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热塑性弹性体是什么?

作者: , 2021-03-05

热塑性弹性体因其良好的设计和制造灵活性成为市场上用途最广泛的塑料之一。热塑性弹性体结合热塑性塑料的加工优势和弹性体的性能特性,能用相对容易使用热塑性方法(如挤出和注射成型)进行加工,无需使用耗时的橡胶加工方法,尤其是硫化

分子结构的性质赋予热塑性弹性体更高弹性。所有热塑性弹性体都由结晶域和非晶域组成的。它们可以是结晶和无定形聚合物的物理共混物或合金,也可以是嵌段共聚物,是聚合物链中结晶域和非晶域块的化学混合物。

在热塑性弹性体和共混物的情况下,硬链段负责最终产品的塑性特性,包括易加工性和耐高温性以及材料特性,例如撕裂和拉伸强度或耐化学性。附着力也是由这些特性决定的。软链段负责弹性或弹性特性。它们决定了材料特性,例如硬度和柔韧性以及永久变形的程度。

热塑性弹性体颗粒
热塑性弹性体的化学成分

热塑性弹性体:简要定义

热固性塑料、热塑性塑料和弹性体是常见的聚合物。简要定义可解释热塑性弹性体的从属关系。

热固性塑料:聚氨酯和环氧树脂是常见的热固性塑料。这些材料的特点是不可溶且不能熔化。它们的强度归因于由反应性低聚物或树脂在热和压力下与交联剂反应形成的交联网络。

热塑性塑料:热塑性塑料是很容易熔化和成型的聚合物。它们受热熔化并在冷却时变硬。常见成品有尼龙、聚酯和聚烯烃。这些材料不包含交联网。

弹性体:弹性体是具有弹性的天然或合成聚合物。它们可以在拉伸和压缩应力下弹性变形,但随后会恢复到原来的形状。常见弹性体有天然橡胶和硅橡胶。

热塑性弹性体:热塑性弹性体结合了热塑性塑料和弹性体的特性:它们的加工方式与塑料类似,但具有橡胶的卓越性能。

与传统橡胶加工相比,热塑性弹性体加工可节省更多时间和资源。

Content

优点

  • 设计自由度高
  • 通过注塑和挤出轻松进行热塑性加工
  • 宽加工窗口
  • 可进行多组分加工
  • 更短的生产周期和更高的生产力
  • 降低成品零件成本
  • 更少的能源消耗
  • 再生弹性体特性: 完全可回收
  • 良好的着色
  • 低渗透性
  • 出色的热性能和材料稳定性
  • 可能的硬度范围很广:肖氏 OO、肖氏 C、肖氏 A 和肖氏 D
  • 优异的电绝缘性能
  • 广泛的应用

缺点

  • 剪切敏感
  • 高温应用中的有限使用
  • 与热固性材料相比,每公斤原材料成本更高
  • 对芳烃的抵抗力低
  • 收缩率

热塑性弹性体的类型

苯乙烯嵌段共聚物/ 苯乙烯类热塑性弹性体 / 热塑性弹性体

苯乙烯嵌段共聚物是热塑性弹性体材料中最大,也可能是用途最广泛的类别。它们由丁二烯或异戊二烯等原材料的硬苯乙烯中间嵌段和软端嵌段组成,具有独特的多相结构。一般来说,多相化合物的结构可以描述为聚(苯乙烯-b-弹性体-b-苯乙烯)结构。它是通过嵌段共聚获得的。

苯乙烯嵌段共聚物被广泛使用,因为它能与多种材料良好地混合,包括添加剂、树脂和填料。特点是高弹性、抗拉强度和耐磨性。产品是无色的,有多种硬度可供选择。它们可以设计成在宽温度范围内发挥作用,并表现出不同程度的粘性和减震性。

这种热塑性弹性体的确切性能取决于弹性体块的化学结构。这允许高程度的定制化。

有以下主要类型可选:

  • SEP: 苯乙烯-乙烯-丙烯嵌段共聚物
  • SEPS: 苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物
  • SEEPS: 苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物
  • S*EEPS*-V: S-乙烯-乙烯-丙烯-S 嵌段共聚物(S*:可交联硬嵌段)
  • SBS: 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物
  • SEBS: 苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物
  • SIS: 苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物

I此外,还有独特富含乙烯基键的热塑性弹性体可代替聚氯乙烯,而且无需使用增塑剂:

  • V-SIS: 富含乙烯基键的 SIS
  • V-SEPS: 富含乙烯基键的 SEPS
  • V-SEEPS: 富含乙烯基键的 SEEPS

可乐丽提供适用于广泛领域的 SEPTON™HYBRAR™ s苯乙烯嵌段共聚物,例如 热塑性弹性体化合物、聚合物改性、粘合剂、聚氯乙烯替代品、阻尼应用等

热塑性弹性体的分类
苯乙烯嵌段共聚物的应用范围非常广泛,从简单到高度专业化皆适用。例如,可乐丽的某些苯乙烯嵌段共聚物是医疗级热塑性弹性体。

热塑性聚烯烃 (TPO / TPE-O)

热塑性聚烯烃 (TPO) 是未交联的三元乙丙橡胶和聚烯烃的混合物。它的特点是高耐化学性、高强度以及低密度。这些材料可以很容易地通过挤压和注射成型进行加工。

制成品非常轻巧,可极为灵活地使用。热塑性聚烯烃常用于需要高水平塑料耐用性和耐磨性的应用,如机动车辆的仪表板。标准共聚物无法满足这些要求。

热塑性聚氨酯 (TPU / TPE-U)

热塑性聚氨酯是由二醇或多元醇与多异氰酸酯的加聚反应形成的一组塑料。聚氨酯的一个特征是氨基甲酸酯基团。热塑性聚氨酯的特性可以在大范围内出现变化。根据交联度和/或使用的异氰酸酯或 OH 组分,它可以作用弹性体、热塑性塑料或橡胶的替代品。

热塑性聚氨酯的特性是高延展性和拉伸强度,具备出色的耐磨性和机械性能。对氧气和臭氧亦显示出良好的耐受性。

热塑性聚酯弹性体 (TPC / TPE-E)

热塑性聚酯弹性体是具有结晶和无定形链段的线性嵌段共聚物,赋予热塑性弹性体材料弹性并使其易于加工。由于结晶段的刚性,热塑性聚酯弹性体在宽温度范围内都具有抗冲击性。它的耐热性、耐化学性和耐老化性都很高。

除了上述特性外,热塑性聚酯弹性体还表现出良好的电绝缘性能。由于具有良好抗疲劳性和撕裂强度,它还用于汽车行业和工业中的软管、电缆、波纹管等。

热塑性聚醯胺弹性 (COPA / PEBA / TPE-A / TPA)

热塑性聚醯胺弹性体是基于聚酯酰胺、聚醚酯酰胺或聚醚酰胺嵌段共聚物的热塑性弹性体。其性能高度依赖于聚醚和聚酰胺嵌段的类型以及嵌段的数量和长度。

热塑性聚醯胺弹性体可用于需要耐高温和耐油的苛刻应用中。它在低温下还具有一定的柔韧性,其耐磨、耐磨损、耐冲击和耐化学性也非常出色。

热塑性硫化橡胶 (TPV / TPE-V / EA)

热塑性硫化橡胶是聚丙烯和三元乙丙橡胶的混合物,在复合过程中动态硫化。这些塑料具有类似橡胶的特性,并具有热塑性塑料的易加工性和成本效益。

热塑性硫化橡胶常用于取代传统的热固性硫化橡胶。由于其耐高温性,因此常用于需要高达 130 摄氏度的高耐热性的应用中。由于热塑性硫化橡胶还具有良好的耐化学性和耐油性,因此车辆的发动机舱也是这些材料的应用领域。

SEPTON™ V 系列可以承受引擎盖下应用中常见的热量、压力和油。

软聚氯乙烯(TPVC

聚氯乙烯是一种广泛用于塑料的聚合物。聚氯乙烯是由氯乙烯通过链式聚合生产的。无定形热塑性塑料又脆又硬。通过添加增塑剂后可加工,因此适用于各种应用。它的应用范围广泛,从建筑行业到地板和绝缘材料都适用。

聚氯乙烯可分为软聚氯乙烯和硬聚氯乙烯。增塑聚氯乙烯具有高浓度的初级和聚合物增塑剂。增塑剂在生产过程中加入令聚氯乙烯具有弹性。然而,大量使用增塑剂亦带来相当大的缺点。一方面,它们损害了由柔性聚氯乙烯制成的产品的耐用性并限制了它们的可回收性。另一方面,增塑剂也对健康有害,有机会从材料中渗出并进入环境和食物中。

亚克力

丙烯酸是具有丙烯酸基团的化学物质(例如丙烯酸酯)和这些物质的聚合物的统称。 丙烯酸基团是化学交联的基础。 丙烯酸酯的名字来源于丙烯酸的典型刺鼻气味。

软丙烯酸热塑性弹性体的其中一个例子是 KURARITY™。这是一个新系列的丙烯酸嵌段共聚物,使用可乐丽独特的阴离子活性聚合技术生产。该技术将各种(甲基)丙烯酸酯结合成 A-B 或 A-B-A 型嵌段共聚物。与使用自由基聚合生产的传统丙烯酸聚合物相比,这种受控聚合过程使 KURARITY™ 能够保持清洁,大大减少残留单体或低聚物。

KURARITY™ 因其结构而表现出多种特性,例如优异的透明度、耐候性、自粘性以及与其他极性材料的良好相容性。三嵌段和二嵌段丙烯酸基聚合物可以挤出成多种应用,例如粘合剂、模制品或光导。 KURARITY™也可用作添加剂以提高相容性或改性极性塑料。

KURARITY™,透明热塑性弹性体,可用于无残留粘合剂等。

生物基热塑性弹性体

生物基热塑性弹性体 是那些聚合物或单体的至少一部分由可再生原材料(例如甘蔗或玉米)生产的材料组成的产品。聚合物的剩余部分可能由来自化石来源的碳组成。生产定制的 100% 生物基材料,如热塑性塑料聚羟基链烷酸酯和多糖仍然存在困难。es.

生物基热塑性弹性体的合成主要基于生物和生化过程。应该注意的是,术语“生物基”并不一定意味着“可生物降解”。生物基热塑性弹性体可以生物降解,但大多数情况并非如此。

可乐丽提供一种独特的生物基热塑性弹性体称为 SEPTON™ BIO 系列, 由甘蔗制成的氢化苯乙烯法呢烯共聚物 (HSFC)。

SEPTON™ BIO 系列赋予鞋底更强的抓地力。

热塑性弹性体的特性

硬度

材料的硬度是热塑性弹性体的重要选择标准。热塑性弹性体硬度借助邵氏硬度计确定并且以邵氏值表示。该仪器测量标准压头上给定力造成的材料凹陷深度。

The ISO 7619-1 standard recognizes twelve different durometer scales using different spring f

ISO 7619-1 标准使用不同的弹簧力和压头识别十二种不同的硬度计刻度。用于测量热塑性弹性体材料硬度的两种最常用的标尺是邵氏A硬度计(钝压头,中等弹簧力)和邵氏D硬度计(锋利压头,更强的弹簧力)。
邵氏C硬度计在邵氏A硬度计和邵氏D硬度计之间。对于超软材料,例如 SEPTON™ J 系列, 有邵氏OO硬度计。然而,也使用其他硬度计标度。

硬度计

耐温性

热塑性弹性体的各种应用要求材料具有不同的耐温性。 应力的持续时间和类型,以及零件的形状都会影响对最高耐温性的要求。

其中一个需要高耐热的例子是汽车和卡车的引擎盖下部件。SEPTON™ V系列 等热塑性弹性体可以替代天然橡胶用于制作软管,从而减少浪费。注塑成型技术亦可缩短垫圈的生产周期。与橡胶一样,它不需要交联。

拉伸性能

热塑性弹性体的伸长性能是使用各种测试方法确定的。

为了确定热塑性弹性体的断裂强度,测试的过程是在标准化的断裂拉伸测试中将其拉伸直至断裂,以兆帕 (MPa) 为单位。具有高断裂强度的弹性体不像具有较低值的弹性体那般容易断裂。

在大多数的应用中,热塑性弹性体必须具有抗撕裂性。常用的测量单位是 psi(磅每平方英寸)或 kN/m(千牛顿每米)。

拉伸模量是一种材料参数。它描述了当固体以线弹性行为变形时应力和应变之间的比例关系。在此应变测试中会在一系列应变点上测量应变阻力。

另一个重要参数是断裂伸长率。它表示弹性体在断裂前可以拉伸多长,并以原始长度的百分比给出。对于软弹性体,该值可能超过 1,000%。

Tensile at break test

压缩永久变形

热塑性弹性体材料的压缩永久变形测试也非常重要。它是衡量热塑性弹性体在长期、持续压缩和随后释放的情况下表现的指标。压缩永久变形测试表示为弹性体样品在释放压缩载荷后不会恢复到其原始厚度的挠曲百分比。

压缩永久变形根据 DIN 53 517 或 ISO 815 或 ASTM D 395 在恒定变形下测量。为了确定该数量,将圆柱形试样按一定百分比压缩并在一定温度下储存一定时间。值为零意味着测试样本已经完全恢复到原来的厚度,但这在现实中是不可能的。 100% 压缩永久变形意味着已经完全变形并且没有恢复。

永久变形是一个重要参数,特别是对于由弹性体制成的密封件的使用。 因此,具有低压缩永久变形的材料更适合密封应用。

压缩永久变形测试

收缩

由热塑性弹性体材料制成的成型部件在冷却过程中会收缩。虽然收缩率通常只是在微观范围内,但它会影响成型和移除过程以及成型零件的外观和随后的精确配合。不均匀的收缩是一个大问题。因此要特别注意收缩,并且必须在模具设计和工艺流程中加以考虑。由于聚合物的弹性和收缩特性不同,建议加工商从热塑性弹性体制造商处获取有关材料的信息。

安全

热塑性弹性体经过严格测试,必须符合多项安全和监管标准.。 确切的要求因材料的应用而异。

需要高度安全的热塑性弹性体的例子是可乐丽用于食品接触和医疗目的等级。 可乐丽的一些热塑性弹性体体符合美国食品药物管理局和欧盟No.10/2011的食品接触等级。

由医用级热塑性弹性体制成的产品可以使用各种方法进行消毒,并且仅包含非常低比例的可提取物质。 可乐丽医用级热塑性弹性体的生物相容性根据 ISO 10993 进行研究,包括 ISO 10993-4(溶血)、-5(细胞毒性)、-10(皮肤致敏)和 -11(热原)。 可乐丽的医用级热塑性弹性体进一步符合 USP <88> VI 类要求并已纳入到 美国食品药物管理局药物主文件。

其他特性

根据应用的不同,在选择材料时必须考虑热塑性弹性体的其他特性。 其中包括耐化学性、紫外线稳定性和电气特性等。

热塑性弹性体加工

注塑成型

注塑成型是迄今为止加工热塑性弹性体材料的最重要技术。 主要原因是注塑成型的高生产率和清洁、无残留的加工。

在注塑成型中,熔融塑料被注入模具,使最终产品成为模具的精确复制品。 该过程中热塑性弹性体的行为与热流道中其他热塑性塑料的行为相对应。共注塑和嵌件注塑工艺同样适用于这种应用。 注塑成型主要用于生产实体零件,例如工具或组件,可以大批量生产并具有很高的精度。

注塑成型工艺

挤出成型

挤出成型是用热塑性弹性体制造管材、型材等常用的工艺之一。在这个连续的过程中,材料是通过一个模具成型,模具具有材料的横截面轮廓。

在挤出成型过程中,热塑性弹性体颗粒被送入挤出机的料斗,然后通过在加热机筒中旋转的螺旋螺杆加热和熔化。螺杆将熔融塑料输送通过模具创建具有相同轮廓的连续长度的模具,然后冷却。与注塑成型不同,挤出成型通常会产生必须进一步加工的半成品或中间产品。该工艺可用于生产非常复杂的横截面,具有非常好的表面光洁度和高度的设计自由度。

挤出成型工艺

挤出吹塑

成型型材的另一个重要过程是热塑性弹性体挤出吹塑。在挤出吹塑过程中,熔融塑料被挤出到模具中,然后将空气吹入模具或工具中以制造所需的形状。

此过程的主导技术是单螺杆挤出机。然而,也使用其他挤出机,例如三螺杆挤出机。挤出技术也用于生产复杂的空心零件,例如瓶子和容器。除了生产型材外,挤压也用于板材、管材和其他形状。

挤出吹塑工艺

其他热塑性弹性体加工方法

除了上述注射成型、挤出和挤出吹塑成型方法外,其他方法也可用于加工 热塑性弹性体,不过在某些情况下使用程度较低。其中包括两组分 (2k) 加工、熔融压延、热成型、热焊接和压缩成型。

3D打印

热塑性弹性体材料的另一个应用领域是 3D 打印,对于具有类似橡胶特性的材料,长期以来都是不可能的。柔性热塑性弹性体长丝用于生产柔性或可定制的部件,例如智能手机外壳。热塑性聚氨酯 (TPU) 是最常用的 3D 打印材料。另一方面,可乐丽的热塑性弹性体亦特别适合特殊应用,例如 PLA、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚碳酸酯 (PC) 的加工。

使用热塑性弹性体进行 3D打印

应用

热塑性弹性体适合作为需要柔性或弹性材料的应用的材料。与传统的热固性橡胶和增塑热塑性塑料相比,它在成本、质量和安全以及毒性方面具有优势。由于多功能的机械性能和不同的加工技术,热塑性弹性体的应用范围极其广泛。

粘合剂、涂料和密封剂

Compounding

化合物

消费品

Electronics

电子产品

工业和建筑

Medical

医疗用品

Mobility

汽车用品

Oil Modification

油改性

个人护理 & 卫生

Sporting Goods & Footwear

体育和鞋类用品

3D Printing

3D 打印

监管

美国食品和药物管理局

美国食品和药物管理局 (FDA) 对在美国生产或进口到美国的食品提出了严格的要求。 食品工业使用各种与食品接触的塑料。 这些塑料必须符合 FDA 的要求。

美国药典

美国药典 (USP) 将用于制药和医疗器械的塑料分为六种生物相容性等级。

欧盟指令/条例

各种欧盟法规和欧盟指令解决了关于塑料的要求,如关于一次性塑料的指令(EU)2019/1904。

ISO 10993

ISO 10993是医疗器械生物学评价的一系列ISO标准。这些标准的主要目的是保护人类免受因使用医疗器械而产生的潜在生物风险。这些ISO标准被广泛用作医疗器械制造商和测试实验室整体评估和开发的一部分。本标准不仅对最终产品进行了评估,还对关键原材料 包括医用级热塑性弹性体 进行了评估。

ASTM试验

ASTM国际是一家总部位于美国的国际标准化组织,其发布商品和服务的技术标准。ASTM标准的使用是自愿的,但在美国的公共资助部门除外。尽管是自愿的,但许多制造商仍对其热塑性弹性体和其他产品进行ASTM测试,因为这符合其自身利益,以确保可比性,并让客户更好地了解产品。

可乐丽的热塑性弹性体

SEPTON™

SEPTON™ 是可乐丽开发的一系列苯乙烯热塑性弹性体。 氢化苯乙烯嵌段共聚物 (HSBC) 由苯乙烯基硬嵌段和氢化二烯软嵌段组成。 HSBC 表现出类似橡胶的弹性,因为硬嵌段充当低于聚苯乙烯玻璃化转变温度的交联点,而软嵌段提供弹性。 氢化产生优异的耐热性和耐候性。

SEPTON™

SEPTON™ BIO 系列

可乐丽提供独特的氢化苯乙烯法呢烯嵌段共聚物 (HSFC) 和 SEPTON™ BIO 系列 [链接],这使可乐丽成为市场上第一家也是唯一一家生物基 HSBC 材料制造商。SEPTON™ BIO 系列, 这使可乐丽成为市场上第一家也是唯一一家生物基 HSBC 材料制造商。 SEPTON™ BIO系列热塑性弹性体为制造商提供了一种新的解决方案,它使具有高生物基含量的新化合物和最终用途,能够扩大现有市场领域并开辟新领域。

与传统 SBC 相比,SEPTON™ BIO 系列的温室气体排放量更低。

HYBRAR™ (SBC/HSBC)

HYBRAR™ 是一种真正独特的三嵌段共聚物,由聚苯乙烯末端嵌段和富含乙烯基键合的聚二烯中间嵌段组成。由于其接近室温的峰值损耗因数即使没有集成增塑剂,HYBRAR™也表现出高减振和减震性能。 HYBRAR™ 热塑性弹性体有耐用的氢化和非氢化等级。grades.

HYBRAR™

KURARITY™

KURARITY™ 是使用可乐丽独特的阴离子活性聚合技术生产的新系列丙烯酸嵌段共聚物,该技术将各种(甲基)丙烯酸酯结合成 A-B 或 A-B-A 型嵌段共聚物。 由于其结构,KURARITY™ 热塑性弹性体表现出多种性能,例如优异的透明度、耐候性、自粘性以及与其他极性材料的良好相容性。

KURARITY™

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