热塑性弹性体 (TPE) 常见问题解答
- 什么是 TPE？
- 我的 TPE 具有什么样的拉伸特性？
- “压缩永久变形”如何适用于 TPE？
- TPE 是否有工作温度？
- 硬度是什么意思？
- 监管术语的定义
- 热塑性塑料与热固性弹性体之间有什么区别？
- 与热固性橡胶相比，TPE 有哪些优点？
- 收缩如何影响 TPE？
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近似原始长度。具有这种特性的材料鼻祖是热固性橡胶，但许多可注塑成型的热塑性弹性体 (TPE) 系列正在取代传统橡胶。除了以其基本形式使用外，TPE 还广泛用于改进硬质热塑性塑料的性能，通常用于提高冲击强度。这对于片材和一般成型 TPE 来说很常见。
TPE 的类型
直到 1996 年，六种主要的 TPE 类型仍可分为两大类：嵌段共聚物（苯乙烯、共聚酯、聚氨酯和聚酰胺）或热塑性塑料/弹性体共混物和合金（热塑性聚烯烃和热塑性硫化橡胶）。
除了这些 TPE 之外，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，硬热塑性塑料相与软弹性体相机械或化学耦联，从而产生具有两相综合特性的 TPE。
传统 TPE 类
- 苯乙烯 (S-TPE)
- 共聚酯 (COPE)
- 聚氨酯 (TPU)
- 聚酰胺 (PEBA)
- 聚烯烃混合物 (TPO)
- 聚烯烃合金 (TPV)
TPE 新成员
- 反应器 TPO (R-TPO)
- 聚烯烃塑性体 (POP)
- 聚烯烃弹性体 (POE)
新的 POP 和 POE 本质上是极低分子量的线性低密度聚乙烯 (VLMW-LLDPE)。作为聚合催化剂技术进步的结果，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，这些更灵活的聚乙烯已被用作一些要求不高的模塑制品应用的低成本橡胶替代品。这些主要包括不会暴露在极端温度、压力、负载或压力环境中的产品。在模塑制品中，这些新材料被用于需要或多或少有限程度的柔韧性或触感的地方。请注意，它们不是真正的弹性体。
我的 TPE 具有什么样的拉伸特性？
拉伸性能
拉伸性能是用于描述弹性体在拉伸时的性能的测量值。通常使用多项测试来指示 TPE 在最终使用环境中的性能。
断裂拉伸
这种测量也称为极限拉伸。在此测试中，一块弹性体被拉伸直至断裂。测量断裂材料所需的力的大小。通常以磅每平方英寸 (psi) 或兆帕斯卡 (MPa) 为单位。在该测试中，具有高极限拉伸性能的弹性体将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能力。撕裂强度测试与断裂拉伸测试基本相同，但测试棒在一侧有缺口以提供传播点。拉伸材料并记录测试棒完全撕裂时的力的大小。通常以磅每平方英寸 (psi) 或千牛每米 (kN/m) 为单位。
抗拉模量
在拉伸模量测试中，弹性体被拉伸并在一系列伸长点上测量拉伸阻力。这通常被报告为弹性体原始长度的不同百分比的拉伸，例如 50%、100% 和 300%。弹性体最初可能具有很强的抗拉伸性，但抗拉伸性随着弹性体的伸长而变弱（称为“缩颈”）。
断裂伸长率
伸长率并不衡量材料拉伸的难易程度，而是衡量材料在断裂前能拉伸多长。这是以原始长度的百分比报告的。一些软弹性体在断裂前会拉伸到超过其原始长度的 1000%。软弹性 TPE 的值远远大于硬刚性材料。
影响值的因素
测试板的成型方法和流动方向会影响拉伸性能值。出于此原因，许多弹性体在流动方向和流动方向的横向上都测量了拉伸性能。
流向
与许多其他弹性体特性一样，拉伸特性受成型时聚合物分子取向的影响。因此，拉伸性能可能有很大差异，具体取决于拉伸是在模塑过程中沿聚合物流动方向还是横向进行。
测试板（挤压成型与注塑成型）
一些测试是在注塑板上进行的，而另一些是在挤压板上进行的。重要的是只比较类似测试板类型上的值，因为值可能存在显著差异。
“压缩永久变形”如何适用于 TPE？
压缩永久变形指的是当材料在特定温度下被压缩到特定变形并保持一段特定时间时发生的永久变形量。
通常使用的 ASTM 测试方法 (ASTM D395) 要求材料变形（压缩）25% 并保持一段特定的时间。在 30 分钟的恢复时间后，对样本进行测量。
- 23° C（室温）
22 小时、70 小时、168 小时（1 周）、1000 小时（42 天） - 70℃
22 小时、70 小时、168 小时（1 周）、1000 小时（42 天） - 121℃
22 小时、70 小时、168 小时（1 周）、1000 小时（42 天） - 150℃
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其原始高度的材料样本的百分比。例如，40% 的压缩永久变形表示热塑性弹性体仅恢复其压缩厚度的 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。
蠕变经常与压缩永久变形相混淆。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。
TPE 是否有工作温度？
“工作温度”一词宽泛地用于定义材料适合使用的最高温度。
工作温度取决于许多因素，包括性能要求、暴露时间长短以及负载和零件设计的存在与否。
一些用于测量工作温度的常用方法包括维卡软化温度、热变形温度 (HDT)、Underwriter's Laboratory (UL)、半抗拉强度和其他的行业专有方法。
需要相对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。不需要高工作温度的应用示例包括一般室内应用，例如个人护理用品把手、厨房用具、电话线和玩具。
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首先考虑的标准之一。硬度还与其他重要的设计特性有关，例如拉伸和弯曲模量。由于测量尺度的多样性及其与其他材料特性的关系，在讨论硬度时可能会产生混淆。
硬度测量
用于测量橡胶硬度的最常用仪器称为邵氏硬度计。弹簧用于将金属压头推入材料表面，测量其穿透深度。该仪器测量从零到 0.100 英寸的深度穿透。读数为零表示压头处于最大深度，读数为 100 表示未检测到穿透。
邵氏硬度计有多种硬度范围。最常见的刻度之一是邵氏 A 刻度，使用钝压头和适度的弹簧力。当读数高于 90 时，邵氏 A 仪器不那么准确。对于较硬的材料，使用邵氏 D 硬度计，因为它具有锋利的压头和更强的弹簧，可以穿透更深的深度。
当测量更硬的塑料时，使用具有更锋利的压头和更大力的仪器，例如洛氏硬度计。在刻度的另一端，使用邵氏 00 刻度测量软凝胶和软泡沫橡胶。
大多数材料会抵抗初始压痕，但随着时间的推移会由于蠕变或松弛而进一步屈服。硬度计读数可以立即获取，也可以在特定的延迟时间（该时间通常为 5 到 10 秒之间）后获取。瞬时读数总是比延迟读数给出更高（或更硬）的读数。延迟读数不仅更能代表材料的硬度，也更能代表材料的弹性。相较于强度较高、弹性较大的材料，较弱、弹性较小的材料蠕变更多。
需要准确的测试规程来确保有效数据。若要获得准确的读数，您必须拥有平坦的零件表面，以及足够的零件厚度，以防止支撑面影响结果。通常所需的厚度为 0.200 英寸，但变形较小的硬质 TPE 可以在较低的厚度下进行准确测量。
与其他特性的关系
硬度经常会与弯曲模量等其他特性混淆。虽然这两个特性都反映了产品的触感，但弯曲模量衡量的是抗弯曲性，而硬度衡量的是抗压痕性。在特定的 TPE 系列中，这两个特性是彼此相关的。弯曲模量通常会随着硬度的增加而增加。
给定 TPE 系列中的抗蠕变性和拉伸强度通常彼此直接相关。这意味着与较硬的材料相比，较软的 TPE 蠕变更多，拉伸强度更小。摩擦系数 (COF) 与硬度成反比。摩擦系数通常会随着 TPE 硬度的增加而降低。
在对比不同系列的 TPE 时，需要超出硬度的实际物理特性数据才能做出适当的材料决策。
监管术语的定义
美国食品药品监督管理局 (FDA)
根据《联邦法规》第 21 篇第 1 章 B 子章，美国食品药品监督管理局提供有关接受各种聚合物和 TPE 用于食品应用的预期用途的要求的详细规范。当产品被归类为“FDA 级”材料时，它表示在其配方中仅使用《联邦法规》(CFR) 第 21 篇第 170-199 部分批准的材料。
美国国家卫生基金会 (NSF)
美国国家卫生基金会以在公共卫生安全和环境保护领域制定标准、产品测试和认证服务而闻名。NSF 认证计划已获得美国国家标准协会 (ANSI/RAB)、荷兰认证委员会 (RvA) 和加拿大标准委员会 (SCC) 的认可。
测试联盟也让 NSF 测试在世界其他地区被接受。其中一些联盟包括 Intertek Testing Services (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相容性/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。聚合物可分为六个等级，具体取决于其在特定 USP 生物测试中的性能。每个增加的等级编号（从 I 到 IV）都要求对聚合物进行额外的测试，每个等级使用比前一等级更多的提取载体。还有一系列越来越高的提取温度。可以选择这些温度来进一步表征材料。
Underwriters Laboratories (UL)
Underwriters Laboratories 是一家独立的非营利性产品安全和测试认证机构，总部位于美国。常见的测试有 UL-94（垂直和水平燃烧测试，进一步分类为 HB、V0、V1 或 V2）、VTM（薄膜燃烧测试）和 VW（垂直线燃烧测试）。UL 规范涵盖的典型应用包括手持电子产品、商用机器和电器。
美国军用规格 (MIL)
某些美国军事和非军事应用可能要求采用军事规格。这些规格包括真菌生长、尺寸稳定性和许多其他材料特性等领域。在 TPE 领域，需要军用规格的应用包括脐带电缆、现场使用软线、地下电缆和岸电电缆。
加拿大标准协会 (CSA)
CSA 是主要的加拿大标准机构，负责制定特定应用的性能标准和测试方法。此机构类似于美国的 ASTM、UL、DOT、FDA 和 MIL。
热塑性弹性体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
- 热固性
结构
热塑性弹性体是一种在加热时反复软化/熔化并在冷却时硬化的材料。大多数热塑性弹性体可溶于特定溶剂，并可在一定程度上燃烧。软化/熔化温度因聚合物类型和等级而异。由于热塑性弹性体的热/剪切敏感性，必须小心避免降解、分解或点燃材料。
大多数热塑性分子链可以被认为是独立的、相互缠绕的线，类似于意大利面条（见上图）。加热时（例如用于成型），各个链条滑动，导致塑料流动。冷却后，原子链和分子链再次牢牢固定。随后加热时，链条会再次滑动。在外观和机械性能受到影响之前，热塑性弹性体可以承受的加热/冷却循环次数有实际限制。
热固性弹性体在加工过程中会发生化学变化，变得永久不溶和不熔。这种化学交联是热固性和热塑性系统之间的主要区别。天然和合成橡胶（例如乳胶、丁腈橡胶、可混炼聚氨酯、硅树脂、丁基橡胶和氯丁橡胶），通过称为“硫化橡胶”的过程获得其性能，是典型的热固性弹性体。
如下图所示，当热固性弹性体固化或硬化时，相邻分子之间会形成交联，从而形成复杂的互连网络。这些交叉键防止单个链条滑动，从而防止加热时塑料流动。如果在交联完成后向热固性弹性体施加过多的热量，则聚合物会降解而不是熔化。这种行为有点类似于煮熟的鸡蛋：进一步加热不会使鸡蛋恢复液态，它只会燃烧。
如何定义加工
重复加工热塑性弹性体的能力提供 TPE 优于热固性橡胶的主要优势。下图显示其他关键的加工差异。
|
多变 |
热塑性弹性体 |
热固性橡胶 |
|---|---|---|
|
制造 |
快速（秒） |
慢（分钟） |
|
废料 |
可重复使用 |
高百分比废弃物 |
|
固化剂 |
无 |
必需 |
|
机械 |
常规热塑性设备 |
专用硫化橡胶设备 |
|
添加剂 |
极少或无 |
多种加工助剂 |
|
设计优化 |
无限 |
有限 |
|
重塑零件 |
是 |
不太可能 |
|
热封 |
是 |
否 |
来源：Robert Eller Associates
与热固性橡胶相比，TPE 有哪些优点？
- 设计灵活性
- 更低的制造成本
- 更短的加工时间
- 废料是完全可回收的
- 产品一致性
- 可吹塑
- 可热成型
- 更低的能源消耗
- 加工更简单
- 更好地控制产品质量
- 产品密度范围更广
- 降低每件成品零件成本
- 更环保
收缩如何影响 TPE？
收缩率
当 TPE 从熔融状态冷却时，分子会相互对齐并缩小模塑零件的整体尺寸。虽然通常只有若干千分之一英寸/英寸的范围，但收缩会显著影响零件的成型和拆卸以及最终零件的外观。
如果收缩不均匀，平放的部件可能会弯曲或翘曲。此外，在具有严格公差的应用中，意外收缩可能会影响零件在装配中的配合。
由于这些原因，在生产中通常必须考虑收缩。
零件拆卸
当零件包含型芯或倒凹时，随着弹性体收缩，零件会在模具周围收紧，使拆卸变得困难。模具设计、模具表面光洁度和加工条件可以减轻这种影响，甚至可以实现自动去除。
成型条件
成型条件会显著影响收缩量和收缩性。从高应力状态快速转变为低应力状态会增加收缩量。零件的快速冷却以及非常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，必须将模具切割成大于零件所需尺寸的尺寸。通常，在特定零件模塑之前无法知道确切的收缩值，因此最好始终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。浇口位置将决定流入零件的方向，从而决定收缩方向。此外，一些 TPE 比其他 TPE 更具各向同性，这意味着它们在一个方向上比另一个方向收缩得更多。设计模具时必须考虑这一点。如需详细了解设计注意事项如何影响收缩率，请咨询您的 TPE 供应商。
