Термопластичные эластомеры: особенности, виды, сферы применения

О чем речь? Термопластический эластомер – материал, сочетающий в себе свойства обоих своих предтеч. От одного он взял гибкость и упругость, от другого – способность к формованию при нагревании.

Что важно? Существует несколько видов термопластических эластомеров, каждый из которых обладает своими физико-химическими особенностями. Именно они диктуют выбор материала для конкретной продукции.

Краткая история появления термопластичных эластомеров

Термопластичные эластомеры были изобретены благодаря работам по созданию новых полимеров, которые, по сравнению с известными пластиками и резинами, имели бы улучшенные свойства.

Они были получены одновременно несколькими компаниями в середине ХХ века. В числе первых разработчиков можно назвать компанию DuPont, которая в 1954 году запатентовала Hytrel. В это же время Uniroyal и Bayer создали свои варианты таких материалов, причем коммерчески доступные виды были получены за довольно короткое время.

Рост популярности термопластичных эластомеров (ТРЕ) в 1960-х годах связан с выходом на рынок таких полимеров как Thermolast K, Dryflex, Tuftec, Cawiton, Thermolast M, Sofprene, Laprene, которые относятся к блок-сополимерам стирола. Их появление совершило настоящую революцию, а в 1970-е годы они распространились совсем широко.

К 1990 году в мире каждый год производилось 680 000 тонн ТРЕ, а ежегодный прирост составил 9 %. А тот факт, что их можно перерабатывать повторно, в отличие от резины, еще больше увеличил популярность этих материалов.

Общая характеристика термопластичного эластомера

Термоэластопласты — это класс современных полимеров, которые объединяют в себе уникальные качества термопластов и традиционных эластомеров. При комнатной температуре это высокоэластичные материалы, которые могут подвергаться значительным обратимым деформациям, то есть, имеют свойства, аналогичные вулканизированной резине. Если ТРЕ нагреть до определенной температуры, они приобретают текучесть и могут легко перерабатываться, то есть ведут себя как термопластичные полимеры.

В основе структуры термопластичных эластомеров лежит блок-сополимерная архитектура типов АВ или АВА, где блоки А — это сегменты, отличающиеся жесткостью и состоящие из кристаллических полимеров (полиэтилена, полистирола и других). Благодаря этим блокам материал приобретает механическую прочность за счет физической сшивки при температуре, не превышающей температуру их размягчения. Блоки В представляют собой гибкие сегменты, состоящие из аморфных полимеров (полиизопрена, полибутадиена и других), которые имеют низкую температуру стеклования и придают материалу эластичность.

В отличие от традиционных резин термопластичные эластомеры не требуют вулканизации и могут перерабатываться стандартными методами, которые используются для термопластов. Благодаря этому технология изготовления изделий значительно упрощается, а производственный цикл, как и энергозатраты, сокращаются. Также ТРЕ можно перерабатывать повторно, что дает им дополнительное преимущество в сравнении с термореактивными эластомерами в плане экологичности.

Свойства термопластических эластомеров

В зависимости от состава, наличия наполнителей и добавок, технологии изготовления и структуры термопластичные эластомеры могут обладать разными свойствами. Для них характерна высокая стабильность и отличные тепловые свойства в широком температурном диапазоне и при воздействии неполярных материалов.

К основным свойствам ТРЕ относятся:

1. Упругость — данные материалы отличаются высокой упругостью и хорошо восстанавливают форму после деформации.
2. Прочность — это высокопрочные материалы, устойчивые к сжатию и растяжению.
3. Устойчивость к химическому воздействию — термопластичные эластомеры отличаются высокой химической стойкостью, что позволяет применять их в агрессивных средах.
4. Стойкость к истиранию — ТПЭ устойчивы к истиранию, поэтому могут применяться при повышенных нагрузках.
5. Температурная устойчивость — в зависимость от вида материала термопластичные эластомеры можно использовать при разных температурах, как низких, так и высоких.

Методы получения изделий из термопластичного эластомера

Термопластичные эластомеры можно перерабатывать стандартными методами, которые используются для термопластов. Это является важным преимуществом и позволяет значительно упростить технологический процесс, в отличие от обработки резин, которая включает этап вулканизации.

Литье под давлением

Этот метод наиболее часто используется для переработки ТПЭ. В зависимости от типа термопластичного эластомера сырье нагревают до температуры 150-250 0С в термопластавтоматах.

Гранулированный материал засыпают в бункер, где он пластифицируется вращающимся шнеком при нагревании. Расплавленный состав под высоким давлением подают в охлаждаемую форму, где он остывает и затвердевает, после чего готовое изделие достают из формы.

Достоинства метода: точность размеров, автоматизация и высокая производительность, возможность получать детали сложной формы.

Читайте также!

Ударопрочный пластик: свойства, способы получения, сферы применения

Подробнее

Экструзия

Это непрерывный процесс формования профильных изделий, заключающийся в том, что расплавленный полимер продавливается через формующую головку. Для переработки термопластичных эластомеров используются одношнековые и двухшнековые экструдеры, сырье нагревается до 150-2300С. Гранулы материала поступают в зону загрузки экструдера из бункера и захватываются вращающимся шнеком.

После нагревания и пластификации расплав подается к формующей головке, под давлением проходит через профилирующее отверстие в ней и получает заданную форму. Далее изделие охлаждается и проходит калибровку. Путем экструзии получают шланги, изоляцию для кабелей, уплотнительные профили, трубы.

Выдувное формование

Данный метод применяется для получения полых изделий из термопластичных эластомеров. В процессе производства трубчатая заготовка (преформа) подается в полость, где под воздействием сжатого воздуха раздувается, обретая форму этой полости. Существует экструзионно-выдувное формование, когда преформа экструдируется непосредственно в форму, а также литьевое выдувное формование, когда сначала преформу получают литьем под давлением. С помощью выдувного формования делают различные полые изделия с одинаковой толщиной стенки (бутылки, резервуары, емкости и т. д.).

Термоформование

Используется в производстве изделий из листовых материалов. Для этого лист ТПЭ сначала нагревают до температуры размягчения, а затем с помощью избыточного давления или вакуума формуют в пресс-форме. Далее изделие охлаждают и вынимают из формы. Метод термоформования не требует дорогостоящей оснастки и используется для изготовления защитных панелей, упаковки, декора, контейнеров.

Специальные перерабатывающие технологии

Вакуумное прессование — используется для получения изделий, отличающихся плотной структурой и низким внутренним напряжением. Сырье под вакуумом нагревается в форме, что позволяет устранить воздушные пузырьки и получить структуру без пор.

Ротационное формование — применяется для изготовления полых крупногабаритных изделий путем нагревания и одновременного вращения материала в форме вокруг двух перпендикулярно направленных осей. За счет совместной экструзии можно получать многослойные изделия, каждый слой которых имеет определенные свойства.

Виды термопластичных эластомеров

Все термоэластопласты делятся на шесть групп. Ниже мы подробнее рассмотрим эти группы, расположив их в порядке увеличения цены.

• Стирольные блок-сополимеры

Обычно они включают двухфазные блок-сополимеры, состоящие из мягких и твердых сегментов. Термопластичные свойства обусловлены стирольными концами, а эластомерные достигаются благодаря наличию средних бутадиеновых блоков. В процессе гидрирования стирольные блок-сополимеры переходят в стирол-этилен-стирольные каучуки за счет того, что в бутадиеновом компоненте разрушаются связи С = С и образуется промежуточный блок бутилена и этилена. Эти каучуки имеют повышенную термическую и химическую стойкость и улучшенные механические свойства. Такие блок-сополимеры применяются в производстве обуви, битума, рукояток, а также используются в адгезивах.

• Термопластичные полиолефины

Это термопластичные эластомеры, состоящие из смеси полипропилена и несшитого этилен-пропиленовго каучука. Для повышения терморезистентности и улучшения свойств сжатия также допускается поперечная сшивка. Твердость полиолефинов составляет 80 Shore A (верхняя граница шкалы твердости). Такие материалы обладают эластомерными свойствами и используются для производства приборных панелей и бамперов автомобилей.

• Термопластические вулканизаторы

Эти материалы идут на шаг впереди от термопластичных полиолефинов. Они также состоят из этилен-пропиленового каучука и полипропилена, но отличие заключается в том, что на этапе смешения компоненты подвергаются динамической вулканизации. Сейчас активно идет внедрение Super TPVs — это новые TPE-V, в основу которых положен комплекс инженерных пластмасс и высокоэффективных эластомеров, благодаря чему достигается повышенная устойчивость к химическому и тепловому воздействию.

Читайте также!

Выдувное формование: значение, виды, материалы

Подробнее

• Термопластичные полиуретаны

Это материалы полиэфир-уретанового или полиэфирного типа, используемые для изготовления изделий, в которых важна высокая прочность на разрыв, а также износостойкость и низкая истираемость. Полиуретаны часто являются компонентом проволоки, промышленных ремней, кабелей.

• Термопластичные сополиэфиры

Такие соединения обычно применяются в случаях, когда требуется устойчивость при нагревании (до 1400С) и стойкость к воздействию химических веществ. Кроме того, они обладают достаточно хорошей прочностью на разрыв и устойчивостью к усталости.

• Термопластические полиэфирные блок-амиды

Это термостойкие материалы, которые хорошо переносят воздействие многих химических веществ и могут использоваться в сочетании с полиамидными пластмассами. Термопластические полиэфирные блок-амиды используются для производства кабельных оболочек и изделий для аэрокосмической отрасли.

Сферы применения термопластичных эластомеров

ТПЭ широко применяются в промышленности и других сферах благодаря своим высоким эксплуатационным свойствам.

• Строительная отрасль — из термопластичных эластомеров делают гибкую кровлю, оконные и дверные уплотнители, накладки и рукоятки для инструментов. Также они используются для изготовления трубопроводной арматуры и асфальта.
• Обувная промышленность — благодаря ТЭП подошва обуви не подвергается воздействию реагентов и химических веществ, используемых на дорогах, не страдает от озона и ультрафиолета, не продувается и не растягивается, имеет хорошую прочность на разрыв и остается эластичной на морозе. Кроме того, ее можно окрашивать в любой цвет. Поэтому если вы решили купить обувь, знайте, что именно термопластичные эластомеры обеспечивают ее качество и долговечность.
• Медицина — в этой сфере ТПЭ также нашли широкое применение. Из них делают системы для хранения и переливания крови, перчатки, капельницы, катетеры, детали инструментов, грелки и многое другое.
• Автомобильная промышленность — термопластичные эластомеры используются для изготовления уплотнителей для дверей и окон, ковриков, бамперов, деталей интерьера и т. д.
• Товары массового потребления — ТПЭ входят в состав зубных щеток, станков для бритья, игрушек, велосипедных сидений, сосок, сгибающихся элементов бытовой техники.

Особенности выбора термопластичного эластомера

Чтобы правильно подобрать термопластичный эластомер, необходимо учесть требования к изделию, эксплуатационные условия, а также технологические производственные возможности.

• Температурные условия использования. Прежде всего, нужно обращать внимание на то, в каком температурном диапазоне будет эксплуатироваться изделие. TPS на основе SEBS и PEBA лучше подходят для применения в условиях низких температур (до -500С), а TPV, TPEE, а также специальные марки TPU рекомендуется выбирать, если планируется использование при температуре выше 1000С.
• Уровень механических нагрузок. Если эксплуатация изделия предполагает высокие механические нагрузки, следует выбирать TPU, обладающие высокой износостойкостью и прочностью на разрыв. Если же нужна низкая остаточная деформация при сжатии, то стоит предпочесть TPEE или TPV.
• Особенности химической среды. Разные типы термопластичных эластомеров обладают разной устойчивостью к воздействию растворителей, масел и топлива. Высокая стойкость к маслам, сравнимая с EPDM резиной, характерна для TPV, тогда как TPS отличаются устойчивостью к действию щелочей и кислот (масло- и бензостойкость у них ограничена).
• Технологические особенности. Важно учесть производительность и технологические возможности оборудования, которым располагает предприятие, а также сложность геометрии деталей.

Для экструзии необходимо, чтобы ТРЕ обладал высокой формоустойчивостью и стабильностью, а двухкомпонентное литье предполагает совместимость термопластичного эластомера с жестким компонентом.

Часто задаваемые вопросы о термопластическом эластомере

Насколько безопасно применять термопластичные эластомеры в пищевой промышленности и медицине?

Выпускаются специальные пищевые и медицинские марки термопластичных эластомеров, из которых изготавливают медицинские изделия и продукцию для пищевой промышленности. Они могут контактировать с пищей без вреда для здоровья, не содержат тяжелых металлов и токсичных пластификаторов, что подтверждается сертификатом.

В чем отличие термопластичных эластомеров от обычной резины?

ТПЭ отличаются от вулканизированной резины тем, что не нуждаются в химической вулканизации, поэтому технологический процесс протекает проще. Кроме того, термопластичные эластомеры могут использоваться для вторичной переработки.

Читайте также!

Производство пластиковых изделий: технологии и оборудование

Подробнее

В чем отличие термопластичных эластомеров от силикона?

И тот, и тот материал отличается эластичностью, однако силикон после сшивания не расплавляется, то есть, является термореактивным материалом, а ТПЭ можно перерабатывать благодаря их термопластичности. Также силикон по сравнению с многими ТПЭ является более термостойким.

Допускается ли переработка отходов термопластичных эластомеров?

Да, возможность вторичной переработки является важным преимуществом ТПЭ. Их можно измельчать и перерабатывать снова с помощью литья под давлением или экструзии, причем переработка не приводит к потере свойств термопластичных эластомеров. Для вулканизированной резины такой возможности нет.

Какие добавки применяются при производстве термопластичных эластомеров?

В состав ТПЭ вводятся вспенивающие вещества (придают пористость), УФ-стабилизаторы (повышают устойчивость к солнечному свету), модификаторы (изменяют первоначальные свойства материала).

Термопластичные эластомеры — очень популярные материалы, которые могут использоваться в самых разных сферах благодаря большому диапазону твердости (начиная от мягких гелевых составов, заканчивая пластиком высокой жесткости). За счет введения вспомогательных ингредиентов можно менять состав и структуру полимеров и получать материалы с заданными свойствами, предназначенные для конкретных задач.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com