術，該技術將三聚氰胺聚磷酸鹽和含磷的膦酸衍生物作為阻燃劑，與重均分子量大於150kDa的TPU混合。研究發現，該技術在顯著提高阻燃性能的同時，也實現了高拉伸強度。

為了進一步提高材料的拉伸強度，巴斯夫的專利介紹了一種製備含異氰酸酯交聯劑母料的方法。在符合UL94V-0阻燃要求的組合物中添加2%的此類母料，可在維持V-0阻燃性能的同時，將材料的拉伸強度從35MPa提高到40MPa。

為了提高阻燃TPU的耐熱老化性能，該專利凌華新材料公司此外，也介紹了一種利用表面塗覆金屬氫氧化物作為阻燃劑的方法。為了提高阻燃TPU的耐水解性能，凌華新材料公司在另一項專利申請中，以添加三聚氰胺阻燃劑為基礎，引入了金屬碳酸鹽。

4. 用於汽車漆面保護膜的TPU

汽車漆面保護膜是一種安裝後能將漆面與空氣隔絕的保護膜，可有效防止酸雨、氧化和刮擦，為漆面提供持久保護。其主要功能是安裝後保護汽車漆面。漆面保護膜通常由三層組成：最外層為自修復塗層，中間層為聚合物薄膜，最底層為丙烯酸壓敏膠。 TPU是製備中間聚合物薄膜的主要材料之一。

用於漆面保護膜的TPU的性能要求如下：耐刮擦性、高透明度（透光率>95%）、低溫柔韌性、耐高溫性、拉伸強度>50MPa、伸長率>400%、邵氏A硬度範圍為87-93；最重要的性能是耐候性，包括耐紫外線老化、耐熱氧化和耐水解。

目前成熟的產品是以二環己基二異氰酸酯（H12MDI）和聚己內酯二醇為原料製備的脂肪族TPU。普通芳香族TPU在紫外線照射一天後就會明顯泛黃，而用於汽車貼膜的脂肪族TPU在相同條件下黃變係數基本上保持不變。
與聚醚型和聚酯型TPU相比，聚己內酯型TPU具有更均衡的效能。一方面，它具備普通聚酯型TPU優異的抗撕裂性能；另一方面，它也展現出聚醚型TPU優異的低壓縮永久變形和高回彈性能，因此在市場上廣泛應用。

由於市場區隔後對產品成本效益的要求不同，隨著表面塗層技術和黏合劑配方調整能力的提高，未來聚醚或普通聚酯 H12MDI 脂肪族 TPU 也有可能應用於油漆保護膜。

5. 生物基TPU

製備生物基TPU的常用方法是在聚合過程中引入生物基單體或中間體，例如生物基異氰酸酯（如MDI、PDI）、生物基多元醇等。其中，生物基異氰酸酯在市場上相對少見，而生物基多元醇則較為常見。

就生物基異氰酸酯而言，早在2000年，巴斯夫、科思創等公司就投入大量精力進行PDI研究，第一批PDI產品於2015-2016年推出市場。萬華化工利用玉米秸稈製成的生物基PDI，開發了100%生物基TPU產品。

就生物基多元醇而言，包括生物基聚四氟乙烯（PTMEG）、生物基1,4-丁二醇（BDO）、生物基1,3-丙二醇（PDO）、生物基聚酯多元醇、生物基聚醚多元醇等。

目前，多家TPU生產商已推出生物基TPU，其性能可與傳統的石油基TPU相媲美。這些生物基TPU的主要差異在於生物基含量，通常在30%至40%之間，部分產品的生物基含量甚至更高。與傳統的石油基TPU相比，生物基TPU具有減少碳排放、原料永續再生、綠色生產和資源節約等優點。巴斯夫、科思創、路博潤、萬華化學等公司均已推出生物基TPU產品。菱華新材料他們推出了生物基TPU品牌，碳減量和永續性也是TPU未來發展的關鍵方向。