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熱塑性彈性體的專業(yè)知識
熱塑性彈性體(TPE)通常是撓曲模量較低的彈性材料，熱塑性彈性體在室溫條件下可以反復拉伸至原來長度的兩倍以上，而且當應力消除后，能幾乎恢復到其原來的長度。熱固性橡膠材料已問世良久，但目前，許多可用于注塑的熱塑性彈性體正在取代傳統(tǒng)的橡膠材料。另外，TPE廣泛地用于剛性熱塑性塑料的改性，通常是改進抗沖擊強度。對于片材和一般的模塑級復合材料來說，這是相當普遍的。
TPE的種類 其他POM塑膠原料
到1996年為止，六種主要的TPE可以被分為二大類：嵌段共聚物(苯乙烯類樹脂、共聚多酯、聚氨酯和聚酰胺)，和熱塑性塑料/彈性體摻混物及合金(熱塑性聚烯烴和熱塑性硫化橡膠) 。
這些傳統(tǒng)型的TPE被稱為兩相體系。從本質(zhì)上來說，由硬的熱塑性塑料所組成的一相，以機械或化學的方式與軟的彈性體所組成的另一相結(jié)合，所生成的TPE具有該兩相結(jié)合的性質(zhì)。
傳統(tǒng)的TPE種類
+ 苯乙烯類樹脂(S-TPE)+ 共聚多酯(COPE)+ 聚氨酯 (TPU)
+ 聚酰胺 (PEBA)+ 聚烯烴摻混物(TPO)+ 聚烯烴合金(TPV)
更多種類的熱塑性彈性體
除了該兩相體系的TPE以外，還出現(xiàn)了兩種新的技術(shù)。它們是茂金屬催化合成的聚烯烴塑性體與彈性體，以及反應成型的熱塑性聚烯烴彈性體。
TPE的新品種
+ 反應成型的TPO (R-TPO)+ 聚烯烴塑性體(POP)+ 聚烯烴彈性體(POE)
這些新的聚烯烴塑性體(POP)和彈性體(POE)，本質(zhì)上是分子量非常低的線性低密度聚乙烯(VLMW-LLDPE)。這些材料作為聚合催化劑技術(shù)進步的產(chǎn)物，原來是用于制造改進的軟包裝薄膜。近來，這些撓性較好的聚乙烯，可作為低成本的橡膠取代物，用于某些對模塑制品的要求不怎么苛刻的用途：即那些不會暴露于極端的溫度、壓力、負載或應力環(huán)境的用途。在模塑制品方面，這些新材料被用于那些希望具有一定程度的撓性或觸覺感的場合。它們并非是真正的彈性體！
拉伸特性
拉伸特性是用來說明彈性體被拉伸時將會有什么表現(xiàn)的測試值。有幾種普遍采用的試驗，可顯示彈性體在最終用途環(huán)境里將會有什么表現(xiàn)。
斷裂抗拉強度
此測試值又稱為極限抗拉強度。在此試驗中，彈性體的試片被拉伸直至斷裂，拉斷此材料所需的力量也被同時測出。其單位通常是磅/ 平方英寸(psi) 或兆帕(MPa) 。極限抗拉強度高的彈性體，比該測試值較低的彈性體較不易被拉斷。
抗撕裂強度
抗撕裂強度試驗的進行方式與斷裂抗拉強度試驗基本上是相同的。所不同的是，其試片的一側(cè)有一缺口以作為撕裂的擴展點。所測試的材料被拉伸直至完全撕裂，撕裂此試片所需的力量也被同時測出。其單位通常是磅/ 英寸(pli)或千牛頓/米(kN/m)。此測試值說明彈性體抵抗撕裂的性能如何。
拉伸模數(shù)
在拉伸模數(shù)試驗中，彈性體被拉伸至一系列不同的長度，其抵抗拉伸的力量也被分別測出。此測試值通常表示為彈性體相應于其長度與原始長度的不同百分比時的抗拉強度，例如在50% 、100% 或300%時的抗拉強度。彈性體對拉伸的抵抗力在開始時可能會很強，但隨著它的伸長( 稱為 "頸縮" ) 而會變得較弱。
斷裂伸長率
伸長率并非是衡量拉伸該材料是如何困難或如何容易，而只是衡量它在斷裂前能被拉伸至多長。斷裂伸長率被表示為與其原始長度的百分比。某些軟彈性體在斷裂前可被拉伸至其原始長度的1000% 以上。軟性TPE 的伸長率一般比硬的剛性材料要高的多。
影響測試值的因素
試片的成型方法及熔體流動方向會影響其拉伸特性測試值。因此，很多彈性體在兩個方向的拉伸特性均要被測量
流動方向
如同彈性體的其它許多特性，拉伸特性會受到成型時聚合物分子取向的影響。因此，取決于拉伸是沿著聚合物流動的方向進行，還是沿著橫斷方向進行，拉伸特性可能會有很大的差異。
試片 (擠壓成型相對于注射模塑)
某些試驗是用注塑成型的試片進行的，而另一些試驗則是用擠壓成型的試片進行的。由于不同類型的試片其測試值會有所差別，所以很重要的是，只能對同類型試片的測試值進行比較。
壓縮變定值是材料在一定的溫度下被壓變至一定的形狀，并維持一定的時間后而發(fā)生永久性變形的量。
通常采用的ASTM 測試方法 (ASTM D395) 要求使材料變形(壓縮)達25 %，任其復原30 分鐘后再測量此樣品。通常所采用的時間和溫度設定值如下：
+ 23 C (室溫 )
+ 22 小時，70小時，168小時 (1星期 )，1000 小時 (42 天) 。
+ 70 C
+ 22 小時，70 小時，168 小時 (1 星期)，1000 小時 (42 天) 。
+ 121 C
+ 22 小時，70 小時，168 小時 (1 星期)，1000 小時 (42 天) 。
+ 150 C
+ 22 小時，70 小時，168 小時 (1 星期)，1000 小時 (42 天)
所得的測試值是POM塑膠原料材料樣品未能恢復到它原有高度的百分比。例如，壓縮變定40%表示，此熱塑性彈性體只恢復了其被壓縮的厚度之60% 。壓縮變定100% 則表示此熱塑性彈性體絲毫未恢復，也就是說，它保持了被壓縮后的狀態(tài)。 往往壓縮變定易與蠕變相混淆。然而，PA66塑膠原料壓縮變定是在某一恒定的應變條件下所發(fā)生變形的量，而蠕變則是在某一恒定的應力條件下所發(fā)生變形的量。
適用溫度這個術(shù)語，是用來大致地定義某種材料適合使用的最高溫度。
適用溫度取決于許多因素，例如性能要求、接觸時間的長短、是否有負荷存在，以及工件的結(jié)構(gòu)等。
某些常用的測量適用溫度的方法為：維卡軟化溫度、熱變形溫度(HDT)、美國安全檢測實驗室(UL)方法、半抗拉強度或其它專利的方法，因所在行業(yè)而異。
對適用溫度要求較高的應用實例有：汽車、運輸、液壓軟管以及礦井電纜等。對適用溫度要求不高的應用實例則有：一般的室內(nèi)用途，例如個人養(yǎng)護用品和廚房器皿上的手柄、電話筒連線以及玩具等。
硬度
在選擇熱塑性彈性體時，材料的硬度往往是首先要考慮的指標之一。硬度也與其它重要的設計特性有關(guān)，例如拉伸模數(shù)和撓曲模數(shù)。由于各種不同的測量標度，以及硬度與其它材料特性的關(guān)系，在討論硬度時可能會產(chǎn)生混淆。
硬度的測量
測量橡膠硬度最普遍采用的儀器稱為肖氏(又稱邵爾)硬度計。用一個彈簧將一金屬壓頭壓入材料的表面，并測量它能穿入多深。該儀器測量的穿入深度為零至0.100英寸。標尺上的讀數(shù)為零則意味著壓頭穿入了極限深度，而讀數(shù)為100則意味著穿入深度為零。有各種不同硬度范圍和自動化程度的肖氏硬度計。
使用最普遍的標度之一是肖氏A級標度。肖氏A級硬度計有一個較鈍的壓頭和彈力中等的彈簧。當讀數(shù)在90以上時，肖氏A級 硬度計就變得不是很精確。對于此類較硬的材料，則使用肖氏D級硬度計。它有一個銳利的壓頭和彈力很強的彈簧，可以穿入較深的深度。
當測量更硬的塑料時，就使用壓頭更銳利和彈力更強的鐵氟龍硬度計，例如洛氏硬度計。而在相反的另一極端，則使用肖氏00級硬度計，以測量軟的凝膠和泡沫橡膠。
大多數(shù)材料都能承受住起初的壓力，但隨著時間的推移，由于發(fā)生蠕變和松弛而會屈服。硬度計的讀數(shù)可以即時讀取，也可以在某一特定的延遲時間后、通常是5至10秒鐘后讀取。即時讀數(shù)總是會顯示出比延遲讀數(shù)較高(或較硬)的讀數(shù)。延遲讀數(shù)不僅對材料的硬度而且對其彈性而言，均更有代表性。一種較弱、彈性較差的材料，比那些較強、較有彈性的材料更容易發(fā)生蠕變。
為了保證數(shù)據(jù)的有效性，需要有精確的測試步驟。為了獲得精確的讀數(shù)，您必須得有一個表面很平整而且足夠厚的試件，以免壓頭受支撐表面的影響。通常所要求的厚度是0.200英寸，但對于變形較小的硬性材料，當厚度較薄時，也能精確地測試。
與其它特性的關(guān)系
硬度經(jīng)常會與其它特性混淆，例如撓曲模數(shù)。盡管兩者都反映了產(chǎn)品在用戶手中的感覺，撓曲模數(shù)代表對撓曲的抵抗能力，而硬度則代表對壓陷的抵抗能力。在某一特定的TPE系列中，這兩種特性是互相關(guān)聯(lián)的。一般來講，當硬度值增加時，撓曲模數(shù)也會增加。
此外，在同一TPE系列中，抗蠕變性與抗張強度也是有直接關(guān)聯(lián)的。這意味著較軟的TPE發(fā)生蠕變的程度將比較硬的材料高，但其抗張強度則較小。摩擦系數(shù)(COF)與硬度成反比關(guān)系。當TPE的硬度增加時，摩擦系數(shù)通常會減小。
當比較各種不同系列的TPE時，除硬度以外還需要比較其它的物理特性數(shù)據(jù)，以便作出正確的決定。
專用法規(guī)術(shù)語
美國食品與藥物管理署(FDA)
在美國聯(lián)邦政府行政法規(guī)匯編第21篇第1章B節(jié)中，詳細地規(guī)定了美國食品與藥物管理署關(guān)于用于食品方面的各種聚合物和復合材料的允許標準。當一種產(chǎn)品被劃分為 "FDA級" 材料時，那就說明其配方里只使用了經(jīng)聯(lián)邦法規(guī)第21篇中第170－199部分批準的材料。
全國衛(wèi)生基金會 (NSF)
全國衛(wèi)生基金會是在公共衛(wèi)生、安全和環(huán)境保護領(lǐng)域制訂標準、進行產(chǎn)品測試和提供認證服務的機構(gòu)。NSF認證項目是經(jīng)過美國國家標準學會 (ANSI/RAB) 、荷蘭鑒定委員會(RvA)和加拿大標準委員會(SCC)進行資格鑒定的。
試驗機構(gòu)聯(lián)盟允許NSF的試驗在世界其它地區(qū)也被接受。試驗機構(gòu)聯(lián)盟的成員包括Intertek試驗服務公司(ITS)、荷蘭的KIWA N.V.、加拿大的加拿大標準協(xié)會(CSA)和質(zhì)量管理協(xié)會(QMI)，以及日本煤氣用具檢查協(xié)會(JIA)，等等。
要求NSF認證的典型應用領(lǐng)域有飲用水、水處理系統(tǒng)、餐館服務業(yè)，以及衛(wèi)生管道等。
美國藥典(USP)
美國藥典(USP)函蓋了血液和體液相容及接觸方面的應用。USP生物試驗是為了提供聚合物容器材料在生物效應方面的資料。根據(jù)在專門的USP生物試驗中的表現(xiàn)，聚合物被分為六個等級。從第I至第VI級每遞增一級，則要求用比前一等級更多的萃取劑對聚合物進行進一步的試驗。另外，還有一個遞增的萃取溫度范圍可供選擇，以給該材料進一步定性。
美國安全檢測實驗室(UL) 如何閱讀UL黃卡？哪里有UL黃卡？
美國安全檢測實驗室是一個獨立的、非盈利性的產(chǎn)品安全和測試認證機構(gòu)。常用的試驗有UL-94 (分為HB、V0、V1或V2各種等級的垂直和水平的燃燒試驗)、VTM (薄膜燃燒試驗)，以及VW (垂直線材燃燒試驗)。典型的應用領(lǐng)域包括手持式電子裝置、商用設備和電器。
軍用技術(shù)規(guī)范(MIL)
某些軍事和非軍事的應用也許要求符合軍用技術(shù)規(guī)范。這些規(guī)范包括真菌培養(yǎng)、火箭操縱電纜、戰(zhàn)場專用軟線、地下電纜、船舶與海岸之間的連接電纜等領(lǐng)域。
加拿大標準協(xié)會(CSA)
CSA是加拿大為某些方面的應用制訂性能標準和測試方法的主要標準機構(gòu)。它是與美國的ASTM、UL、DOT、FDA以及MIL類似的機構(gòu)。
彈性體通常分為兩大類：
+ 熱塑性
+ 熱固性
結(jié)構(gòu)
熱塑性彈性體是這樣一種材料，當加熱時它會軟化 /熔化，而在冷卻時則會硬化，且可如此反復地變化。大多數(shù)熱塑性塑料溶于特定的溶劑，并在一定程度上能燃燒。軟化/熔化的溫度隨聚合物的種類和規(guī)格而異。由于熱塑性塑料對熱量和剪切力的敏感性，處理時必須很小心，以避免此材料的降解、分解或引燃。
大多數(shù)熱塑性塑料的分子鏈可以被想象為獨立的、互相擰在一起的細線，就像意大利面條一樣 (見圖)。當加熱時，各條分子鏈就開始滑動，形成塑性流動。當冷卻時，原子和分子鏈又重新牢固地纏在一起。隨后再加熱時，分子鏈就又開始滑動。熱塑性塑料被加熱/冷卻的周期次數(shù)有實際的限度，超過該限度后其外觀和機械性能將受到影響。
熱固性彈性體在加工期間經(jīng)歷了化學變化，永久性地變?yōu)榉侨芙庑院头侨刍?。正是這種化學交聯(lián)，造成了熱固性和熱塑性體系之間的主要區(qū)別。通過所謂硫化過程而達到其最終性質(zhì)的天然橡膠和合成橡膠，例如膠乳、丁腈橡膠、可研磨聚氨酯、硅膠、丁基橡膠和氯丁橡膠，均是典型的熱固性彈性體。
如下圖所示，當熱固性橡膠硫化或硬化時，毗鄰的分子之間形成交聯(lián)，構(gòu)成了復雜的、互相聯(lián)接的網(wǎng)絡。這些交聯(lián)鍵防止了各分子鏈的滑動，從而防止了加熱時的塑性流動。熱固性彈性體在交聯(lián)完成之后，如果過分地受熱，此聚合物則將發(fā)生降解而不是熔化。這種情況與雞蛋的烹調(diào)有些相似：進一步的加熱并不能使雞蛋回到它的液體狀態(tài)，而只能被燒焦。
如何決定加工方式
正是熱塑性彈性體可以被反復加工的特點，決定了它優(yōu)越于熱固性橡膠的重要特性。兩者在加工方面的關(guān)鍵性區(qū)別如下表所示。
項目 熱塑性塑料 熱固性橡膠
制造 迅速 (以秒計) 緩慢 (以分計)
邊角料 可重新利用 浪費比例高
硫化劑 不需要 需要
機械 常規(guī)的熱塑性設備 專門的硫化設備
添加劑 極少或沒有 眾多的加工助劑
設計優(yōu)化 無限 有限
工件重新模塑 可以 不大可能
熱封 可以 不可以
資料來源：www.hgdhk.com
TPE比熱固性橡膠的優(yōu)越之處：
+ 設計靈活。+ 制造成本較低。
+ 加工周期較短。+ 很少或不需要混煉。+ 邊角料可充分回收利用。
+ 產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定。+ 可采用吹塑成型。+ 可采用熱成型。
+ 能耗較低。+ 加工過程較簡單。+ 產(chǎn)品質(zhì)量較易控制。
+ 產(chǎn)品密度范圍較廣。+ 最終工件單件平均成本較低。+ 較有利于環(huán)保。
收縮性
當TPE從它們的熔融狀態(tài)開始冷卻時，其分子會互相排列，從而使模塑工件的尺寸全面地收縮。雖然這種收縮通常只在千分之幾英寸的范圍內(nèi)，它卻能顯著地影響工件的模塑和脫模，以及成品工件的外觀。
如果收縮不均勻，一件本應是平整的工件可能會發(fā)生彎曲或翹曲。此外，在對容許公差要求比較嚴格的應用中，意料之外的收縮可能會使得某個零件與整個組裝件不匹配。因此，必須事先考慮到這種現(xiàn)象。
工件脫模
當工件含有型芯或鏤空部分時，隨著彈性體的收縮，它會緊緊地裹住模具的這些部位，使工件脫模變得很困難。模具設計、模具表面光滑度，以及加工條件都能夠減輕這種影響，甚至使自動化脫模也成為可能。
模塑條件
模塑條件能顯著地影響收縮的程度和本質(zhì)。若從高應力狀態(tài)很快地變?yōu)榈蛻顟B(tài)，則會增加收縮的程度。工件的迅速冷卻以及很高的注射速度或壓力，也能影響收縮性。關(guān)于模塑條件是怎樣影響收縮性的進一步資料，請與您的TPE供應商聯(lián)系。
設計方面的考慮
由于收縮性，模具必須加工得比工件所需的尺寸稍大些。實際的收縮值只有等到具體的工件成型時才能得知。因此，事先保守一點總是最好的。若有可能的話，可使用原型模具。
與彈性體的其它性質(zhì)一樣，收縮性總是隨著聚合物流動方向的改變而改變。澆口的位置將決定熔體流入模具的方向，從而也將決定收縮性。再者，某些TPE比其它TPE更為各向異性，因此也許會在某一方向收縮得比另一方向更多些。當設計模具時，這一點必須要考慮進去。關(guān)于設計方面的考慮是怎樣影響收縮性的進一步資料，請與您的TPE供應商聯(lián)系。
