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熱塑性彈性體(TPE)是什么？以及常見問題
熱塑性彈性體(TPE)是什么？
熱塑性彈性體(TPE)通常是彈性模數(shù)較低的彈性材料，在室溫條件下可被反復(fù)拉伸至原來長度的兩倍以上，并具有在應(yīng)力消除后幾乎完全恢復(fù)至其原來長度的能力。具有這種特性的早期材料是熱固性橡膠，但許多可注射模塑的熱塑性彈性體(TPE)系列正在取代傳統(tǒng)的橡膠。除了以它們的基本形式使用之外，TPE還廣泛地用于剛性熱塑性塑料的改性，通常是用于改進(jìn)抗沖擊強(qiáng)度。對于板材和一般模塑級復(fù)合材料來說，這是相當(dāng)普遍的。
TPE的種類
到1996年為止，六種主要的TPE可分為二大類：嵌段共聚物（苯乙烯類樹脂、共聚多酯、聚氨酯和聚酰胺），以及熱塑性彈性體摻混物及合金（熱塑性聚烯烴和熱塑性硫化橡膠）。
除這些TPE以外，還出現(xiàn)了兩種新技術(shù)。它們是茂金屬催化合成的聚烯烴塑性體與彈性體，以及反應(yīng)成型的熱塑性聚烯烴彈性體。
傳統(tǒng)型TPE是所謂的兩相體系。從本質(zhì)上來說，由硬的熱塑性塑料所組成的一相，以機(jī)械或化學(xué)的方式與軟的彈性體所組成的另一相結(jié)合，所生成的TPE具有該兩相結(jié)合的性質(zhì)。
傳統(tǒng)的TPE系列
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苯乙烯類樹脂(S-TPE)
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共聚多酯(COPE)
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聚氨酯(TPU)
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聚酰胺(PEBA)
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聚烯烴摻混物(TPO)
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聚烯烴合金(TPV)
TPE的新品種
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反應(yīng)成型的TPO (R-TPO)
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聚烯烴塑性體(POP)
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聚烯烴彈性體(POE)
這些新的聚烯烴塑性體(POP)和彈性體(POE)，本質(zhì)上是分子量非常低的線性低密度聚乙烯(VLMW-LLDPE)。作為聚合催化劑技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，這些材料原先開發(fā)的目的是改進(jìn)軟包裝薄膜的特性。近來，這些撓性較好的聚乙烯作為低成本的橡膠取代物，被用于某些對模塑制品的要求不怎么苛刻的用途。這主要包括那些不會接觸極端的溫度、壓力、負(fù)載或應(yīng)力環(huán)境的產(chǎn)品。在模塑制品方面，這些新材料被用于那些多多少少希望有一點(diǎn)撓性或觸覺感的場合。注意，它們并非是真正的彈性體。
TPE將會有什么樣的拉伸特性？
拉伸特性
拉伸特性是用來說明彈性體被拉伸時(shí)將如何表現(xiàn)的測試值。有幾種普遍采用的試驗(yàn)，可顯示彈性體在最終用途環(huán)境里將會如何表現(xiàn)。
斷裂抗拉強(qiáng)度
此測試值又稱為極限抗拉強(qiáng)度。在此試驗(yàn)中，彈性體的試片被拉伸直至斷裂。拉斷此材料所需的力量也被同時(shí)測出。其單位通常是磅/平方英寸(psi)或兆帕(MPa)。極限抗拉強(qiáng)度高的彈性體，與測試值較低的彈性體相比較不易拉斷。
抗撕裂強(qiáng)度
此測試值說明彈性體抵抗撕裂的性能如何?？顾毫褟?qiáng)度試驗(yàn)與斷裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)基本相同，但試片一側(cè)有一V形缺口以作為擴(kuò)展點(diǎn)。所測試材料被拉伸至完全撕裂，撕裂此試片的力量也被同時(shí)記錄。其單位通常是磅/英寸(psi)或千牛頓/米(kN/m)。
拉伸模數(shù)
在拉伸模數(shù)試驗(yàn)中，彈性體被拉伸至各種不同的長度，其抵抗拉伸的力量也被分別測出。此測試值通常表示為彈性體相應(yīng)于其長度與原始長度的各種不同百分比時(shí)的抗拉強(qiáng)度，例如在50%、100%或300%時(shí)的抗拉強(qiáng)度。彈性體對拉伸的抵抗力在開始時(shí)可能會很強(qiáng)，但隨著它的伸長而會變得較弱（稱為“頸縮”）。
斷裂伸長率
伸長率并非是衡量拉伸該材料是如何困難或如何容易，而只是衡量它在斷裂前能被拉伸多長。斷裂伸長率被表示為與其原始長度的百分比。某些軟的彈性體在斷裂前可被拉伸至其原始長度的1000%以上。軟的TPE彈性體的伸長率通常比硬的剛性材料高的多。
影響測試值的因素
試片的成型方法及熔體流動方向均會影響其拉伸特性測試值。因此，對于許多彈性體，在流動方向和橫斷方向這兩個(gè)方向的拉伸特性均要測量。
流動方向
如同彈性體的其它許多特性，拉伸特性會受到成型時(shí)聚合物分子取向的影響。因此，取決于拉伸是沿著聚合物成型時(shí)的流動方向進(jìn)行，還是沿著橫斷方向進(jìn)行，拉伸特性可能會有很大變化。
試片（擠壓成型相對于注射模塑）
某些試驗(yàn)是用注射模塑的試片進(jìn)行的，而另一些試驗(yàn)則是用擠壓成型的試片進(jìn)行的。由于不同類型的試片其測試值會有顯著差別，所以很重要的一點(diǎn)是，只能對同類型試片的測試值進(jìn)行比較。
定義TPE的壓縮永久變形
壓縮永久變形值是材料在一定溫度下被壓縮至一定形狀，并維持一定時(shí)間后而發(fā)生永久性變形的量。
通常采用的ASTM測試方法(ASTM D395)要求使材料變形（壓縮）達(dá)25%并保持一定的時(shí)間。任其復(fù)原30分鐘后再測量此樣品。
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23 °C（室溫）
22小時(shí)，70小時(shí)，168小時(shí)（1星期），1000小時(shí)（42天）。 -
70 °C
22小時(shí)，70小時(shí)，168小時(shí)（1星期），1000小時(shí)（42天）。 -
121 °C
22小時(shí)，70小時(shí)，168小時(shí)（1星期），1000小時(shí)（42天）。 -
150 °C
22小時(shí)，70小時(shí)，168小時(shí)（1星期），1000小時(shí)（42天）。
所得的測試值是材料樣品未能恢復(fù)到它原有高度的百分比。例如，40%壓縮永久變形表示，此熱塑性彈性體只恢復(fù)了被壓縮厚度的60%。100%壓縮永久變形則表示此熱塑性彈性體無絲毫恢復(fù)，也就是說，它保持了被壓縮的狀態(tài)。
往往壓縮永久變形易與蠕變相混淆。然而，壓縮永久變形是在某一恒定的應(yīng)變條件下所發(fā)生變形的量，而蠕變則是在某一恒定應(yīng)力條件下所發(fā)生變形的量。
TPE是否有適用溫度？
適用溫度這個(gè)術(shù)語，是用來大致地定義某種材料適合使用的最高溫度。
適用溫度取決于許多因素，包括性能要求、接觸時(shí)間長短、有無負(fù)荷存在，以及工件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等。
某些常用的適用溫度測量方法為維卡軟化溫度、熱變形溫度(HDT)、美國安全檢測實(shí)驗(yàn)室(UL)方法、半抗拉強(qiáng)度以及其它專有方法，因所在行業(yè)而異。
要求較高適用溫度的應(yīng)用實(shí)例包括汽車、運(yùn)輸、液壓軟管以及礦井電纜等。不要求較高適用溫度的應(yīng)用實(shí)例則包括一般的室內(nèi)用途，例如個(gè)人養(yǎng)護(hù)用品和廚房器皿上的手柄、電話筒連線以及玩具等。
硬度意味著什么？
硬度
在選擇熱塑性彈性體時(shí)，材料的相對軟度或硬度往往是首先要考慮的指標(biāo)之一。硬度也與其它重要設(shè)計(jì)特性有關(guān)，例如拉伸模數(shù)和撓曲模數(shù)。由于各種不同的測量標(biāo)度以及硬度與其它材料特性的關(guān)系，在討論硬度時(shí)可能會產(chǎn)生混淆。
硬度測量
測量橡膠硬度最普遍采用的儀器稱為肖氏（又稱為邵爾）硬度計(jì)。用一個(gè)彈簧將一金屬壓頭壓入材料的表面，并測量它能穿入多深。該儀器測量的穿入深度為零至0.100英寸。若標(biāo)尺上的讀數(shù)為零則意味著壓頭穿入了極限深度，而讀數(shù)為100則意味著穿入深度為零。
有各種不同硬度范圍的肖氏硬度計(jì)。使用最普遍的標(biāo)度之一是肖氏A級標(biāo)度，使用一種較鈍的壓頭和彈力中等的彈簧。當(dāng)讀數(shù)超過90以上時(shí)，肖氏A級硬度計(jì)就變得不是很精確。對于較硬的材料，則使用肖氏D級硬度計(jì)，因?yàn)樗幸粋€(gè)銳利的壓頭和彈力較強(qiáng)的彈簧，可穿入較深的深度。
當(dāng)測量更硬的塑料時(shí)，就使用壓頭更銳利和彈力更強(qiáng)的硬度計(jì)，例如洛氏硬度計(jì)。而在另一極端，則使用肖氏00級硬度計(jì)，以測量軟的凝膠和軟泡沫橡膠。
大多數(shù)材料都能承受最初的壓力，但隨著時(shí)間的推移，因發(fā)生蠕變和松弛而會屈服。硬度計(jì)的讀數(shù)可以即時(shí)讀取，也可在某一段特定延遲時(shí)間之后讀取，通常是在5至10秒鐘之后讀取。即時(shí)讀數(shù)總會顯示出比延遲讀數(shù)較高（或較硬）的讀數(shù)。延遲讀數(shù)不僅對材料的硬度而且對其回彈性而言，均更有代表性。較弱、彈性較差的材料，比較強(qiáng)、較有彈性的材料更容易發(fā)生蠕變。
為了保證數(shù)據(jù)的有效性，需要有精確的測試步驟。為了獲得精確的讀數(shù)，必須得有一個(gè)表面很平整而且足夠厚的試件，以免結(jié)果受支撐表面的影響。通常所要求的厚度是0.200英寸，但變形較小的硬性材料，當(dāng)厚度較薄時(shí)也能精確地測試。
與其它特性的關(guān)系
硬度經(jīng)常會與其它特性混淆，例如撓曲模數(shù)。盡管兩者都反映了產(chǎn)品在用戶手中的感覺，但撓曲模數(shù)代表對撓曲的抵抗能力，而硬度則代表對壓陷的抵抗能力。在某一特定的TPE系列中，這兩種特性是互相關(guān)聯(lián)的。一般而言，當(dāng)硬度值增加時(shí)，撓曲模數(shù)也會增加。
此外，在同一TPE系列中，抗蠕變性與抗張強(qiáng)度也有直接關(guān)聯(lián)。這意味著較軟的TPE發(fā)生蠕變的程度將比較硬的材料高，但其抗張強(qiáng)度則較小。摩擦系數(shù)(COF)與硬度成反比關(guān)系。當(dāng)TPE硬度增加時(shí)，摩擦系數(shù)通常會減小。
當(dāng)比較各種不同系列的TPE時(shí)，除硬度以外還需要比較其它物理特性數(shù)據(jù)，以便作出正確的材料選擇。
法規(guī)術(shù)語
美國食品與藥物管理署(FDA)
在美國聯(lián)邦政府行政法規(guī)匯編第21篇第1章B節(jié)中，美國食品與藥物管理署詳細(xì)地規(guī)定了用于食品方面的各種聚合物和復(fù)合材料的允許標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)一種產(chǎn)品被劃為“FDA級”材料時(shí)，那就說明其配方里只使用經(jīng)聯(lián)邦法規(guī)第21篇第170－199部分批準(zhǔn)的材料。
全國衛(wèi)生基金會(NSF)
全國衛(wèi)生基金會是在公共衛(wèi)生、安全和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域制訂標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行產(chǎn)品測試和提供認(rèn)證服務(wù)的機(jī)構(gòu)。NSF認(rèn)證項(xiàng)目是經(jīng)過美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI/RAB)、荷蘭鑒定委員會(RvA)和加拿大標(biāo)準(zhǔn)委員會(SCC)進(jìn)行資格鑒定的。
試驗(yàn)機(jī)構(gòu)聯(lián)盟使得NSF的試驗(yàn)在世界其它地區(qū)也被接受。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)聯(lián)盟的某些成員包括Intertek試驗(yàn)服務(wù)公司(ITS)、荷蘭的KIWA N.V.、加拿大的加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)和質(zhì)量管理協(xié)會(QMI)，以及日本煤氣用具檢查協(xié)會(JIA)等等。
要求NSF認(rèn)證的典型應(yīng)用領(lǐng)域有飲用水、水處理系統(tǒng)、餐館服務(wù)業(yè)，以及管道設(shè)施等。
美國藥典(USP)
美國藥典(USP)函蓋了與血液和體液相容及接觸的應(yīng)用。USP試驗(yàn)是為了提供聚合物容器材料在生物效應(yīng)方面的資料。根據(jù)在專門的USP生物試驗(yàn)中的表現(xiàn)，聚合物被分為六個(gè)等級。從第I至第VI級每遞增一級，就要求使用比前一級更多的萃取劑對聚合物進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。另外，還有一個(gè)遞增的萃取溫度范圍可供選擇，以進(jìn)一步給該材料定性。
美國安全檢測實(shí)驗(yàn)室(UL)
安全檢測實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)獨(dú)立的非盈利性產(chǎn)品安全和測試認(rèn)證機(jī)構(gòu)，其基地設(shè)在美國。常用的試驗(yàn)有UL-94（分為HB、V0、V1或V2各種等級的垂直和水平的燃燒試驗(yàn)）、VTM（薄膜燃燒試驗(yàn)），以及VW（垂直線材燃燒試驗(yàn)）。UL規(guī)格涵蓋的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括手持式電子裝置、商用設(shè)備以及電器。
軍用技術(shù)規(guī)范(MIL) 某些美國軍事和非軍事方面的應(yīng)用也許要求符合軍用技術(shù)規(guī)范。這些規(guī)范包括真菌培養(yǎng)、尺寸穩(wěn)定性以及許多其它材料特性。在TPE領(lǐng)域，要求符合軍用技術(shù)規(guī)范的應(yīng)用包括火箭操縱電纜、戰(zhàn)場專用軟線、地下電纜以及船舶與海岸間連接電纜等。
加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)
CSA是加拿大為某些方面的應(yīng)用制訂性能標(biāo)準(zhǔn)和測試方法的主要標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。它是與美國的ASTM、UL、DOT、FDA以及MIL類似的機(jī)構(gòu)。
熱塑性彈性體與熱固性彈性體的比較
彈性體通常分為兩大類：
-
熱塑性
-
熱固性
結(jié)構(gòu)
熱塑性彈性體是這樣一類材料，當(dāng)加熱時(shí)它們會軟化/熔化，而在冷卻時(shí)則會硬化，且可如此反復(fù)變化。大多數(shù)熱塑性塑料都溶于特定的溶劑，并在一定程度上能燃燒。軟化/熔化的溫度隨聚合物的種類和品種而異。由于熱塑性塑料對熱量和剪切力的敏感性，故處理時(shí)必須很小心，以避免材料的降解、分解或引燃。e material.
大多數(shù)熱塑性塑料的分子鏈可以被想象為獨(dú)立的、互相擰在一起的細(xì)線，就像意大利面條一樣（見上圖）。當(dāng)加熱時(shí)（例如模塑時(shí)），各分子鏈就開始滑動，形成塑性流動。當(dāng)冷卻時(shí)，原子和分子鏈又重新牢固地纏在一起。當(dāng)再加熱時(shí)，分子鏈就又開始滑動。熱塑性塑料被加熱/冷卻的周期次數(shù)有實(shí)際的限度，超過該限度后其外觀和機(jī)械性能將受到影響。
熱固性彈性體在加工期間經(jīng)歷了化學(xué)變化，永久性地變?yōu)椴蝗芎筒蝗邸Ｕ沁@種化學(xué)交聯(lián)，造成了熱固性和熱塑性體系之間的主要區(qū)別。通過所謂硫化過程而達(dá)到其最終性質(zhì)的天然橡膠和合成橡膠，例如膠乳、丁腈橡膠、混煉型聚氨酯、硅膠、丁基橡膠和氯丁橡膠，均是典型的熱固性彈性體。
如下圖所示，當(dāng)熱固性橡膠硫化或硬化時(shí)，毗鄰的分子之間將形成交聯(lián)，構(gòu)成復(fù)雜、互相連接的網(wǎng)絡(luò)。這些交聯(lián)鍵防止了各分子鏈的滑動，從而阻止加熱時(shí)的塑性流動。熱固性彈性體在交聯(lián)過程完成之后，如果過分地受熱，該聚合物將發(fā)生降解而不是熔化。這種情況與雞蛋的烹飪有些相似：進(jìn)一步加熱并不能使雞蛋回到它的液體狀態(tài)，而只能使它燒焦。
如何決定加工方式
熱塑性彈性體可以反復(fù)加工的特點(diǎn)，決定了它優(yōu)于熱固性橡膠的主要優(yōu)越性。兩者在加工方面的其它關(guān)鍵性區(qū)別如下表所示。
|
項(xiàng)目 |
TPE |
熱固性橡膠 |
|
制造 |
迅速(以秒計(jì)) |
緩慢(以分計(jì)) |
|
邊角料 |
可重新利用 |
浪費(fèi)比例高waste |
|
硫化劑 |
不需要 |
需要 |
|
機(jī)械 |
常規(guī)的熱塑性設(shè)備 |
專門的硫化設(shè)備 |
|
添加劑 |
極少或沒有 |
眾多的加工助劑 |
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設(shè)計(jì)優(yōu)化 |
無限 |
有限 |
|
工件重新模塑 |
可以 |
不大可能 |
|
熱封 |
可以 |
不可以 |
Source: Robert Eller Associates
與熱固性橡膠相比，TPE的優(yōu)越性：
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設(shè)計(jì)靈活。
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制造成本較低。
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加工周期較短。
-
很少或不需要混煉。
-
邊角料可充分回收利用。
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產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定。
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可采用吹塑成型。
-
可采用熱成型。
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能耗較低。
-
加工過程較簡單。
-
產(chǎn)品質(zhì)量較易控制。
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產(chǎn)品密度范圍較廣。
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最終工件單件平均成本較低。
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較有利于環(huán)保。
收縮性如何影響TPE？
收縮性
當(dāng)TPE從熔融狀態(tài)開始冷卻時(shí)，其分子會相互對齊，從而使模塑工件的總體尺寸發(fā)生收縮。雖然這種收縮通常只是在千分之幾英寸的范圍內(nèi)，但卻能顯著地影響工件的模塑和脫模，以及成品工件的外觀。
如果收縮不均勻，一件本應(yīng)是平整的工件可能會發(fā)生彎曲或翹曲。此外，在對允許誤差要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中，出乎意料之外的收縮可能會影響某個(gè)零件與整體組裝件的匹配性。
由于這些原因，在生產(chǎn)過程中通常必須將收縮性考慮在內(nèi)。
工件脫模
當(dāng)工件含有型芯或鏤空部分時(shí)，隨著彈性體的收縮，它會緊緊地裹住模具的這些部位，使工件脫模變得很困難。模具設(shè)計(jì)、模具表面光潔度以及加工條件都能夠縮小這種影響，甚至使自動化脫模也成為可能。
模塑條件
模塑條件能顯著地影響收縮的程度和本質(zhì)。若從高應(yīng)力狀態(tài)很快地變?yōu)榈蛻?yīng)力狀態(tài)，收縮的程度將會增加。工件的迅速冷卻以及很高的注射速度或壓力，也能影響收縮性。設(shè)計(jì)方面的考慮
考慮到收縮性，模具必須加工得比工件所需的尺寸稍大些。通常，實(shí)際收縮值只有等到具體工件成型時(shí)才能得知。因此，事先保守一些總是最好的。若有可能，可使用原型模具。
如同彈性體的各種其它性質(zhì)，收縮性往往隨聚合物流動方向而異。澆口的位置將決定熔體流入模具的方向，從而也將決定收縮性的方向。再者，某些TPE比其它TPE更為各向異性，其意思就是也許會在某一方向收縮得比另一方向更多些。當(dāng)設(shè)計(jì)模具時(shí)，這一因素必須要考慮在內(nèi)。
