TPUマスターバッチは、高い比率の顔料と、よく分散し、押出され、ペレット化された熱可塑性ポリウレタンエラストマー（TPU）から構成される新しいポリマー材料です。TPUマスターバッチに選択された樹脂は、着色剤に対する良好な湿潤効果と分散効果を持ち、着色材との相性が良好です。TPU自体は、高張力、高引張強度、靭性、耐老化性などの優れた特性を有し、成熟した環境に優しい材料です。

分類

TPUマスターバッチ、別名熱可塑性ポリウレタンエラストマーマスターバッチは、さまざまな分類基準に従ってさまざまな種類に分類することができます。以下は、一般的な分類方法と特定の種類を示しています。

ソフトセグメント構造による分類

ポリエステルTPUマスターバッチ：柔らかいセグメントはポリエステルポリオールから構成されており、高い強度、耐摩耗性、耐油性、優れた水解抵抗性、低温性能を備えています。靴底、自動車内装部品など、高い強度と耐摩耗性が必要な製品の製造に適しています。

ポリエーテルTPUマスターバッチ：柔らかいセグメントはポリエーテルポリオールから構成されています。その優れた特徴は、優れた水酸化抵抗性、柔軟性、低温性能であり、湿気の多い環境でも優れた性能安定性を維持できます。一般に、防水・通気性フィルム、ワイヤーおよびケーブルのシース、その他の製品の製造に使用されます。

ポリカプロラクトンタイプTPUマスターバッチ：柔らかいセグメントはポリカプロラクトンポリオールをベースにしており、優れた総合性能、良好な生体適合性、低温での柔軟性、および加工性能を備えています。医療分野における医療用カテーテル、人工臓器などに適用でき、環境にやさしい製品にも使用できます。

硬さによって分類

低硬度TPUマスターバッチ：硬度は通常Shore A 60以下です。柔らかさと良好な弾力性を備え、心地よいタッチを提供するため、携帯電話ケース、ヨガマットなど、柔らかいタッチが必要な製品の製造に適しています。

中硬度のTPUマスターバッチ：Shore A 60～90の硬度。このタイプのTPUマスターバッチは、一定の強度と耐摩耗性、そして良好な弾性と柔軟性を備え、総合的な性能が比較的バランスがとれたものです。幅広い用途があり、スポーツシューズの底、自動車シールなどの製造に使用できます。

高硬度TPUマスターバッチ：硬度はShore A 90以上で、Shore D 80程度にも達することがあります。高い剛性、強度、耐摩耗性を持ち、一部のエンジニアリングプラスチックに代替できます。ギヤ、ベアリングなど、極めて高い硬度と耐摩耗性を要求する製品の製造に使用されます。

機能別分類

難燃性TPUマスターバッチ：難燃剤を添加することで改良され、優れた難燃性を持ち、さまざまな火災安全基準を満たすことができます。高い耐火性が必要なワイヤーやケーブル、電子機器のケースなどの分野で広く使用されています。

静電気防止用TPUマスターバッチ：静電気防止剤を添加し、表面抵抗が低く、静電気の蓄積を効果的に防ぎ、静電気による害を回避できます。電子部品のパッケージング、無塵作業場の用品、その他の分野で重要な用途があります。

耐候性に優れたTPUマスターバッチ：特殊な配合設計と添加物の改良により、優れた紫外線耐性と耐老化性を備え、長期間の屋外使用後でも安定した性能を維持できます。屋外の日よけ、自動車の外装部品、その他の製品の製造に適しています。

生分解性TPUマスターバッチ：通常のTPUをベースに、生分解性成分や構造を導入し、自然環境で微生物によって分解されるようにします。これにより、環境保護の要件を満たすことができます。環境に優しい性質が高い要件を持つ分野、たとえば使い捨て包装材料や農業用フィルムなどで使用できます。

フォーミュラ比

TPUマスターバッチの異なる種類の比率は、特定の性能要件、適用シナリオ、および生産プロセスによって異なります。以下は、一般的なTPUマスターバッチのいくつかの種類の概算比率範囲と関連説明です。

ポリエステル TPU マスターバッチ

原材料の組成と比率

ポリエステルポリオール：40％～60％。柔らかなセグメントを提供する主要成分であり、その相対分子量と構造はTPUの性能に影響します。一般的に、相対分子量は1000～3000です。

イソシアナート: 15% -30%。一般に使用されるものは、トルエンジイソシアナート（TDI）、ジフェニルメタンジイソシアナート（MDI）などです。これらはポリエステルポリオールと反応してウレタン結合を形成し、TPUの硬質セグメントの構造と特性を決定する主要原料となります。

チェーンエクステンダー：10％～20％、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオールなど。ポリエステルポリオールとイソシアナートを結合して線状のポリマー鎖を形成し、分子量とポリマー強度を向上させるために使用されます。

添加剤：0.5％～5％（抗酸化剤、光安定剤、潤滑剤などを含む）。TPUの加工性、耐候性、安定性を向上させるために使用されます。

ポリエーテルTPUマスターバッチ

原材料の組成と比率

ポリエーテルポリオール: 45% -65%で、柔らかいセグメントの主成分です。ポリエーテルポリオールの相対分子量は通常2000〜4000であり、TPUには優れた柔軟性、水解抵抗性、低温性能があります。

イソシアン酸: ポリエステルTPUと同様に、一般的に使用されるMDIまたはTDIなどの15%～30%。その投与量は、ポリエーテルポリオールのヒドロxyl含量と必要な硬質セグメント含量に基づいて決定されます。

チェーン拡張剤: 10% -20% 程度。具体的なポリエター構造および性能要件に応じて、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、またはアルコール拡張剤などのアミン拡張剤が使用できます。

添加剤: 0.5% -5% (ポリエステルTPUと同様)、酸化防止剤、光安定剤などを添加し、製品の性能を向上させます。

難燃性 TPU マスターバッチ

原材料の組成と比率

基本 TPU: 70% -90%で、ポリエステルまたはポリエーテル TPU であり、基質として基本的な機械的および加工特性を提供します。

難燃性: 10% -30%。さまざまな難燃性要件に応じて、リンベースの難燃剤、ハロゲンベースの難燃剤、窒素ベースの難燃剤などを選択するか、複合難燃剤を使用して、より優れた難燃性効果と総合的な性能を実現します。

シナジー効果を発揮する添加剤: 0〜5% (例えば、三酸化アンチモン) は、難燃剤と併用すると、難燃効率を向上させ、使用する難燃剤の量を減らし、材料の特性を改善することができます。

静電気防止TPUマスターバッチ

原材料の組成と比率

基本 TPU: ポリエステルまたはポリエーテル TPU から成り、80% -95%

静電気防止剤: 5% -20%。一般的に使用される静電気防止剤には、四次元アンモニウム塩、スルホン酸塩、ポリエーテルなどがあります。添加量は、必要な静電気防止等級と基本的なTPUの性能によって異なります。

耐候性に優れたTPUマスターバッチ

原材料の組成と比率

基本 TPU: 85% -95%、さまざまな種類の TPU が使用できます。

光安定剤：0.5％～5％の阻害アミン光安定剤（HALS）、紫外線吸収剤などは、紫外線を効果的に吸収または消去し、TPUの分子鎖が光の下で劣化するのを防ぎます。

抗酸化剤：0.5％～5％。光安定剤と相乗的に作用し、TPUの酸化抵抗性を向上させ、長期間使用することで酸化による老化を防ぎます。

なお、上記の比率は大まかな範囲に過ぎず、実際の生産では、特定の製品要件、生産設備、および工程に応じて最適化および調整する必要があり、優れた性能を持つTPUマスターバッチ製品を得ることができます。

生産プロセス

TPUマスターバッチの生産プロセスには主に二つの方法があります。前ポリマー化法と一段階法です。以下にそれぞれの詳細をご紹介します。

プレポリマー製造プロセス

1. 原料の準備：ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、イソシアナート、チェーンエクステンダー、各種添加剤などの原料を正確に計量します。原料の純度と品質は製品の性能に大きく影響するため、製造法に従って厳密に選定および検査する必要があります。

2. 前ポリマー化反応：ポリエステルポリオールまたはポリエーテルポリオールを反応容器に入れ、一定の温度（通常110～120℃）で真空脱水処理を行い、原料から水分を除去します。次にイソシアネートを加えて、攪拌条件下で前ポリマー化反応を行います。反応温度は80～100℃で制御され、反応時間は原料の種類と製品要件に応じて異なりますが、通常2～4時間で、末端にイソシアネート基を有する前ポリマーが生成されます。

3. チェーン拡張反応：プレポリマーを別の反応容器に移し、チェーンエクステンダーを加えて、一定の温度（例えば 70〜90 ℃）でチェーン拡張反応を行い、分子鎖をさらに増やし、特定の分子量と特性を有する TPU ポリマーを形成します。チェーン拡張の反応時間は通常 1〜3 時間です。

4. 後処理: 反応が完了すると、TPUポリマーをエクストラーダを通してペレットに押出し、水または空気冷却を行うと、TPUマスターバッチが得られます。顆粒化プロセス中に、抗酸化剤や光安定剤などの適切な添加物を、製品の性能と安定性を向上させるために必要に応じて加えることができます。

ワンステップメソッド

1. 原料混合：ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、イソシアナート、チェーンエクステンダー、添加剤を配合比に従って正確に量り、高速ミキサーに入れて徹底的に混合します。

2. 反応押出：混合された原料をツインスクリュー押出機に直接投入します。押出機の加熱および切断作用により、原料間で化学反応が起こり、ポリマーの合成と押出粒化プロセスが完了します。押出機の温度分布は重要であり、一般的に供給部からヘッドに向かって徐々に上昇し、各部の温度は150〜220℃の間で制御されます。押出プロセス中、スクリュー速度や原料供給速度などのパラメーターを制御することにより、安定した性能を有するTPUマスターバッチを得るために反応が完全に行われます。

3. 冷却顆粒化：押出されたTPU溶融物を金型を通してストリップ状に押出し、その後、水または空気冷却装置で冷却して形状を整え、さらに顆粒化装置で所定のサイズの粒子に切断して、TPUマスターバッチを得る。

どちらのプロセスもそれぞれの利点と欠点を持っています。前ポリマー化生産プロセスは、比較的制御が容易で、製品品質が安定しているため、高性能で高付加価値のTPU製品を生産するのに適しています。しかし、プロセスフローが長く、設備投資が大きいです。一段階プロセスはシンプルで効率的でコスト効果が高いですが、高品質の原料が必要であり、生産プロセスを制御することが困難です。一般的な性能のTPU製品を生産するのに適しています。

生産設備

TPUマスターバッチを生産するための装置には、反応容器、押出機、混合機などが含まれます。以下に具体的な紹介をします。

反応装置

反応器：前ポリマー化生産における前ポリマー化反応および鎖延長反応に使用されます。通常、攪拌装置、加熱・冷却システムが装備されており、反応が所定の温度で均一な物質混合条件下で行われるようにします。反応釜の材質は一般的にステンレス鋼で、一定の圧力と温度に耐えることができ、優れた耐食性を有します。

真空システム：反応釜と一致しており、原料の脱水および反応プロセス中に真空環境を作り出し、反応によって生成される水分と小分子の副産物を除去し、製品の品質を向上させます。

ミキシング機器

高速ミキサー：単一工程生産で原料を混合するために使用され、ポリエステルポリオール、イソシアン酸エステル、チェーンエクステンダー、添加剤、その他の原料を短時間で均一に混合することができます。高速回転する攪拌刃により、強力な攪拌を通じて原料を完全に混合します。

静的ミキサー：エクストラーダの給入口またはバレルに設置でき、エクストラクションプロセス中の材料の混合効果をさらに高め、反応をより均一にし、製品の一貫性を向上させることができます。

押出造粒設備

ツインスクリュー押出機：これは、TPUマスターバッチ生産のための重要な設備のひとつです。前ポリマー化法と一段階法の両方で使用する必要があります。この機器には、強力なせん断力と輸送能力を備えた二つの連動するスクリューがあり、押出プロセス中に材料を完全に混合し、反応させ、プラスチケ化することができます。スクリューの回転速度、温度分布、供給速度などのパラメーターを調整することで、製品の品質と性能を制御できます。

グラナレーター：エクストラーダと共に使用され、エクストラーダで押し出されたTPUストリップを所定のサイズの粒子にカットします。一般的なカット方法には、熱カットと冷カットがあります。熱カット方法は高粘度のTPU溶融物に適していますが、冷カット方法はさまざまな粘度の材料に適しています。適切なカット機械は、製品要件と生産プロセスに応じて選択できます。

付属機器

原料貯蔵タンク：ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、イソシアナート、およびその他の原料を保管するために使用され、通常、保温、攪拌、および計量機能を備え、原料の安定性と正確な供給を確保します。

測定装置：電子秤、流量計などを含み、さまざまな原材料の入力量を正確に測定し、製品の品質の安定性と一貫性を確保します。

冷却装置：押出されたTPUストリップを冷却し、形状を整えるために使用される冷却水タンク、空気冷却装置など。これにより、ストリップは素早く粒子に固化します。冷却効果は粒子の外観と性能に直接影響を与えるため、生産速度と製品要件に応じて合理的に設計する必要があります。

包装設備：生産されたTPUマスターバッチを包装するために使用され、通常、自動測定包装機、シーリング機、およびその他の設備が含まれており、製品の定量包装と密封包装を実現し、保管と輸送を容易にします。

関連する要件

TPUマスターバッチ（熱可塑性ポリウレタンエラストマー）の生産には、プラスチケーション、混合、温度制御などにおいて、エクストラーダに特殊な要件があります。具体的には、以下のとおりです。

プラスチケ化能力

ねじの設計：TPUは高い弾性と粘着性を有するため、ねじは優れたプラスチケーション効果を発揮する必要があります。通常、グラデーションねじが使用され、圧縮部が長く、徐々に高まる圧力と温度の下でTPU材料を均一にプラスチケーションします。TPUが完全にプラスチケーションするために十分な長さを確保するために、ねじのアスペクト比は一般的に20〜25です。さらに、ねじの溝の深さとヘリックス角度も、TPUの特性に応じて最適化する必要があります。通常、溝の深さは浅く、ヘリックス角度は大きく設定され、材料のせん断と摩擦を増加させ、プラスチケーション効率を向上させます。

ドライブ電力: TPUのプラスチケーションに必要な高いエネルギー消費量のため、エクストラーダには適切な電力駆動モーターが必要です。50～300キログラム/時間のエキストラクション速度を持つエクストラーダでは、スクリューの安定した回転、材料抵抗の克服、および良好なプラスチケーション効果を実現するために、駆動電力は通常15～55キロワット程度です。

混合分散性能

効率的な混合部品：TPUマスターバッチとTPUマトリクスを均一に混合するために、エクストラーダのねじに効率的な混合部品を設置する必要があります。たとえば、バリアタイプのねじや混合ピン付きのねじを使用すると、材料の乱流レベルが高まり、混合効果が向上します。同時に、ねじに複数の練りブロックを設定し、異なる角度と配置の練りブロックの組み合わせを使用して、材料を複数回のせん断と混合することで、添加剤をTPUに均一に分散させることができます。

分散対策の強化：ナノスケールの充填剤など、分散が困難な添加剤については、エクストラーダに静的ミキサーを装備することができます。静的ミキサーは、バレル内またはエクストラーダのヘッドの前部に設置され、材料流れの過程で混合および分散効果をさらに高め、添加剤がTPUマスターバッチ内で安定した均一なシステムを形成することを確実にします。

温度制御の精度

正確な温度制御システム：TPUマスターバッチの生産プロセスにおいて、温度は製品の品質に大きな影響を与えます。エクストルーダーには高精度の温度制御システムが必要であり、一般的には電気加熱または熱油加熱の方法を使用し、熱電対や熱抵抗体などの温度センサーを通じて各加熱セクションの温度をリアルタイムに監視します。温度制御の精度は±1℃以内に保たなければなりません。これにより、TPUが溶融、混合、および押出プロセス中に適切な温度範囲内にあり、温度変動による製品性能の低下、硬さの変化、弾力性の低下などを防げます。

冷却システム：TPUマスターバッチの押出後、マスターバッチの接着や変形を防ぐために、冷却装置を通じて温度を迅速に下げる必要があります。押出機には、ヘッドと押出されたマスターバッチを冷却するために、通常、空気または水冷却システムが装備されています。空気冷却システムでは、熱を除去するためにファンを使用して空気の流れを強制し、水冷却システムでは、冷却のために循環させた水を使用します。冷却速度は、生産速度とマスターバッチの仕様に応じて調整できます。

圧力安定性

安定した押出圧力: 安定した押出圧力は、TPUマスターバッチのサイズと外観品質の均一性を確保する上で重要な要素です。押出機の油圧システムまたは機械伝達システムは、圧力変動を一般的に±3%以内に制御できるようにし、押出時に材料の均一な流れ速度を維持することで、直径と長さの精度が高いTPUマスターバッチを生成できます。

圧力調整装置：さまざまな生産プロセスや製品要件に対応するため、エクストラーダには柔軟な圧力調整装置が必要です。オペレーターは、ねじのバックプレッシャーを調整するか、油圧システムの圧力パラメータを変更するか、マシンヘッドのスロットル装置を調整することで、押出圧力を正確に調整できます。たとえば、硬さや弾力性が異なるTPUマスターバッチの生産では、押出圧力を適切に調整することで、材料の流動性と成形効果を最適化し、製品の品質と性能を向上させることができます。

材料輸送の安定性

正確な供給: TPUマスターバッチの生産には、さまざまな材料の添加量を正確に制御する必要があります。そのため、エクストラーダの供給装置には高精度の供給装置を使用する必要があります。一般的な減量供給装置は、設定された添加量に従ってTPU原料、添加剤、その他の材料をエクストラーダに正確に供給できます。同時に、供給装置には、材料漏れや不均一な供給を防ぐために優れた密閉性と安定性が必要です。これにより、生産プロセス中で材料の正確な配分が可能になります。

ねじの運搬精度：ねじの加工精度と組み立て品質は、物質の運搬安定性に大きな影響を与えます。ねじのピッチと直径の公差は、通常、ピッチ公差が±0.05ミリメートル以内、直径公差が±0.03ミリメートル以内に制御される必要があり、物質がねじ溝内で安定して運搬され、物質の滞留や変動を防ぐ必要があります。さらに、ねじとバレルの間の隙間は均一で一貫してなければなりません。隙間が大きすぎると、物質の逆流を引き起こし、運搬効率に影響を与える可能性があります。隙間が小すぎると、過度の物質切断やねじ摩耗を引き起こす可能性があります。

腐食防止と耐摩耗性

腐食に強い材料: TPUの製造プロセスでは、特定の触媒や添加剤などの腐食性添加剤が使用される場合があります。そのため、材料と接触するエクストラーダのバレルやねじなどの部品は、腐食に強い材料で作られています。バレルは通常、ステンレス鋼で内装を施したり、腐食に強いコーティングを塗布することで保護されます。一方、ねじは、優れた腐食防止性を有する合金鋼を使用し、表面を硬質クロムめっきや無電解ニッケルめっきなどの処理により腐食防止性を高め、設備の寿命を延ばすことができます。

耐摩耗設計：TPUの伸縮性と硬さにより、押出加工中にネジとバレルに大きな摩耗が発生します。設備の耐摩耗性を向上させるため、ネジとバレルの表面には高い硬度と耐摩耗性が必要です。適切な材料を選択するだけでなく、特殊な熱処理（焼き戻しや回熱）を施すことで、ネジとバレルの表面硬度を向上させることができます。さらに、給送部やバレルの摩耗しやすい部分に耐摩耗ライナーを設置し、定期的に交換することで、設備のメンテナンスコストを削減することができます。

自動制御と監視

高度な制御システム：最新のTPUマスターバッチ生産用エクストルーダーには、通常、PLC（プログラマブルロジックコントローラ）やDCS（分散制御システム）などの高度な自動化制御システムが搭載されています。これらのシステムにより、エクストルーダーの温度、圧力、スクリュースピード、材料流量などのパラメーターをリアルタイムで監視し、正確に制御することができます。オペレーターは、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）を介して生産パラメーターを簡単に設定および調整し、生産プロセスを監視および管理し、生産効率と製品の品質安定性を向上させることができます。

障害診断と警告：自動化制御システムには、障害診断と警告機能も備わるべきです。システムは、装置の動作状態をリアルタイムで監視できます。高温、異常な圧力、モーターの過負荷などの異常な状況が発生した場合、迅速にアラーム信号を発し、機械を停止したり、生産速度を低下させたりするなどの対応的な保護措置を自動的に実行します。同時に、システムは障害情報を記録することで、メンテナンス担当者が障害を迅速に特定して解決し、装置の停止時間を削減し、生産の継続性と信頼性を向上させることができます。

アプリケーション

TPUマスターバッチは、優れた耐摩耗性、耐油性、弾力性、低温性能を備えているため、複数の分野で幅広い用途があります。主な適用分野には以下のものがあります。

靴の素材

ソール：TPUマスターバッチを使用すると、ソールに優れた弾力性、耐摩耗性、耐破損性をもたらし、快適な履き心地と長い耐用年数を実現します。同時に、EVA、ゴムなどの他の材料と混合して、さまざまな性能特性を持つ靴のソールを製造することもできます。

靴の素材アクセサリー：靴のヒール、バックル、靴ひも、その他のアクセサリーを作るために使用され、高い強度と良好な柔軟性を活用して、靴の素材の耐久性と美観を高めます。

自動車産業

自動車インテリア：TPUマスターバッチは、車のシートアームレスト、ヘッドレスト、インストゥルメントパネルなどのインテリアパーツの素材として使用できます。柔らかな手触り、優れた耐傷性、耐薬品性を備え、車内の快適さと高級感を高めることができます。

Automotive exterior: used to manufacture exterior components such as car bumpers, mudguards, and window seals. Due to its excellent weather resistance and impact resistance, it can withstand different weather conditions and external impacts, protect the body of the vehicle, and maintain the integrity of the vehicle’s appearance.

自動車用ホース：TPUマスターバッチ製造のホースは、優れた油性抵抗、耐腐食性、および柔軟性を備え、自動車の燃料管、冷却水管、ブレーキオイル管などに使用でき、自動車の配管システムの安全かつ安定した運転を可能にします。

ワイヤーとケーブル

絶縁被覆: TPUマスターバッチは優れた電気絶縁性能、耐摩耗性、耐低温性を備えており、ワイヤーやケーブルの絶縁被覆材として使用できます。これにより、ワイヤーやケーブル内の導体を外部環境の影響から保護し、ワイヤーやケーブルの寿命と安全性を向上させることができます。

特殊ケーブル：ロボットケーブル、新エネルギー車両充電ケーブルなどの分野では、TPUマスターバッチは優れた性能により、柔軟性、曲げ強度、耐候性に関するケーブルの厳しい要件を満たすことができます。

薄膜およびシート

包装用フィルム：TPUマスターバッチから製造されたフィルムは、優れた柔軟性、透明性、および穿刺耐性を備えており、食品、医薬品、日用品などの包装に使用できます。これにより、製品を保護し、優れたディスプレイ効果を発揮できます。

防水・通気性フィルム：TPUフィルムは独自の防水・通気性を備えており、スポーツウェア、アウトドア用品などに防水・通気性の層を作ることができます。これにより、衣服は防水性を維持しながら、人体から発生する汗蒸気を排出することができ、快適さを維持します。

シート：TPUシートは、優れた機械特性と耐化学性を活用して、さまざまな産業部品、ガスケット、シールなどを製造することができ、さまざまな産業分野のアプリケーションニーズに対応します。

医療分野

医療用チューブ: TPUマスターバッチは生体適合性があり、柔軟性が高いため、カテーテル、気管内チューブ、血管カテーテルなどのさまざまな医療用チューブの製造に使用でき、人体内での医療機器の安全な使用を確保します。

医療用品アクセサリー：ケース、ハンドル、ボタンなどのアクセサリーや、プロテシックやオーソティックスなどのリハビリテーション機器の一部の部品を製造するために使用され、快適な操作性と優れた耐久性を提供します。