Thermoplastic polyurethane
Il poliuretano termoplastico
Come molti altri materiali plastici che hanno avuto origine dalle prime polimerizzazioni degli anni '30, anche il poliuretano termoplastico (TPU) è parte della vita quotidiana di tutti. Infatti questo materiale, che nasce dalla polimerizzazione di un diolio e un isocianato, dà luogo a numerose applicazioni in ogni ambito.
La versatilità del TPU è data dalle possibilità di intervenire sulla qualità dei legami fisici del polimero e ottenere miscele adattabili a molteplici usi. Nella catena del poliuretano termoplastico, formata da un'alternanza di segmenti rigidi e flessibili, è possibile variare in modo preciso la qualità delle sequenze. Si ottengono così materiali più o meno morbidi e si calibra la durezza o la resistenza agli urti, abrasioni e strappi, oppure agli agenti atmosferici e chimici. A queste caratteristiche si aggiungono la facilità nella lavorazione e la possibilità di essere sottoposto a processi successivi come sterilizzazione, saldatura, verniciatura, stampa o taglio. Proprio la versatilità del poliuretano termoplastico fa prevedere una ulteriore crescita di richiesta nei prossimi cinque anni di circa il 7% annuo. L'industria maggiormente interessata sarà sicuramente quella calzaturiera perché la scarpa ha numerosi componenti realizzati in TPU. Ma anche tutta l'impiantistica vedrà crescere la domanda di poliuretani termoplastici soprattutto nei paesi asiatici che stanno consolidando e incrementando le loro infrastrutture industriali.
La grande conoscenza del materiale e dei processi di produzione del TPU ha fatto di Covestro è uno dei referenti a livello mondiale per le aziende che desiderano elastomeri termoplastici facilmente lavorabili con vari metodi di stampaggio, che possiedano elevata durata e flessibilità, e siano ideali per una numerosa gamma di applicazioni.
Il TPU: un materiale versatile
Il segmento morbido del TPU può essere un poliolio di tipo polietere o poliestere. Il poliestere conferisce al TPU buone proprietà di trazione e di flessione, resistenza all'abrasione, ai solventi e alle alte temperature. Tuttavia non è resistente all'idrolisi. Al contrario il polietere sopporta bene il contatto con l'acqua e con l'aria, mantiene flessibilità anche a basse temperature e ha una buona resistenza allo strappo e alla trazione.
Si comprende come al variare dei precursori della miscela polimerica variano anche le caratteristiche fisiche e chimiche. Per questo Covestro collabora attivamente con le aziende per ottenere un elastomero termoplastico che risponde esattamente alle richieste di produzione per un determinato componente, in una consolidata pratica di vicinanza ai propri partner commerciali e di continua ricerca di prodotti innovativi.
Le caratteristiche fisiche e chimiche del poliuretano termoplastico di alta qualità
Dal punto di vista meccanico Covestro ha TPU caratterizzati da una resistenza elevata alla trazione e alla rottura che può competere, se non superare, con la durata degli acciai di alta qualità. Sono stati messi a punto materiali resistenti allo strappo e come alla propagazione della lacerazione.
La resistenza agli agenti chimici influenza la scelta del materiale soprattutto nella costruzione di componentistica che deve essere a contatto con fluidi specifici come acidi o soluzioni alcaline, idrocarburi saturi, idrocarburi aromatici, oli e grassi lubrificanti e solventi. Può essere testata anche la resistenza ai microbi, all'idrolisi, ai raggi UV e all'ozono. In questo ambito i poliuretani mostrano comportamenti assai variabili che devono essere attentamenti valutati di volta in volta.
Se il calore è il metodo per modellare gli elastomeri attraverso estrusione o stampaggio a iniezione, la successiva tenuta alle temperature può rappresentare un discrimine nella scelta delle miscele polimeriche. Per prevederne le prestazioni, il TPU viene sottoposto a numerosi stress test. I termoplastici di maggiore qualità si espandono con l'aumento della temperatura ma si contraggono nuovamente quando la temperatura scende ritornando alla forma originaria. Se il poliuretano viene rinforzato con fibra di vetro si assiste a un'espansione di appena il 20%, con un coefficiente di dilatazione termica che diventa simile e quello dell'alluminio o dell'acciaio.
Come gli altri composti organici, anche i poliuretani sono combustibili. L'infiammabilità è condizionata dalle condizioni ambientali come la concentrazione di ossigeno o lo spessore del materiale. In media il TPU di alta qualità ha una temperatura di accensione compresa tra 350 e 400 °C e una temperatura di autoaccensione compresa tra 450 e 600 °C e rispetta lo standard internazionale ISO 3795 (FMVSS 302) del settore automobilistico.
TPU ad alte prestazioni per uso medicale
I poliuretani termoplastici in genere si presentano con un aspetto opaco quasi lattiginoso. Alcuni elastomeri riescono a mantenere la trasparenza se il componente non supera i 2 millimetri, e anche in questo caso la trasparenza dipende dalle condizioni di lavoro in cui si trova. Anche il poliolio determina le proprietà ottiche: i TPU in polietere tendono ad essere più trasparenti dei TPU in poliestere. In alcune applicazioni è indispensabile la trasparenza unita alla flessibilità del poliuretano. Si pensi ai film protettivi che devono mantenere un aspetto inalterato nel tempo o ancor più ai componenti per attrezzature mediche. In questo settore i poliuretani termoplastici offrono una combinazione unica di diverse proprietà che si posizionano tra la gomma e i materiali termoplastici rigidi. Covestro ha in portfolio un TPU specifico per attrezzature mediche. Le miscele studiate presentano trasparenza eccellente tenuta chimica ai detergenti e ai processi di sterilizzazione, trasparenza e resistenza all'ingiallimento per effetto dei raggi UV. È possibile variarne la flessibilità per essere utilizzato in dispositivi medici e alloggiamenti di componenti, nonché connettori. La variante a base poliestere trova valida applicazione come rivestimento per impugnature morbide al tatto o per estrusione di tubi e condotti sanitari. Se a base polietere, ha maggiore tenuta all'idrolisi ed è perfetto per tubi rinforzati e cannule ma anche per pellicole dedicate alla somministrazione transdermica di medicinali.
Poliuretano termoplastico a bassa impronta carbonio
La diffusione del poliuretano termoplastico nelle applicazioni di uso quotidiano sta spingendo i consumatori finali a chiedere prodotti sempre più sicuri e sostenibili. Interni di automobili, tessuti, scarpe, apparecchi medici: tutti questi oggetti contengono poliuretano termoplastico e spesso sono a diretto contatto con la pelle. Sostituire materie prime fossili con altre provenienti da fonti rinnovabili è un concetto che si sta facendo strada nei mercati e che porta vantaggi competitivi tangibili alle aziende attente a questa richiesta. Covestro è un pioniere nella ricerca di materiali polimerici sostenibili e l'attenzione ai valori ambientali e all'economia circolare è parte fondante della sua visione e della sua missione. Il nuovo poliuretano termoplastico biobased utilizza fino al 60% di materie prime rinnovabili (la variabilità è data dalla durezza richiesta), in particolare sono provenienti da biomasse l'acido succinico e il propandiolo. Pur mantenendo le prestazioni di un TPU a base fossile, anche in termini di resistenza a oli, grassi e solventi, questo nuovo materiale riduce l'impronta di carbonio del 20%. È un altro tassello per una produzione chimica che rispetti i principi dell'economia circolare, come spiega Thorsten Dreier, responsabile attività TPU e film di Covestro:
"A lungo termine Covestro vuole orientare la sua intera produzione e l'offerta di prodotti al concetto circolare. Un aspetto cruciale di questo programma è il maggiore utilizzo di materie prime alternative, ad esempio ottenute da biomassa, in linea con le richieste dei nostri clienti".