一、 热塑性弹性体(TPE)的定义
热塑性弹性体(thermoplastic elastomer,简记:TPE)是指在常温下具 有加硫橡胶的性质(即弹性体的性质),在高温下又可以塑化变形之高分子 材料。它可以用塑料的加工机器如注塑成型、挤出成型、吹塑成型、压延成 型、T-Die 流延成型等较传统硫化橡胶更为快速的加工方式制造成品,且有 质轻(密度低)、环保(可回收、燃烧无毒)、使用寿命长(可较传统橡胶达5~10 倍以上)、加工变化度大、制品总成本低等优点。在各行业中,逐渐被 广泛使用。TPE 有时候也被称作热塑性橡胶(Thermoplastic Rubber,TPR), 但由其定义而言,应称为 TPE 较适当。 TPE 是弹性体,具有加硫橡胶的性质,但却不需要加硫。此外 TPE 并 具有许多介于橡胶与塑料中间的特征。
二、 橡胶与塑料的基本性质
TPE 为同时具有橡胶(或弹性体)与塑料之性质的材料,故以下先对橡 胶、塑料的基本性质
做一简介。
弹性体
应 1
力
3 粘弹性体
2 塑性体
应 变
图 1-1 各种物体的应力—应变特性
包括橡胶(或弹性体)及塑料的高分子材料,其代表性的物理性质,可由应力—
应变的特性看出。图 1-1 为各种高分子材料的试片,在被拉伸时表现的应力— 应变行为。图中箭头则表示试片受到拉伸及放松时,应力—应变的变化。
钢铁是伸长率(应变)很小的材料,其应力—应变性质如 1 所示,是可 恢復原狀的完全弹性体。而粘土则是完全的塑性体,如 2 所示,为完全无法 回復。至于高分子物质则兼具弹性体与塑性体的性质,为粘弹性体 3 的行 为,但橡胶(或弹性体)较塑料更接近于完全弹性体。
由于多數塑料为粘弹性体,要具体描述热塑性弹性体与一般塑料的区别 并不容易,较大的差異为热塑性弹性体在常温下具有高伸长率、高回弹率、 低压缩永久变形率、及低脆化温度等特性。另一最大区别是分子结构的差 異,由于 TPE 具有加硫橡胶的性质,表示 TPE 必定由橡胶成分(即软质段,soft segment)与塑料成分(即硬质段,hard segment)所 构成,软质段具有弹性,而硬质段则在常温时发挥架桥点一般的作用,可防止塑性变形。但当 温度上升时,硬质段的塑料成分会熔融,失去作为架桥点的作用,而成为可 塑性变形,如同塑料般加工时成型。
三、 TPE 材料的种類:
TPE 的种類很多。如上所述,TPE 含有硬质段及软质段,分類的方法通 常是以影响最大的主链分子构造的差異來分几大類,再以软质段、硬质段之 分子固定方式之不同细分。可形成软质段的分子包括以下的橡胶:聚丁二烯(BR)、聚異戊二烯(IR)、天然橡胶(NR)、乙烯—丙烯橡胶(EPDM)、 丁基橡胶(IIR)、聚異丁烯、聚乙烯—聚丁烯、非结晶性聚乙烯、聚醚、聚酯等。
另一方面,形成硬质段的分子可使用以下塑料:聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、间规聚合1,2聚丁二烯、反式1,4聚異戊二系、聚氨酯、聚酯、聚酰 胺等。
依 TPE 主链上分子构造的差異,可大分为如图 1-2。
图 1-2. SBS
SIS TPS(苯乙烯系) SEBS
(苯乙烯/丁二烯嵌段共聚物,SBC) SEPS
其它
TPO(单纯混掺型) 聚烯系 TPV(动态加硫型)
TPE RB(间规聚合 1.2BR) 聚二烯系 TPI(反式聚異戊二烯) TPNR(PP/天然橡胶)
氯系 TPVC(硬质:PVC,软质:PVC 或 NBR)
TPU 系(热塑性聚氨酯)
TPEE 系(聚醚酯弹性体) 工程塑料系 TPA 系(聚酰胺系)
氟素系
TPE 的另一种分類法,为依巨观构造的差異,分为纯 TPE 及混掺 TPE。
纯 TPE 是指一个分子链中,既有软质段与硬质段的共价结合,在经聚合或缩 聚合而成之高分子聚合物;混掺型 TPE 则是将作为软质段的橡胶成分,与为硬质段的塑料成分,二者混掺制成,以苯乙烯系及氯系 TPE 为主流,用途逐渐扩大。
四、 TPE 的性能比较
表 1 为主要 TPE 之各种性能比较。兹再将工业上常用之 TPE 主要特性 作一概括性說明:
1. TPU(热塑性聚氨酯):
TPU 主要由(1)短链二醇与異氰酸酯反应所得 PU 作硬质段,(2)长链二 醇与異氰酸酯反应所得 PU 作软质段,二者构成直链狀多嵌段的共聚物即为 TPU。TPU 主要依其软质段之聚醇分兩大系列:聚醚系及聚酯系,然后可内 细分为 PTMG、PEG(polyoxyethylene glycol)、PPG(polyoxypropylene glycol)、ADP(Adipic ester 系)、PCL(caprolacton 系)、PC(polycarbonate 系)等,TPU 中软质段的差異,对物性所形成的影响如下: