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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拉伸至原來長度的兩倍以上，并具有在應力消除后幾乎完全恢復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，通常是用于改進抗沖擊強度。對于板材和一般模塑級復合材料來說，這是相當普遍的。
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，以機械或化學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)進步的產(chǎn)物，這些材料原先開發(fā)的目的是改進軟包裝薄膜的特性。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、負載或應力環(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將如何表現(xiàn)的測試值。有幾種普遍采用的試驗，可顯示彈性體在最終用途環(huán)境里將會如何表現(xiàn)。
斷裂抗拉強度
此測試值又稱為極限抗拉強度。在此試驗中，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測出。其單位通常是磅/平方英寸(psi)或兆帕(MPa)。極限抗拉強度高的彈性體，與測試值較低的彈性體相比較不易拉斷。
抗撕裂強度
此測試值說明彈性體抵抗撕裂的性能如何。抗撕裂強度試驗與斷裂抗拉強度試驗基本相同，但試片一側(cè)有一V形缺口以作為擴展點。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于其長度與原始長度的各種不同百分比時的抗拉強度，例如在50%、100%或300%時的抗拉強度。彈性體對拉伸的抵抗力在開始時可能會很強，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的流動方向進行，還是沿著橫斷方向進行，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）
某些試驗是用注射模塑的試片進行的，而另一些試驗則是用擠壓成型的試片進行的。由于不同類型的試片其測試值會有顯著差別，所以很重要的一點是，只能對同類型試片的測試值進行比較。
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25%并保持一定的時間。任其復原30分鐘后再測量此樣品。
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23 °C（室溫）
22小時，70小時，168小時（1星期），1000小時（42天）。 -
70 °C
22小時，70小時，168小時（1星期），1000小時（42天）。 -
121 °C
22小時，70小時，168小時（1星期），1000小時（42天）。 -
150 °C
22小時，70小時，168小時（1星期），1000小時（42天）。
所得的測試值是材料樣品未能恢復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，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變條件下所發(fā)生變形的量，而蠕變則是在某一恒定應力條件下所發(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、接觸時間長短、有無負荷存在，以及工件設(shè)計結(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)、美國安全檢測實驗室(UL)方法、半抗拉強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用實例包括汽車、運輸、液壓軟管以及礦井電纜等。不要求較高適用溫度的應用實例則包括一般的室內(nèi)用途，例如個人養(yǎng)護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，材料的相對軟度或硬度往往是首先要考慮的指標之一。硬度也與其它重要設(shè)計特性有關(guān)，例如拉伸模數(shù)和撓曲模數(shù)。由于各種不同的測量標度以及硬度與其它材料特性的關(guān)系，在討論硬度時可能會產(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。用一個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。使用最普遍的標度之一是肖氏A級標度，使用一種較鈍的壓頭和彈力中等的彈簧。當讀數(shù)超過90以上時，肖氏A級硬度計就變得不是很精確。對于較硬的材料，則使用肖氏D級硬度計，因為它有一個銳利的壓頭和彈力較強的彈簧，可穿入較深的深度。
當測量更硬的塑料時，就使用壓頭更銳利和彈力更強的硬度計，例如洛氏硬度計。而在另一極端，則使用肖氏00級硬度計，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，但隨著時間的推移，因發(fā)生蠕變和松弛而會屈服。硬度計的讀數(shù)可以即時讀取，也可在某一段特定延遲時間之后讀取，通常是在5至10秒鐘之后讀取。即時讀數(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、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，當厚度較薄時也能精確地測試。
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，當硬度值增加時，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，但其抗張強度則較小。摩擦系數(shù)(COF)與硬度成反比關(guān)系。當TPE硬度增加時，摩擦系數(shù)通常會減小。
當比較各種不同系列的TPE時，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地規(guī)定了用于食品方面的各種聚合物和復合材料的允許標準。當一種產(chǎn)品被劃為“FDA級”材料時，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)境保護領(lǐng)域制訂標準、進行產(chǎn)品測試和提供認證服務的機構(gòu)。NSF認證項目是經(jīng)過美國國家標準學會(ANSI/RAB)、荷蘭鑒定委員會(RvA)和加拿大標準委員會(SCC)進行資格鑒定的。
試驗機構(gòu)聯(lián)盟使得NSF的試驗在世界其它地區(qū)也被接受。試驗機構(gòu)聯(lián)盟的某些成員包括Intertek試驗服務公司(ITS)、荷蘭的KIWA N.V.、加拿大的加拿大標準協(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認證的典型應用領(lǐng)域有飲用水、水處理系統(tǒng)、餐館服務業(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用。USP試驗是為了提供聚合物容器材料在生物效應方面的資料。根據(jù)在專門的USP生物試驗中的表現(xiàn)，聚合物被分為六個等級。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行進一步試驗。另外，還有一個遞增的萃取溫度范圍可供選擇，以進一步給該材料定性。
美國安全檢測實驗室(UL)
安全檢測實驗室是一個獨立的非盈利性產(chǎn)品安全和測試認證機構(gòu)，其基地設(shè)在美國。常用的試驗有UL-94（分為HB、V0、V1或V2各種等級的垂直和水平的燃燒試驗）、VTM（薄膜燃燒試驗），以及VW（垂直線材燃燒試驗）。UL規(guī)格涵蓋的典型應用領(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。
加拿大標準協(xié)會(CSA)
CSA是加拿大為某些方面的應用制訂性能標準和測試方法的主要標準機構(gòu)。它是與美國的ASTM、UL、DOT、FDA以及MIL類似的機構(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：
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熱塑性
-
熱固性
結(jié)構(gòu)
熱塑性彈性體是這樣一類材料，當加熱時它們會軟化/熔化，而在冷卻時則會硬化，且可如此反復變化。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立的、互相擰在一起的細線，就像意大利面條一樣（見上圖）。當加熱時（例如模塑時），各分子鏈就開始滑動，形成塑性流動。當冷卻時，原子和分子鏈又重新牢固地纏在一起。當再加熱時，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)有實際的限度，超過該限度后其外觀和機械性能將受到影響。
熱固性彈性體在加工期間經(jīng)歷了化學變化，永久性地變?yōu)椴蝗芎筒蝗?。正是這種化學交聯(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，當熱固性橡膠硫化或硬化時，毗鄰的分子之間將形成交聯(lián)，構(gòu)成復雜、互相連接的網(wǎng)絡。這些交聯(lián)鍵防止了各分子鏈的滑動，從而阻止加熱時的塑性流動。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加工的特點，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。
|
項目 |
TPE |
熱固性橡膠 |
|
制造 |
迅速(以秒計) |
緩慢(以分計) |
|
邊角料 |
可重新利用 |
浪費比例高waste |
|
硫化劑 |
不需要 |
需要 |
|
機械 |
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 |
|
設(shè)計優(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：
-
設(shè)計靈活。
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制造成本較低。
-
加工周期較短。
-
很少或不需要混煉。
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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。
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可采用熱成型。
-
能耗較低。
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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TPE從熔融狀態(tài)開始冷卻時，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格的應用中，出乎意料之外的收縮可能會影響某個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
當工件含有型芯或鏤空部分時，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、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)。若從高應力狀態(tài)很快地變?yōu)榈蛻顟B(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，實際收縮值只有等到具體工件成型時才能得知。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。當設(shè)計模具時，這一因素必須要考慮在內(nèi)。
