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*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。
熱塑性彈性體TPE是一種具有橡膠的高彈性,高強(qiáng)度,高回彈性,又具有可注塑加工的特征,具有環(huán)保無毒安全,硬度范圍廣,有優(yōu)良的著色性,觸感柔軟,耐候性,抗疲勞性和耐溫性,加工性能*,無須硫化,可以循環(huán)使用降低成本,既可以二次注塑成型,與PP、PE、PC、PS、ABS等基體材料包覆粘合,也可以單獨(dú)成型。
熱塑性彈性體既具有熱塑性塑料的加工性能,又具有硫化橡膠的物理性能,可謂是塑料和橡膠優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)勢組合。熱塑性彈性體正在大肆占領(lǐng)原本只屬于硫化橡膠的領(lǐng)地。近十余年來,電子電器、通訊與汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了熱塑性彈性體市的高速發(fā)展。
熱塑性彈性體(TPE)具有硫化橡膠的物理機(jī)械性能和熱塑性塑料的工藝加工性能。由于不需經(jīng)過熱硫化,使用通用的塑料加工設(shè)備即可完成產(chǎn)品生產(chǎn)。這一特點(diǎn)使橡膠工業(yè)生產(chǎn)流程縮短了1/4,節(jié)約能耗25%~40%,提高效率10倍~20倍,堪稱橡膠工業(yè)又一次材料和工藝技術(shù)革命。
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)。
TPE的優(yōu)點(diǎn)
1. 可用一般的熱塑性塑料成型機(jī)加工,不需要特殊的加工設(shè)備。
2. 生產(chǎn)效率大幅提高。可直接用橡膠注塑機(jī)硫化,時(shí)間由原來的20min左右,縮短到1min以內(nèi);由于需要的硫化時(shí)間很短,因此已可用擠出機(jī)直接硫化,生產(chǎn)效率大幅提高。
3. 易于回收利用,降低成本。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料(逸出毛邊、擠出廢膠)和zui終出現(xiàn)的廢品,可以直接返回再利用;用過的TPE舊品可以簡單再生之后回收利用,減少環(huán)境污染,擴(kuò)大再生資源來源。
4. 節(jié)能。熱塑性彈性體大多不需要硫化或硫化時(shí)間很短,可以有效節(jié)約能源。以高壓軟管生產(chǎn)能耗為例:橡膠為188MJ/kg,TPE為144MJ/kg,可節(jié)能達(dá)25%以上。
5. 應(yīng)用領(lǐng)域更廣。由于TPE兼具橡膠和塑料的優(yōu)點(diǎn),為橡膠工業(yè)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。
6. 可用于塑料的增強(qiáng)、增韌改性。自補(bǔ)強(qiáng)性大,配方簡化,配合劑對聚合物的影響制約小,質(zhì)量性能更易掌握。但TPE的耐熱性不如橡膠,隨著溫度上升而物性下降幅度較大,因而適用范圍受到限制。同時(shí),壓縮變形、彈性回復(fù)、耐久性等同橡膠相比較差,價(jià)格上也往往高于同類橡膠。盡管如此,TPE的優(yōu)點(diǎn)仍十分突出,各種新型的TPE產(chǎn)品也不斷開發(fā)出來。作為一種節(jié)能環(huán)保的橡膠新型原料,發(fā)展前景十分看好。
傳統(tǒng)的TPE系列
苯乙烯類樹脂(S-TPE)
共聚多酯(COPE)
聚氨酯(TPU)
聚酰胺(PEBA)
聚烯烴摻混物(TPO)
聚烯烴合金(TPV)
TPE的新品種
反應(yīng)成型的TPO (R-TPO)
聚烯烴塑性體(POP)
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(huì)接觸的溫度、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zui終用途環(huán)境里將會(huì)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。抗撕裂強(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*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%、*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(huì)很強(qiáng),但隨著它的伸長而會(huì)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(dòng)方向均會(huì)影響其拉伸特性測試值。因此,對于許多彈性體,在流動(dòng)方向和橫斷方向這兩個(gè)方向的拉伸特性均要測量。
流動(dòng)方向
如同彈性體的其它許多特性,拉伸特性會(huì)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(dòng)方向進(jìn)行,還是沿著橫斷方向進(jìn)行,拉伸特性可能會(huì)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(huì)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。
TPE的壓縮*變形
壓縮*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*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。
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*變形表示,此熱塑性彈性體只恢復(fù)了被壓縮厚度的60%。*壓縮*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*變形易與蠕變相混淆。然而,壓縮*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的適用溫度
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zui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、筒連線以及玩具等。
TPE的應(yīng)用
熱塑性彈性體以其特異的性能及環(huán)保無毒的特性,逐漸取代近年來受到進(jìn)出口限制的PVC、橡膠材料,得到了越來越廣泛的應(yīng)用:
(1)園林工具:手板鋸、高枝剪、鍬、鏟修枝剪、整籬剪、園林鋸、園林剪刀、草耙、鋼叉、修枝剪、花具、雪鏟、小鋤、修枝鋸、草剪等手柄包膠。
(2)潔具:花灑頭、噴槍、排污管、軟管等。
(3)日常用品:手把類(*、梳子、剪刀、手提箱、牙刷柄等)、腳踏墊、冰格、餐桌墊、瓶蓋內(nèi)襯、背包底座及其他橡塑制品等。
(4)運(yùn)動(dòng)器材:手把(高爾夫球、各種球拍、腳踏車、滑雪器材、滑冰器材等)、潛水器材(蛙鞋、蛙鏡、呼吸管、手電筒等)、剎車塊、運(yùn)動(dòng)護(hù)墊等。
(5)工具材料:手工具(螺絲起子,榔頭、錘子等手柄)。
(6)汽機(jī)車零件:汽車擋泥板、排擋罩、門窗封條、墊片、方向盤、防塵套、腳踏板、投射燈外殼、機(jī)車(腳踏車)手把等。
(7)文具用品:橡皮擦、筆套、墊片等。
(8)醫(yī)療器材:吸球、儀器手把、輪子、束帶、容器、墊圈、防毒面罩、各種管件、瓶塞及相關(guān)醫(yī)療用品等。
(9)電線電纜:電纜線外殼、連接器、插頭被覆等。
(10)輪子包膠:手推車輪子、科研腳輪、工業(yè)腳輪等
(11)資訊部件:游樂器方向盤、手把、鼠標(biāo)被覆、襯墊、外殼被覆、光碟包裝盒及其它軟質(zhì)防震零件等。
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