熱可塑彈性體(TPE)簡介

熱可塑彈性體(thermoplastic elastomer,英文簡稱為TPE)顧名思義就是在室溫下具有彈性、同時加熱熔融後又可像塑膠一樣在模具中進行冷卻成形的材料,因此同時具備了塑膠和橡膠材料的特性。傳統上橡膠材料屬於熱固形(thermosetting polymer)高分子,其特色為材料室溫下為類似麵團的可塑形狀態,放入模具中加熱的時候,橡膠材料會開始進行硫化反應(或稱為交聯反應),在一定的加熱溫度以及成型時間後,橡膠材料會完成大部分的硫化反應,冷卻後的橡膠製品具有彈性(也就是經過彎、折、拉伸等變形仍能回復原狀),因為橡膠屬於熱固形材料,成形的不良品或是回收後的橡膠材料,即使再經過加熱也無法呈現流動狀態,因此很難進行回收再利用;相反的塑膠屬於熱塑形材料(thermoplastic polymer),其原料在室溫下為固體顆粒,經過高溫加熱後會呈現流動的狀態,此時分子間並不會有化學反應,單純為材料吸收熱值後轉換成分子的動能提供材料流動,當在模具中冷卻後即可得到想要的製品形狀,因此塑膠材料的不良品或是回收料,是可以經過再加熱後讓材料呈現流動的狀態,並進行新的產品冷卻成形,但是一般塑膠材料的製品不具有彈性,這也促成了熱可塑彈性體材料(以下簡稱TPE)的開發與誕生。

TPE是一種介於塑膠和橡膠特性之間的材料,主要訴求為具有橡膠般的彈性,但卻可以用傳統塑膠熔融的製程進行成型加工。由於具備了可回收再利用的優勢,因此近幾年品牌廠商考量到環保上,對TPE的需求也與日俱增。然而,嚴格上以高分子的角度來看,TPE是熱可塑材料的總稱,屬於塑膠的其中一個分類,和橡膠差異較大(因為橡膠屬於熱固性高分子)。若以合成時使用的原料來區分,TPE又可細分為TPS、TPEE、TPU、TPV、TPO、TPA等六大類,其基本的特性介紹如下:

  1. TPS(thermoplastic Styrene),熱可塑聚苯乙烯系彈性體:市售主要有氫化的SBS以及SEBS,S就是苯乙烯單體、B則是丁二烯單體,經過高分子聚合反應後得到,優點是延伸率高、易加工,缺點則是耐磨性以及耐油性不佳。
  2. TPEE(thermoplastic Polyester Elastomer)熱可塑聚醚酯彈性體:市售品主要為杜邦的Hytrel®(商品名),主要由二元酸和二元醇經過縮和聚合反應得到,二元醇的部分可選擇聚酯二元醇和聚醚二元醇搭配來調整TPEE的特性,TPEE主要的優點是耐熱性、耐溶劑性以及低溫撓曲性佳,缺點是硬度偏高,且加工溫度需要較精密的控制,才能得到良品。
  3. TPU(thermoplastic Polyurethane Elastomer)熱可塑聚氨酯彈性體:主要原料為二元醇和二元異氰酸酯(diisocyanate),二元醇一樣有聚醚和聚酯二元醇可以選擇,聚酯型的TPU耐溶劑和耐熱性較優異,但是耐水解性比較差,聚醚型則剛好相反,實務上在材料選擇時TPU和TPEE最常被拿來比較,TPEE價格較貴,但是在雪地運動用的部件、汽車防塵套(需耐溫及耐油),TPEE會比較適合,TPU因為耐磨性為TPE中最佳,因此廣泛使用於運動器材的零部件。
  4. TPV(thermoplastic Vulcanizate)熱可塑動態加硫彈性體:合成原理是將塑膠和未交聯的橡膠及硫化助劑,透過反應型雙螺桿押出機在高溫下,進行橡膠交聯反應,同時將交聯反應後的橡膠微粒有效分散到塑膠中的彈性體產品,實務上塑膠大都是使用PP、橡膠則選擇EPDM。TPV因為是邊反應邊進行高分子混摻,因此如何管控製程參數讓反應後的TPV特性可以穩定是重要關鍵。TPV材料的耐油、耐熱、耐候性佳,且壓縮變形量低,加上可回收熔融再利用,這幾年在汽車零部件的市占率逐漸上升,但缺點則是價格高、耐磨性也不佳。
  5. TPO(thermoplastic Polyolefin Elastomer)熱可塑聚烯烃彈性體:這類的彈性體定義上較為廣泛,可以在合成的時候導入長碳鏈的辛烯和乙烯或丙烯一起進行聚和,得到具有彈性的TPO;也可以將PP、PE塑膠和EPDM橡膠,在雙螺桿押出機中,高溫熔融下進行物理性的混合。TPO的主要優點是比重小、價格低、耐臭氧性佳且容易加工,缺點則是不耐非極性溶劑、耐磨性回彈性差,且壓縮永久變形率大,因此要看終端產品使用的環境來判斷是否可用TPO彈性體。
  6. TPA(thermoplastic Polyamide Elastomer)熱可塑聚醯胺彈性體:傳統上COOH酸官能基和NH胺官能基反應後就稱為醯胺基(NHCO)。常見的尼龍6和尼龍66塑膠,為TPA彈性體在原料中一樣導入部分的酯類二元醇和醚類二元醇,並和己內醯胺以及二元酸進行聚和反應所得到。TPA承襲了聚醯胺材料的強韌性、耐熱、耐油、低溫韌性等優點,缺點則為耐熱水性不佳以及高溫加工易色變,同時也是價格最貴的熱可塑彈性體,一般都是客戶指定用料為多,市場領導品牌為法國的Arkema公司。

 

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