Термопластичные эластомеры TPE: характеристики, типы, свойства и применение

1. Общие сведения о термопластичных эластомерах

Термопластичные эластомеры, известные также как термоэластопласты или TPE, представляют собой класс современных полимерных материалов, объединяющих уникальные свойства традиционных эластомеров и термопластов. При комнатной температуре эти материалы проявляют характеристики, свойственные вулканизированной резине, включая высокую эластичность и способность к значительным обратимым деформациям. При нагревании до определенной температуры TPE приобретают свойства термопластичных полимеров, становясь текучими и легко перерабатываемыми.

Структура термопластичных эластомеров основана на блок-сополимерной архитектуре типов ABA или AB. В этой структуре блоки А представляют собой жесткие сегменты, обычно состоящие из полистирола, полиэтилена или других кристаллических полимеров. Эти жесткие блоки обеспечивают механическую прочность материала и выполняют функцию физической сшивки при температурах ниже их температуры размягчения. Блоки В состоят из гибких эластомерных сегментов, таких как полибутадиен, полиизопрен или другие аморфные полимеры с низкой температурой стеклования, которые обеспечивают эластичность материала.

Главное преимущество термопластичных эластомеров перед традиционными резинами заключается в возможности их переработки стандартными методами, применяемыми для термопластов, без необходимости проведения процесса вулканизации. Это позволяет существенно упростить технологический процесс производства изделий, сократить энергозатраты и время производственного цикла. Кроме того, TPE поддаются вторичной переработке, что делает их экологически более предпочтительными по сравнению с термореактивными эластомерами.

История развития термопластичных эластомеров началась в 1959 году, когда был представлен первый коммерческий TPE. С тех пор технологии синтеза и модификации этих материалов значительно эволюционировали. Современные TPE производятся с применением передовых методов полимеризации, включая анионную полимеризацию по механизму живых цепей, что позволяет получать материалы с узким молекулярно-массовым распределением и контролируемой структурой. Развитие технологий динамической вулканизации привело к созданию термопластичных вулканизатов, сочетающих лучшие свойства вулканизированной резины и термопластов.

2. Классификация и типы TPE

Современная промышленность использует шесть основных групп термопластичных эластомеров, каждая из которых обладает специфическими свойствами и областями применения.

Стирольные блок-сополимеры (TPE-S)

Стирольные термопластичные эластомеры представляют собой блок-сополимеры на основе стирола и диеновых мономеров, таких как бутадиен или изопрен. Наиболее распространенными представителями этой группы являются SBS (стирол-бутадиен-стирол) и SEBS (стирол-этилен-бутилен-стирол). Полистирольные концевые блоки обеспечивают физическую сшивку при температурах ниже температуры стеклования полистирола, в то время как эластомерные средние блоки придают материалу гибкость и упругость. Эти материалы характеризуются доступной стоимостью, хорошей перерабатываемостью и находят широкое применение в производстве обувных подошв, клеев, герметиков и модификаторов асфальтобетонных смесей.

Термопластичные полиолефины (TPE-O)

Термопластичные полиолефины представляют собой механические смеси полипропилена с этилен-пропиленовым каучуком EPDM. Полипропилен обеспечивает термостойкость и технологичность переработки, а каучук придает эластичность и ударную вязкость. Степень кристалличности полипропиленовой фазы определяет жесткость материала. TPE-O широко применяются в автомобильной промышленности для изготовления бамперов, приборных панелей, уплотнителей дверей и других деталей, требующих сочетания жесткости и эластичности. Их преимуществами являются хорошая стойкость к атмосферным воздействиям, низкая плотность и возможность переработки совместно с другими полиолефинами.

Термопластичные вулканизаты (TPE-V)

Термопластичные вулканизаты получают методом динамической вулканизации, при которой каучук вулканизируется непосредственно в процессе смешения с термопластичной матрицей. Наиболее распространенными являются композиции на основе полипропилена и EPDM-каучука. В результате динамической вулканизации образуется дисперсная структура, в которой вулканизированные частицы каучука распределены в непрерывной термопластичной матрице. Это обеспечивает сочетание превосходных эластомерных свойств вулканизированной резины с перерабатываемостью термопластов. TPE-V демонстрируют отличную стойкость к сжатию, высокую эластичность в широком диапазоне температур и хорошую химическую стойкость.

Термопластичные полиуретаны (TPE-U)

Термопластичные полиуретаны синтезируются путем реакции диизоцианатов с полиолами и удлинителями цепи. Структура TPU состоит из чередующихся жестких и мягких сегментов. Жесткие сегменты образуются из диизоцианата и низкомолекулярного диола, а мягкие сегменты представлены длинноцепочечными полиэфирами или полиэфирами. Термопластичные полиуретаны отличаются превосходной прочностью на разрыв, исключительной стойкостью к истиранию и износу, а также хорошей масло- и бензостойкостью. Эти материалы широко используются в производстве промышленных ремней, шлангов, кабельной изоляции, деталей обуви и защитных покрытий.

Термопластичные сополиэфиры (TPE-E)

Термопластичные сополиэфиры представляют собой мультиблочные сополимеры, состоящие из жестких сегментов полибутилентерефталата и мягких сегментов аморфного полиэфира. Кристаллические домены полибутилентерефталата с высокой температурой плавления обеспечивают термостойкость и механическую прочность, в то время как аморфные полиэфирные сегменты придают эластичность и гибкость. TPE-E характеризуются высокой химической стойкостью к топливам, маслам и растворителям, отличной стойкостью к усталостным нагрузкам и способностью работать при повышенных температурах до 150 градусов Цельсия. Эти материалы находят применение в автомобильной промышленности для производства пыльников, уплотнителей и гибких шлангов.

Термопластичные полиамиды (TPE-A)

Термопластичные полиамиды, также известные как полиэфир-блок-амиды, состоят из жестких полиамидных сегментов и гибких полиэфирных блоков. Полиамидные сегменты обеспечивают высокую прочность, термостойкость и химическую стойкость, а полиэфирные блоки придают эластичность и гибкость при низких температурах. TPE-A обладают наивысшей термостойкостью среди всех типов термопластичных эластомеров, сохраняя работоспособность при температурах до 150 градусов Цельсия. Они демонстрируют превосходную стойкость к углеводородам, низкое влагопоглощение и хорошую адгезию к полиамидным пластмассам, что делает их незаменимыми в производстве спортивного снаряжения, автомобильных деталей и технических изделий.

3. Характеристики твердости и упругости термопластичных эластомеров

Твердость является одним из ключевых параметров, определяющих механические свойства и область применения термопластичных эластомеров. Для измерения твердости TPE используется шкала Шора согласно стандарту ISO 48-4, при этом применяются различные типы дюрометров в зависимости от жесткости материала. Для мягких эластомерных материалов применяется шкала Shore A, для более жестких материалов используется шкала Shore D, а для очень мягких гелеобразных материалов применяется шкала Shore OO.

Диапазон твердости термопластичных эластомеров чрезвычайно широк и охватывает значения от 10 Shore OO для сверхмягких гелевых материалов до 72 Shore D для жестких пластиков с эластомерными свойствами. Такое разнообразие позволяет подобрать материал для практически любого применения, где требуется сочетание эластичности и определенной жесткости. Мягкие TPE с твердостью 20-40 Shore A используются для изготовления мягких рукояток, комфортных захватов и уплотнителей, требующих высокой податливости. Материалы средней твердости 50-70 Shore A находят применение в производстве подошв обуви, уплотнительных профилей и защитных покрытий. Жесткие TPE с твердостью 80-90 Shore A или выше используются в конструкционных деталях, требующих высокой жесткости при сохранении определенной гибкости.

Упругость термопластичных эластомеров характеризуется их способностью восстанавливать первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Этот параметр количественно оценивается через относительное удлинение при разрыве и остаточную деформацию после сжатия. Высококачественные TPE демонстрируют относительное удлинение при разрыве от 300 до 1000 процентов, что сопоставимо с характеристиками вулканизированных резин. Остаточная деформация после сжатия для большинства TPE составляет от 20 до 50 процентов, при этом термопластичные вулканизаты демонстрируют наилучшие показатели с остаточной деформацией менее 25 процентов.

Взаимосвязь между твердостью и упругостью определяется соотношением жестких и мягких сегментов в структуре термопластичного эластомера. Увеличение содержания жестких блоков приводит к повышению твердости и модуля упругости материала, но одновременно снижает его эластичность и удлинение при разрыве. Оптимальное соотношение компонентов подбирается в зависимости от требований конкретного применения. Современные технологии синтеза позволяют точно контролировать молекулярную структуру TPE, создавая материалы с заданными характеристиками твердости и упругости.

4. Температурные характеристики и термостойкость TPE

Температурные характеристики термопластичных эластомеров играют критическую роль в определении их области применения и долговечности в различных условиях эксплуатации. Рабочий температурный диапазон TPE ограничен снизу температурой стеклования мягких сегментов и сверху температурой размягчения или плавления жестких сегментов.

Нижний температурный предел работоспособности определяется температурой стеклования эластомерных блоков. При температурах ниже температуры стеклования подвижность молекулярных цепей резко снижается, материал теряет эластичность и становится хрупким. Стирольные блок-сополимеры TPE-S демонстрируют температуру стеклования эластомерных блоков около минус 60-90 градусов Цельсия, что обеспечивает сохранение гибкости до минус 40-60 градусов в условиях эксплуатации. Термопластичные вулканизаты на основе EPDM-каучука сохраняют работоспособность до минус 60 градусов благодаря низкой температуре стеклования эластомерной фазы. Полиэфирные TPE-E характеризуются температурой стеклования мягких блоков от минус 40 до минус 70 градусов.

Верхний температурный предел определяется температурой размягчения жестких блоков или началом деструкции полимера. Стирольные блок-сополимеры ограничены температурой стеклования полистирольных блоков около 90-100 градусов Цельсия и могут эксплуатироваться при температурах до 100 градусов. Термопластичные полиолефины работоспособны до 100 градусов благодаря кристаллической структуре полипропиленовой матрицы. Термопластичные вулканизаты демонстрируют улучшенную термостойкость до 135 градусов за счет вулканизированной структуры эластомерной фазы. Полиуретановые TPE ограничены температурой около 110 градусов. Полиэфирные термопластичные эластомеры обеспечивают работоспособность до 150 градусов благодаря высокой температуре плавления полибутилентерефталатных блоков. Полиамидные TPE демонстрируют наивысшую термостойкость до 150 градусов.

Длительная термостойкость характеризует способность материала сохранять свойства при продолжительном воздействии повышенных температур. Термическое старение приводит к окислительной деструкции полимерных цепей, потере эластичности и охрупчиванию материала. Стойкость к термическому старению существенно различается для разных типов TPE. Стирольные блок-сополимеры с ненасыщенными диеновыми блоками подвержены окислению и требуют стабилизации антиоксидантами. Гидрированные стирольные блок-сополимеры SEBS демонстрируют улучшенную стойкость к окислению. Полиолефиновые и вулканизованные TPE характеризуются хорошей стойкостью к термоокислительной деструкции. Полиэфирные и полиамидные эластомеры обладают отличной долговременной термостойкостью.

5. Методы переработки термопластичных эластомеров

Одним из главных преимуществ термопластичных эластомеров является возможность их переработки стандартными методами, применяемыми для термопластов, что существенно упрощает производственный процесс по сравнению с традиционными резинами, требующими вулканизации.

Литье под давлением

Литье под давлением является наиболее распространенным методом переработки термопластичных эластомеров. Процесс осуществляется на термопластавтоматах при температурах от 150 до 250 градусов Цельсия в зависимости от типа TPE. Материал в виде гранул загружается в бункер машины, где нагревается и пластифицируется вращающимся шнеком. Расплавленная масса впрыскивается в охлаждаемую форму под высоким давлением. После охлаждения и затвердевания изделие извлекается из формы. Преимуществами метода являются высокая производительность, точность размеров, возможность изготовления изделий сложной формы и автоматизация процесса.

Экструзия

Экструзия представляет собой непрерывный процесс формования профильных изделий путем продавливания расплава полимера через формующую головку. Термопластичные эластомеры перерабатываются на одношнековых или двухшнековых экструдерах при температурах от 150 до 230 градусов. Гранулированный материал подается из бункера в зону загрузки экструдера, где захватывается вращающимся шнеком, нагревается, пластифицируется и транспортируется к формующей головке. Расплав продавливается через профилирующее отверстие головки, приобретая заданную форму, после чего охлаждается и калибруется. Экструзия применяется для производства уплотнительных профилей, шлангов, труб, кабельной изоляции и пленок.

Выдувное формование

Выдувное формование используется для изготовления полых изделий из термопластичных эластомеров. Процесс включает экструзию трубчатой заготовки, называемой преформой, которая помещается в форму и раздувается сжатым воздухом до придания ей формы полости формы. Различают экструзионно-выдувное формование, при котором преформа непосредственно экструдируется в форму, и литьевое выдувное формование, где преформа предварительно изготавливается литьем под давлением. Выдувное формование позволяет производить бутылки, емкости, резервуары и другие полые изделия с равномерной толщиной стенки.

Термоформование

Термоформование применяется для изготовления изделий из листовых материалов. Лист термопластичного эластомера нагревается до температуры размягчения и формуется в пресс-форме под действием вакуума или избыточного давления. После охлаждения изделие извлекается из формы. Термоформование характеризуется низкой стоимостью оснастки и применяется для производства упаковки, контейнеров, защитных панелей и декоративных элементов.

Специальные технологии переработки

Вакуумное прессование применяется для изготовления изделий с минимальными внутренними напряжениями и высокой плотностью структуры. Материал помещается в форму и нагревается под вакуумом, что обеспечивает удаление воздуха и получение беспористой структуры. Ротационное формование используется для производства крупногабаритных полых изделий путем вращения формы с материалом вокруг двух перпендикулярных осей при одновременном нагреве. Совместная экструзия позволяет получать многослойные изделия с различными свойствами каждого слоя.

6. Области применения TPE в различных отраслях

Термопластичные эластомеры находят широкое применение практически во всех отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств и технологичности переработки.

Автомобильная промышленность

В автомобилестроении термопластичные эластомеры используются для производства широкого спектра деталей и компонентов. Уплотнители дверей, окон и багажника изготавливаются из TPE-V и TPE-E благодаря их отличной атмосферостойкости, озоностойкости и сохранению эластичности в широком температурном диапазоне. Бамперы, приборные панели и элементы интерьера производятся из TPE-O, обеспечивающих необходимую ударную вязкость и формостабильность. Пыльники шарниров, защитные чехлы и гофры изготавливаются из TPE-E и TPU благодаря их стойкости к маслам, топливу и механическому износу.

Строительная индустрия

В строительстве термопластичные эластомеры применяются для изготовления уплотнительных профилей для окон и дверей, обеспечивающих тепло- и звукоизоляцию помещений. TPE-V и TPE-S используются для производства гидроизоляционных мембран, кровельных материалов и герметиков. Напольные покрытия, изготовленные из термопластичных эластомеров, обеспечивают комфорт, износостойкость и шумоизоляцию.

Обувная промышленность

В производстве обуви термопластичные эластомеры широко используются для изготовления подошв, обеспечивающих комфорт, износостойкость и сцепление с поверхностью. TPE-S и TPE-V применяются для производства подошв спортивной, повседневной и специальной обуви. Различная твердость материала позволяет создавать многослойные подошвы с мягким комфортным слоем и износостойкой ходовой частью.

Медицинская отрасль

В медицине термопластичные эластомеры применяются для производства медицинских трубок, катетеров и других изделий медицинского назначения. TPU и TPE-E обеспечивают биосовместимость, стойкость к стерилизации и необходимую гибкость. Уплотнения для медицинского оборудования, мембраны дозаторов и соединительные элементы изготавливаются из специальных марок TPE, соответствующих медицинским стандартам.

Электротехническая и кабельная промышленность

Изоляция проводов и кабелей изготавливается из термопластичных эластомеров, обеспечивающих диэлектрические свойства, гибкость и стойкость к механическим воздействиям. TPE-S и TPE-V применяются для изоляции силовых и сигнальных кабелей. Защитные оболочки и разъемы производятся из TPE благодаря их герметичности и долговечности.

Товары народного потребления

В производстве потребительских товаров термопластичные эластомеры используются для изготовления рукояток инструментов, спортивного инвентаря, игрушек, бытовой техники и электроники. Мягкие накладки на рукоятки обеспечивают комфорт и противоскользящие свойства. Защитные чехлы для электронных устройств производятся из TPE благодаря их амортизирующим свойствам и эстетичному внешнему виду.

7. Преимущества и недостатки термопластичных эластомеров

Преимущества термопластичных эластомеров

Главным преимуществом термопластичных эластомеров является возможность их переработки стандартными методами термопластов без необходимости вулканизации, что обеспечивает значительное сокращение энергозатрат и времени производственного цикла. Отсутствие стадии вулканизации упрощает технологический процесс и позволяет полностью автоматизировать производство с минимизацией ручного труда.

Возможность вторичной переработки является важным экологическим и экономическим преимуществом TPE. Технологические отходы производства, такие как литники и брак, могут быть измельчены и повторно переработаны без существенной потери свойств. Это снижает количество отходов и обеспечивает экономию материалов. Вулканизированная резина не может быть переработана таким образом и подлежит только утилизации или использованию в качестве наполнителя.

Широкий диапазон твердости от мягких гелевых материалов до жестких пластиков позволяет подобрать материал для практически любого применения. Возможность регулирования свойств путем изменения состава и структуры полимера обеспечивает создание материалов с оптимальным сочетанием характеристик для конкретной задачи. Возможность окрашивания в массе позволяет получать изделия любого цвета без дополнительной обработки поверхности.

Отличные низкотемпературные свойства многих типов TPE обеспечивают сохранение эластичности при температурах до минус 60 градусов, что критично для применений в холодном климате. Хорошая стойкость к атмосферным воздействиям, озону и ультрафиолетовому излучению обеспечивает долговечность изделий при наружном применении. Химическая стойкость к маслам, топливам и растворителям делает TPE пригодными для использования в контакте с агрессивными средами.

Возможность совместной переработки с другими термопластами открывает широкие возможности для создания многокомпонентных изделий методом двухкомпонентного литья. Это позволяет комбинировать жесткие пластики с мягкими эластомерными накладками в одном изделии за один технологический цикл. Хорошая адгезия многих TPE к полиолефинам, полиамидам и другим пластикам обеспечивает надежное соединение компонентов.

Недостатки и ограничения термопластичных эластомеров

Несмотря на многочисленные преимущества, термопластичные эластомеры имеют определенные ограничения по сравнению с вулканизированными резинами. Стойкость к сжатию и остаточная деформация после сжатия у большинства TPE уступают показателям вулканизированных резин. Это ограничивает применение TPE в уплотнениях, работающих под постоянной нагрузкой сжатия.

Температурный диапазон работоспособности термопластичных эластомеров, как правило, уже, чем у специальных термостойких резин. Большинство TPE ограничены температурой эксплуатации около 100-135 градусов, тогда как силиконовые и фторкаучуки могут работать при температурах до 200-300 градусов. Это ограничивает применение TPE в высокотемпературных условиях.

Механическая прочность и стойкость к истиранию некоторых типов TPE могут быть ниже, чем у высококачественных резин. Это требует тщательного подбора типа и марки материала для применений с высокими механическими нагрузками. Ползучесть под нагрузкой, характерная для термопластов, может приводить к постепенному изменению размеров изделий под действием постоянной нагрузки.

Чувствительность к ультрафиолетовому излучению характерна для ненасыщенных стирольных блок-сополимеров, что требует введения УФ-стабилизаторов для наружного применения. Гидролитическая нестабильность полиэфирных TPE при длительном контакте с водой при повышенных температурах ограничивает их применение в некоторых условиях. Впитывание влаги полиамидными TPE может приводить к изменению размеров и свойств изделий.