Патентний ландшафт TPU: полімер, який пережив власні патенти
Термопластичний поліуретан — найстаріший термоеластопласт у промисловості: базовій хімії поліуретанів у 2027 році виповниться дев'яносто. Усі фундаментальні патенти давно спливли, але патентна активність навколо TPU не згасла — вона змінила і географію, і предмет боротьби. Ми пройшлися відкритими патентними базами й зібрали ключові документи 1937–2023 років, щоб побачити, хто і що захищає навколо TPU сьогодні — і що з цього випливає для переробника.
Суть за 30 секунд Поліуретанова хімія народилася в листопаді 1937 року (DE728981C, група Отто Баєра в I.G. Farbenindustrie), а TPU як клас — у 1959-му (US2871218A, Чарльз Шолленбергер, B.F. Goodrich). Обидва патенти давно в суспільному надбанні, тож купівля, компаундування й переробка серійного TPU ліцензійних питань не породжують. Патентна боротьба перемістилася з хімії на рецептури й форму організації матеріалу: спінені бісерні TPU, армовані склаволокном марки, матеріали для 3D-друку, безізоціанатна хімія. У нашій курованій вибірці з 18 документів американські й китайські публікації представлені порівну (6 і 6), причому всі китайські — молодші за 2007 рік.
Яку задачу освітлює цей ландшафт
TPU — унікальна позиція в матеріалознавстві: еластомер, який переробляється як термопласт. Литтям, екструзією, а останнє десятиліття — і 3D-друком. Для інженера це матеріал зносостійких коліс і роликів, ущільнень, кабельних оболонок, шлангів, взуттєвих підошов і захисних плівок; діапазон твердості від м'яких 60 Shore A до жорстких марок за 70 Shore D закриває цілий спектр задач між гумою та конструкційними пластиками.
Коли матеріалу майже дев'яносто, патентний ландшафт відповідає на інше питання, ніж у молодих полімерів. Не «чи можна це взагалі робити» — а де саме сьогодні йде технологічне змагання: у яких застосуваннях, у яких рецептурних ходах і в яких юрисдикціях. Саме ця карта підказує компаундеру й переробнику, куди рухається галузь.
Методологія
Це оглядовий, а не статистичний ландшафт. Ми працювали з відкритими джерелами — Google Patents, Espacenet, Justia і USPTO — за запитами навколо термопластичного поліуретану (thermoplastic polyurethane, TPU) та суміжних класифікаційних рубрик (полімеризація ізоціанатів — CPC C08G18, композиції поліуретанів — C08L75). З результатів сформовано куровану вибірку з 18 патентних документів 1937–2023 років; кожен перевірено за первинною сторінкою публікації — номер, заявник, дати, суть. Окремо веб-звірено ринкові віхи (комерціалізація Estane, запуск спінених бісерних TPU, перший TPU на CO₂-поліолі).
Формат курованої вибірки для такої зрілої хімії чесніший за псевдостатистику: документів класу C08G18 у базах сотні тисяч, і будь-яка «повна» вибірка без комерційних інструментів була б довільною. Вісімнадцять верифікованих документів достатньо, щоб побачити структуру: хто патентував, коли і навколо чого.
Два народження: полімер 1937-го, термоеластопласт 1959-го
Поліуретанова хімія має точну дату народження. У листопаді 1937 року група Отто Баєра в I.G. Farbenindustrie подала заявку на спосіб одержання поліуретанів і полісечовин реакцією діізоціанатів зі сполуками, що мають рухливі атоми водню, — виданий згодом патент DE728981C «Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen bzw. Polyharnstoffen» (Google Patents). Це документ-прародитель усієї галузі: він охоплює і ароматичні, і аліфатичні діізоціанати — по суті, ще до війни описано хімічний фундамент, на якому стоять сучасні піни, еластомери, покриття й клеї.
Але TPU як клас матеріалів народився пізніше і в іншому місці. Наприкінці 1950-х хімік Чарльз Шолленбергер у B.F. Goodrich шукав замінник вулканізованої гуми — і показав, що лінійний поліуретан із жорсткими та гнучкими сегментами поводиться як вулканізат без вулканізації: фізичні зв'язки жорстких доменів працюють замість хімічної сітки, а при нагріванні «розбираються», роблячи матеріал переробним. Патент US2871218A «Simulated vulcanizates of polyurethane elastomers» (виданий у січні 1959 року, Google Patents) став фундаментом першого комерційного TPU — Estane®, який починався з промислових тканин із покриттям і виробляється дотепер. Сама назва патенту — «імітовані вулканізати» — точно передає суть винаходу: гума, яку можна лити.
Хто патентує сьогодні: центр ваги зміщується на схід
Класична ера TPU належала американським і європейським гігантам — B.F. Goodrich (нині лінія Lubrizol), Bayer/Covestro, BASF. Але наша вибірка останніх двох десятиліть показує виразний зсув: найпослідовніша патентна лінія тепер китайська, і в ній добре видно стратегію Wanhua Chemical — найбільшого у світі виробника MDI, тобто ключової сировини для TPU.
Ця лінія почалася з процесу: заявка CN101020737A (2007) описує безперервне виробництво термопластичного поліуретанового еластомеру (Google Patents). Далі — прикладні композиції: CN109721701A (заявка 2017 року) захищає TPU-композицію для високонавантажених гідравлічних ущільнень і роликів ескалаторів та ліфтів (Google Patents). А потім — вихід у західні юрисдикції з грантами США: US11286328B2 (2022) на TPU для 3D-друку та US11613627B2 на безгалогенну вогнестійку TPU-композицію (Google Patents). Траєкторія хрестоматійна: спершу навчитися дешево виробляти, потім захищати рецептури, і нарешті — патентувати там, де живуть маржинальні ринки.
| Напрям | Документів у вибірці | Приклади | Період |
|---|---|---|---|
| Армовані композити (LGF/GF) | 4 | CN103819891A, CN105086422A, WO2009080281A1, US20140343196A1 | 2008–2015 |
| Безізоціанатні PU (NIPU) | 4 | CN101775137B, EP3199569B1, WO2021247815A1, US11820876B2 | 2010–2023 |
| Базова хімія і процес | 3 | DE728981C, US2871218A, CN101020737A | 1937–2007 |
| Композиції та вогнестійкість | 3 | EP1112315B1, CN109721701A, US11613627B2 | 1999–2023 |
| Спінені бісерні (E-TPU) | 2 | WO2007082838A1, CN104974370A | 2006–2015 |
| 3D-друк | 1 | US11286328B2 | 2018–2022 |
| Хімічний рециклінг | 1 | US6750260B2 | 2001–2004 |
Географія вибірки ілюструє той самий зсув: американські й китайські документи представлені порівну, причому всі китайські — молодші за 2007 рік.
Технологічні напрями: чотири фронти сучасного TPU
Спінені бісерні TPU (E-TPU). Найгучніша TPU-інновація століття — спінені гранули, які зварюються парою у формі, поєднуючи пружність еластомеру з легкістю пінопласту. Базовий документ — заявка BASF WO2007082838A1 (пріоритет 2006 року), детальніше — нижче. Поруч у вибірці — китайська заявка CN104974370A на спосіб одержання TPU-бісеру та бісерне формування (Google Patents): підтвердження, що за первопрохідцем швидко вишикувалася черга.
Армовані композити. Скловолокно перетворює TPU з еластомеру на конструкційний матеріал з еластомерною ударною в'язкістю. У вибірці — ціла група: процесна заявка WO2009080281A1 на одержання довговолокнистих термопластичних композицій (Google Patents), китайські композиції CN103819891A (високоефективний LGF-TPU з 20–60 масовими частками довгого скловолокна) і CN105086422A (LGF-TPU для протиковзних підошов), американська US20140343196A1 на волокнонаповнені TPU-суміші. Це той самий клас матеріалів, до якого належить армований TPU у нашій лінійці Exaflex®.
Сталість: рециклінг, CO₂-сировина, безізоціанатна хімія. Тут три підфронти. Хімічний рециклінг — гліколіз поліуретанових відходів до поліолів — захищався ще на початку 2000-х (US6750260B2, Google Patents), а свіжий огляд у журналі Materials (2024) аналізує вже цілий пул чинних промислових патентів гліколізу (MDPI). Сировинний фронт — поліетеркарбонатні поліоли з хімічно зв'язаним CO₂: у 2018 році Covestro показала перший серійний TPU на такому поліолі — Desmopan® 37385A (прес-реліз). І найрадикальніший — безізоціанатні поліуретани (NIPU), де уретанові ланки утворюються з циклічних карбонатів і амінів, без ізоціанатів взагалі: у вибірці — водна NIPU-система CN101775137B, піни EP3199569B1, біо-поліольні системи WO2021247815A1 і свіжий американський грант US11820876B2 (2023, Google Patents). До серійного термоеластопласту NIPU-хімії ще далеко, але щільність патентування показує: галузь всерйоз готує запасний вихід із ізоціанатної залежності.
3D-друк. TPU став робочим конем гнучкого друку — і філаментного, і порошкового (SLS). Патентна боротьба йде за марки, що друкуються стабільно: низька усадка, передбачувана кристалізація, термостабільність у зоні друку.
Два патенти крупним планом
BASF: піна, яка змінила взуттєву індустрію. Заявка WO2007082838A1 «Schaumstoffe auf Basis thermoplastischer Polyurethane» (винахідники Франк Пріссок і Франк Браун, пріоритет 18 січня 2006 року, Google Patents) описує спінені частинки TPU і формовані з них вироби. Комерційне втілення — Infinergy®, перший промисловий E-TPU: закритопориста бісерна піна, яка тримає пружність у широкому діапазоні температур і повертає значну частину енергії удару. Саме цей матеріал у 2013 році масово зайшов у бігове взуття як амортизувальна підошва — рідкісний випадок, коли конкретний патентний документ можна «помацати» в кожній спортивній крамниці. Для інженера тут повчальна сама конструкція захисту: патентується не полімер (хімія TPU давно відкрита), а форма його організації — спінена частинка та технологія її зварювання у виріб.
Wanhua: TPU, що тримає геометрію в 3D-друку. Грант US11286328B2 «Thermoplastic polyurethane elastomer, and preparation method, use and product thereof» (виданий 29 березня 2022 року, Justia) захищає TPU на основі ароматичних/аліциклічних діізоціанатів і поліестерполіолів для 3D-друку. За текстом патенту, композиція дає усадку при литті до 0,2 % і термостабільність до 300 °C — це твердження заявника, а не незалежно перевірені дані, але сам напрям показовий: головний біль гнучкого друку — не еластичність, а розмірна стабільність і повторюваність, і саме за ці властивості тепер змагаються рецептури.
Що це означає для українського виробника й R&D
Перший висновок — юридичний, і для переробника він максимально комфортний. Базова хімія TPU відкрита вже десятиліття: і патент Баєра, і патент Шолленбергера давно в суспільному надбанні, тож купівля, компаундування й переробка серійного термопластичного поліуретану жодних ліцензійних питань не породжують. Уважність потрібна лише на рівні відтворення конкретних чужих рецептур чи технологій — наприклад, бісерного спінювання.
Другий висновок — інженерний. Активні фронти патентування маркують ніші, де TPU сьогодні технологічно «гарячий»: армовані склаволокном конструкційні марки, матеріали для адитивного виробництва, спінені системи. Якщо ваша деталь поєднує вимоги еластичності й жорсткості — саме туди дивиться галузь, і саме там варто шукати заміну металу, гумі чи парі «гума + кронштейн».
Третій висновок — стратегічний: у зрілих полімерів цінність зміщується від володіння хімією до вміння скомпонувати й переробити матеріал під задачу. Паритет US/CN у нашій вибірці — нагадування, що змагання тепер виграють не першовідкривачі, а ті, хто швидше перетворює відкриту хімію на робочі марки. Для українського компаундера це добра новина: вхідний квиток — компетенція, а не ліцензія.
Для Material Wizard поліуретани — стратегічний напрям: лінійка Exaflex® TPU охоплює литтєві марки твердістю від 80 до 95 Shore A для взуття, автокомпонентів, роликів і ущільнень, а також армований скловолокном TPU для конструкційних деталей. Точні характеристики конкретної марки — за TDS; підбір під деталь і режим переробки раціонально почати з розмови зі спеціалістом. Ширший контекст матеріалу зібрано в оглядовій статті що таке TPU.
Експертний розбір: 5 питань про патенти навколо TPU
Чи потрібні ліцензії, щоб компаундувати або переробляти TPU?
Ні: базові патенти на поліуретанову хімію (1937) і на сам термопластичний поліуретан (1959) давно спливли, тож робота із серійним TPU — лиття, екструзія, компаундування — ліцензій не потребує. Чинні права стосуються конкретних рецептур і технологій (наприклад, бісерного спінювання E-TPU), і перевіряти їх варто лише тоді, коли ви відтворюєте чуже рішення один в один.
Чому TPU називають першим термоеластопластом?
Патент Чарльза Шолленбергера 1959 року вперше показав промисловий еластомер без хімічної вулканізації: жорсткі сегменти ланцюга утворюють фізичні вузли, які працюють як сітка гуми, але «розбираються» при нагріванні. Це і є визначальна ознака термоеластопластів — гумоподібна поведінка плюс термопластична переробка, і TPU реалізував її першим серед великотоннажних матеріалів.
Хто сьогодні найактивніше патентує TPU-технології?
За нашою вибіркою, класичні лідери (BASF, Covestro, лінія Lubrizol) зосереджені на системних інноваціях — спінених TPU, CO₂-сировині, а найпослідовнішу нову лінію будує китайська Wanhua: від процесу безперервного синтезу до грантів США на марки для 3D-друку й безгалогенні вогнестійкі композиції. Вибірка оглядова, тож це ілюстрація тренду, а не рейтинг.
Що таке безізоціанатний поліуретан (NIPU) і чи замінить він TPU?
NIPU — поліуретан, у якому уретанові ланки одержують реакцією циклічних карбонатів з амінами, без токсичних ізоціанатів. Патентна активність тут щільна (піни, водні системи, біо-поліоли), але це поки хімія покриттів, клеїв і пін: серійного термоеластопласту рівня TPU на NIPU-хімії на ринку немає. У горизонті найближчих років NIPU — доповнення, а не заміна.
Як обрати марку TPU під конкретну деталь?
Ландшафт відповідає на стратегічні питання, а вибір марки — на інженерні: потрібні твердість, робочі температури, середовище (оливи, гідроліз, УФ), спосіб переробки й вимоги до зносу. Раціональний перший крок — окреслити задачу спеціалісту й отримати зразки для тестового лиття; марки Exaflex® TPU можна купити з доставкою по Україні.
Джерела: I.G. Farbenindustrie / O. Bayer та ін., DE728981C; B.F. Goodrich / C.S. Schollenberger, «Simulated vulcanizates of polyurethane elastomers», US2871218A; BASF, WO2007082838A1; Wanhua Chemical: CN101020737A, CN109721701A, US11286328B2, US11613627B2; армовані композити: CN103819891A, CN105086422A, WO2009080281A1, US20140343196A1, EP1112315B1; E-TPU бісер: CN104974370A; рециклінг: US6750260B2, огляд гліколізу Materials 2024; NIPU: CN101775137B, EP3199569B1, WO2021247815A1, US11820876B2; ринкові віхи: Estane 50 років (UTECH), Covestro Desmopan 37385A (прес-реліз).
Material Wizard — виробник і постачальник інженерних полімерів. Локації: Деражня і Харків. Марки Exaflex® TPU можна купити з доставкою по Україні — умови поставки й підбір під задачу уточнюйте у спеціаліста.