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热塑性弹性体(TPE)常见问题解答

什么是TPE?

热塑性弹性体通常是低模量的柔性材料,可以在室温下反复拉伸至其原始长度的至少两倍,并能够在释放应力时恢复到其原始长度。 具有这种特性的祖父材料是热固性橡胶,但是许多系列的可注塑热塑性弹性体(TPE)取代了传统橡胶。 除了以基本形式使用外,TPE还广泛用于改变硬质热塑性塑料的性能,通常可提高冲击强度。 对于片状产品和通用成型TPE,这是很常见的。

TPE的类型

直到1996年,这六种主要的TPE类型都可以分为两大类:嵌段共聚物(苯乙烯,共聚酯,聚氨酯和聚酰胺)或热塑性/弹性体混合物和合金(热塑性聚烯烃和热塑性硫化橡胶)。

除了这些TPE,还出现了两种新技术。 它们是茂金属催化的聚烯烃塑性体和弹性体,以及反应器制造的热塑性聚烯烃弹性体。

传统的TPE类型被称为两相系统。 本质上,硬质热塑性相与软质弹性体相机械或化学偶联,从而形成具有两相结合特性的TPE。

传统TPE类

  • 苯乙烯(S-TPE)
  • 共聚酯(COPE)
  • 聚氨酯(TPU)
  • 聚酰胺(PEBA)
  • 聚烯烃共混物(TPO)
  • 聚烯烃合金(TPV's)

TPE新人

  • 反应堆TPO(R-TPO)
  • 聚烯烃弹性体(POP)
  • 聚烯烃弹性体(POE)

新的POP和POE本质上是非常低的分子量,线性低密度聚乙烯(VLMW-LLDPE)。 由于聚合催化剂技术的进步,这些材料最初是为了改善软包装薄膜的特性而开发的。 最近,这些较柔软的聚乙烯已被用作某些非需求模压产品的低成本橡胶替代品。 这些产品主要包括不会暴露在极端温度,压力,负载或压力环境下的产品。 在模制品中,在需要或多或少地限制柔韧性或触感的地方使用这些新材料。 注意它们不是真正的弹性体。

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我可以从TPE中获得什么样的拉伸性能?

拉伸性能

拉伸性能是用来描述弹性体在拉伸时的性能的测量值。 通常使用几种测试来指示TPE在最终使用环境中的性能。

断裂拉伸

此测量也称为极限拉伸。 在该测试中,一块弹性体被拉伸直到断裂。 测量破坏材料所需的力大小。 单位通常以磅/平方英寸(psi)或兆帕斯卡(MPa)为单位。 在此测试中,具有较高极限拉伸性能的弹性体比具有较低值的弹性体更难以通过拉伸断裂。

撕裂强度

该值描述了弹性体抗撕裂的程度。 撕裂强度测试与断裂拉伸测试基本相同,不同之处在于测试棒的一侧开有缺口以提供传播点。 拉伸材料并记录测试条完全撕裂的力的大小。 单位通常以psi或千牛顿/米(kN / m)为单位。

拉伸模量

在拉伸模量测试中,弹性体被拉伸并且在延伸点范围内测量抗拉伸性。 通常以弹性体原始长度的不同百分比(例如50%,100%和300%)的拉伸强度来报告。 弹性体起初可能具有很强的抗拉伸性,但随着其伸长而变弱(称为“颈缩”)。

断裂伸长率

伸长率不能衡量材料的拉伸强度或容易程度,而只能测量其破裂前的拉伸程度。 以原始长度的百分比报告。 一些柔软的弹性体在断裂之前会拉伸至其原始长度的1000%以上。 软弹性TPE通常比硬硬材料具有更高的价值。

影响价值的因素

测试板的成型方法和流动方向会影响拉伸性能值。 因此,在流动方向和横向上都测量了许多弹性体的拉伸性能。

流向

像许多其他弹性体特性一样,拉伸特性会受到成型时聚合物分子取向的影响。 因此,拉伸性能可以根据在模塑过程中是沿聚合物流动方向还是沿横向进行拉伸而变化很大。

测试斑块(挤出与注塑成型)

一些测试是在注塑板上进行的,而另一些测试是在挤出板上进行的。 重要的是仅在相似的测试板类型上比较值,因为值可能存在显着差异。

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“压缩变形”如何适用于TPE?

压缩永久变形是当材料在特定温度下在指定时间内压缩到特定变形时发生的永久变形量。

常用的ASTM测试方法(ASTM D395)要求材料在给定的时间内变形25%(压缩)。 在30分钟的恢复时间后,测量样品。

  • 23°C(室温)
    22小时,70小时,168小时(1周),1000小时(42天)
  • 70°摄氏度
    22小时,70小时,168小时(1周),1000小时(42天)
  • 121°摄氏度
    22小时,70小时,168小时(1周),1000小时(42天)
  • 150°摄氏度
    22小时,70小时,168小时(1周),1000小时(42天)

得出的值是无法恢复到原始高度的材料样本的百分比。 例如,压缩永久变形为40%表示,热塑性弹性体仅恢复了其压缩厚度的60%。 100%的压缩永久变形表示热塑性弹性体永远不会恢复-它保持压缩状态。

通常蠕变与压缩永久变形混淆。 但是,压缩永久变形是在恒定应变下的变形量,而蠕变是在恒定应力下的变形量。

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TPE是否有使用温度?

术语“使用温度”通常用于定义材料适合使用的最高温度。

使用温度取决于许多因素,包括性能要求,暴露时间,负载和零件设计的存在。

测量服务温度的一些常见方法是维卡软化温度,热变形温度(HDT),保险商实验室(UL),半拉伸强度和其他专有方法(取决于行业)。

需要较高工作温度的示例应用包括汽车/运输,液压软管和采矿电缆。 不需要高温的应用实例包括一般的室内应用,例如个人护理产品和厨具的把手,电话线和玩具。

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硬度是什么意思?

硬度

材料的相对柔软度或硬度通常是选择热塑性弹性体时要考虑的首要标准之一。 硬度还与其他重要的设计属性有关,例如拉伸模量和弯曲模量。 由于各种测量尺度及其与其他材料特性的关系,在讨论硬度时可能会引起混淆。

硬度测量

用于测量橡胶硬度的最常见的仪器称为肖氏硬度计。 弹簧用于将金属压头推入材料的表面,测量其穿透的距离。 仪器测量的深度穿透范围是从零到0.100英寸。 标尺上的零读数表示压头处于最大深度,读数为100表示未检测到穿透。

肖氏硬度计有多种硬度范围。 最常见的秤之一是邵氏A秤,使用钝头压头和适度的弹力。 当读数高于90时,Shore A仪器的精度不高。对于较硬的材料,则使用Shore D硬度计,因为它具有尖锐的压头和较强的弹簧,可以穿透到更大的深度。

当测量更硬的塑料时,会使用压头更尖,力更强的仪器,例如洛氏硬度计。 在刻度的另一端,使用肖氏00刻度测量软凝胶和软泡沫橡胶。

大多数材料将抵抗最初的压痕,但由于蠕变或松弛,随着时间的流逝将进一步屈服。 可以立即或在特定的延迟时间(通常在5到10秒之间)之后获取硬度计读数。 瞬时读数总是比延迟读数更高(或更难)。 延迟读数不仅代表材料的硬度,还代表弹性。 较弱的,弹性较小的材料将比较高强度的,更具弹性的材料蠕变更大。

需要准确的测试程序来确保有效数据。 为了获得准确的读数,您必须具有平坦的零件表面以及足够的零件厚度,以防止支撑表面影响结果。 通常所需的厚度为0.200英寸,但可以在较小的厚度下准确测量变形较小的硬TPE。

与其他属性的关系

硬度通常会与其他特性(例如弯曲模量)相混淆。 尽管这两种性能都可以反映产品在客户手中的感觉,但是弯曲模量可以衡量抗弯曲性,而硬度则可以衡量抗压痕性。 在特定的TPE系列中,这两个属性是相关的。 通常,随着硬度值的增加,弯曲模量也增加。

给定的TPE系列的耐蠕变性和拉伸强度通常直接相关。 这意味着,与较硬的材料相比,较软的TPE蠕变更大,拉伸强度更低。 摩擦系数(COF)与硬度成反比。 随着TPE硬度的增加,COF通常会降低。

在比较不同系列的TPE时,需要做出超出硬度的实际物理性能数据才能做出适当的材料决策。

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监管术语的定义

食品药品监督管理局(FDA)

根据美国联邦法规《联邦法规》第21章第1章B章的规定,美国食品和药物管理局提供了详细规范,说明了用于食品应用的各种聚合物和TPE的接受要求。 当产品被归类为“ FDA级”材料时,它表示在其配方中仅使用21 CFR,第170-199部分批准的材料。

国家卫生基金会(NSF)

国家卫生基金会以公共卫生安全和环境保护领域的标准,产品测试和认证服务的开发而闻名。 NSF认证计划获得了美国国家标准协会(ANSI / RAB),荷兰认证委员会(RvA)和加拿大标准委员会(SCC)的认可。

测试联盟也允许NSF在世界其他地区进行测试。 其中一些联盟包括Intertek测试服务(ITS),荷兰的KIWA NV,加拿大的加拿大标准协会(CSA)和QMI,以及日本的日本燃气用具检验协会(JIA)等。

需要NSF认证的典型应用是饮用水应用,水处理系统,餐厅服务和管道。

美国药典(USP)

USP规范涵盖血液和体液的兼容性/接触应用。 USP测试旨在提供有关容器中使用的聚合物材料的生物效应的信息。 根据聚合物在特定USP生物学测试中的性能,可以将聚合物分为六类。 从I到IV的每个增加的分类号都要求对聚合物进行额外的测试,每个水平都使用比上一分类更多的萃取载体。 还可以选择更高范围的提取温度,以进一步表征材料。

保险商实验室(UL)

Underwriters Laboratories是一家位于美国的独立,非营利性产品安全和测试认证组织。 常见的测试有UL-94(垂直和水平燃烧测试,进一步分为HB,V0,V1或V2),VTM(薄膜燃烧测试)和VW(垂直电线燃烧测试)。 UL规范涵盖的典型应用包括手持式电子设备,商用机器和设备。

军事规格(MIL)

某些美国军事和非军事用途可能需要军事规格。 这样的规格包括诸如真菌生长,尺寸稳定性和许多其他材料特性的区域。 在TPE世界中,需要军事规格的应用包括脐带电缆,现场使用的软线,地下电缆和船到岸电缆。

加拿大标准协会(CSA)

CSA是加拿大标准机构的主要职责,它在某些应用中设定性能标准和测试方法。 该机构类似于美国的ASTM,UL,DOT,FDA和MIL。

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热塑性塑料与热固性弹性体有什么区别?

弹性体通常分为两大类:

  • 热塑性的
  • 热固性

结构体

热塑性弹性体是在加热时会反复软化/熔化并在冷却时会硬化的材料。 大多数热塑性塑料都可溶于特定的溶剂,并且可以燃烧到一定程度。 软化/熔融温度随聚合物类型和等级而变化。 由于热塑性塑料对热/剪切的敏感性,必须注意避免材料降解,分解或着火。

可以将大多数热塑性分子链视为类似于意大利面条的独立,交缠的弦(请参见上图)。 加热时(例如,用于成型),各个链条打滑,导致塑料流动。 冷却后,原子和分子的链再次保持牢固。 随后加热时,链条再次打滑。 在影响外观和机械性能之前,热塑性塑料可能经历的加热/冷却循环次数存在实际限制。

热固性弹性体在加工过程中会发生化学变化,变得永久不溶和不溶。 这种化学交联是热固性和热塑性体系之间的主要区别。 典型的热固性弹性体是天然和合成橡胶,例如乳胶,丁腈,可研磨的聚氨酯,硅树脂,丁基橡胶和氯丁橡胶,它们通过一种称为硫化的方法达到其性能。

如下图所示,当热固性材料固化或硬化时,相邻分子之间会形成交联,从而形成复杂的互连网络。 这些交叉键可防止单个链滑动,从而在加热时防止塑料流动。 如果在交联完成后向热固性弹性体添加过多的热量,则聚合物会降解而不是熔融。 这种行为在某种程度上类似于煮熟的鸡蛋:进一步加热不会使鸡蛋恢复液态,只会燃烧。

如何定义处理

重复加工热塑性弹性体的能力使TPE优于热固性橡胶。 下图中捕获了其他关键处理差异。

变量

热塑性弹性体

热固性橡胶

制造

快速(秒)

慢(分钟)

废料

可重用

高浪费率

固化剂

没有

需要

机械

常规热塑性设备

特殊硫化设备

添加剂类

最小或无

大量加工助剂

设计优化

无限

有限

重塑零件

不太可能

热封

没有

资料来源:Robert Eller Associates

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与热固性橡胶相比,TPE有什么好处?

  • 设计灵活性
  • 降低制造成本
  • 缩短处理时间
  • 废料可完全回收
  • 产品一致性
  • 可以吹塑
  • 可以热成型
  • 降低能源消耗
  • 加工更简单
  • 更好地控制产品质量
  • 产品密度范围更广
  • 降低每件成品成本
  • 更环保

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收缩率如何影响TPE?

收缩率

当TPE从其熔融状态冷却时,分子彼此对齐并收缩成型零件的整体尺寸。 尽管通常仅在千分之几英寸/英寸的范围内,但收缩率会极大地影响零件的模制和移除以及最终零件的外观。

如果收缩不均匀,则用于平放的零件可能会弯曲或翘曲。 另外,在公差要求严格的应用中,意外的收缩可能会影响零件在装配体中的配合。

由于这些原因,生产中通常必须考虑收缩率。

零件拆卸

当零件包含型芯或切口时,随着弹性体的收缩,它会在工具周围变紧,从而难以拆卸。 模具设计,模具表面光洁度和加工条件可以减轻这种影响,甚至可以自动去除。

成型条件

成型条件会极大地影响收缩的量和性质。 从高应力状态迅速变为低应力状态会增加收缩量。 零件的快速冷却以及很高的注射速度或压力也会影响收缩率。

设计注意事项

由于收缩,必须将模具切成大于零件所需尺寸的尺寸。 通常,只有在模制特定零件后才能知道确切的收缩率,因此,最好始终保持保守并尽可能使用原型模具。

与其他弹性体特性一样,收缩率通常随聚合物流动方向而变化。 浇口的位置将决定流入零件的方向,从而决定收缩的方向。 而且,某些TPE比其他TPE具有更各向同性的特性,这意味着它们在一个方向上的收缩比在另一个方向上的收缩更大。 设计模具时必须考虑到这一点。 有关设计注意事项如何影响收缩的更多信息,请咨询TPE供应商。

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