ترموپلاستیک الاستومرها (Thermoplastic Elastomers)- بخش اول

چکیده

ترموپلاستیک الاستومرها (TPEs) نمایانگر یک دسته بندی از مواد انعطاف‌پذیر هستند که مزایای خواص فرایندی ترموپلاستیک‌ها را با خواص سرویس دهی الاستومرها ترکیب می‌کنند. TPEها به دلیل خواص مکانیکی عالی مانند مقاومت به سایش، میرایی ارتعاشات و پایداری شیمیایی، در صنایع مختلف از جمله خودرو، لوازم پزشکی و کالاهای مصرفی به طور گسترده استفاده می‌شوند. بخش نخست این مقاله مروری بر ساختار، خواص و کاربردهای TPEها را ارائه می‌دهد و پتانسیل آنها را به عنوان جایگزین لاستیک‌های مرسوم برجسته می‌کند. علاوه بر این، به بررسی روندهای فعلی و چشم‌اندازهای آینده TPEها می‌پردازد و بر نقش آنها در افزایش انعطاف‌پذیری طراحی محصول و پایداری تأکید می‌کند.

1. مقدمه

در یک دسته بندی بر اساس رفتار حرارتی، پلیمرها به چهار گروه طبقه‌بندی می‌شوند: ترموپلاستیک‌ها، ترموست‌ها، الاستومرها و ترموپلاستیک الاستومرها (TPE).

1.ترموپلاستیک‌ها : پلیمرهای ترموپلاستیک (گرمانرم) از زنجیره‌های پلیمری تشکیل شده‌اند و این زنجیرها درهم پیچیده هستند. آنها توسط برهمکنش های بین مولکولی مانند نیروهای واندروالسی به هم متصل می‌شوند. ترموپلاستیک‌ها را می‌توان به دفعات زیاد ذوب و شکل داد بدون اینکه خواص شیمیایی آنها تغییر کند. این مواد پلیمری هنگامی که خنک می‌شوند، ماده دوباره جامد می‌شود. این مواد به دلیل توانایی ذوب شدن و شکل‌گیری مجدد، به راحتی قابل بازیافت هستند. (مثال: پلی‌پروپیلن و پلی اتیلن)

2.ترموست‌ها : پلیمرهای ترموست (گرماسخت) پلیمرهایی هستند که از طریق پیوندهای شیمیایی در آنها اتصالات عرض بوجود آمده است و ذوب نمی‌شوند. آنها ساختار شبکه ای شده خود را حتی در دماهای بالا حفظ می‌کنند و استحکام و سفتی بالایی دارند. این مواد تحت تنش، مستعد شکست ترد و شکننده هستند. (مثال: رزین‌های اپوکسی).

3.الاستومرها: الاستومرها گروهی از پلیمرها هستند که تحت تنش تغییر شکل می دهند و بعد از برداشتن تنش بخش عمده آن ها به حالت اولیه بر می گردد. این مواد که اغلب به عنوان لاستیک شناخته می‌شوند، توسط فرایندی به نام ولکانیزاسیون، پخت شده و برای کاربردهای متنوع استفاده می شوند. آنها به مراتب کمتر از ترموست‌ها کراس‌لینک شده‌اند و مناطق الاستیک بزرگ‌تری بین کراس‌لینک‌ها باقی می‌گذارند. این مناطق برای خواص الاستیک آنها بسیار مهم هستند. الاستومرها نمی‌توانند دوباره ذوب شوند و یک بار که کراس‌لینک شوند، شکل خود را حفظ می‌کنند. (مثال: لاستیک طبیعیNR، لاستیک بوتادین و …)

4.ترموپلاستیک الاستومرها: از زمان پیدایش این مواد در دهه 1960 میلادی، ترموپلاستیک الاستومرها (TPEs) توجه بسیاری از پژوهشگران را جذب نموده اند. فراورش و رفتار مواد TPE آنها را در گروهی از مواد بین ترموپلاستیک‌ها و الاستومرها طبقه‌بندی می‌کند اما این مواد یک دسته مستقل از مواد پلیمری را تشکیل می‌دهند. TPE ها موادی چند منظوره ای هستند که دارای خواص فرایندی ترموپلاستیک ها و خاصیت ارتجاعی لاستیک ولکانیزه هستند. TPEها از بخش‌های نرم الاستومری با دمایTg پایین و بخش‌های سخت با قابلیت بلورینه شدن با Tg بالا تشکیل شده‌اند؛ بر اساس نسبت بخش‌های سخت و نرم، خواص فیزیکی و مکانیکی مانند مدول الاستیسیته، سختی و … را تعیین می‌کند.

2.خواص فیزیکی و مکانیکی

ترموپلاستیک الاستومرها ترکیبی از خواص الاستومرها و ترموپلاستیک‌ها را ارائه می‌دهند. این مواد به دلیل ساختار منحصر به فرد خود خواص مکانیکی و فیزیکی برجسته‌ای دارند که شامل:
1. استحکام کششی و انعطاف‌پذیری: TPEها می‌توانند پس از حذف تنش، به شکل تقریباً اصلی خود بازگردند. این خاصیت باعث افزایش طول عمر و دامنه فیزیکی آنها در مقایسه با مواد دیگر می‌شود.
2. سختی و مقاومت سایشی: سختی TPEها مطابق استاندارد با استفاده از مقیاس Shore اندازه‌گیری می‌شود و در محدوده SHORE A تا SHORE D قرار دارد. آنها همچنین به دلیل جز الاستومری خود، مقاومت سایشی خوبی دارند.

3. مقاومت پارگی و خستگی: مواد TPE در برابر پارگی و خستگی دارای مقاومت بالایی هستند، که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌کند.
4. پایداری حرارتی و شیمیایی: TPEها پایداری حرارتی و شیمیایی خوبی دارند و در دماهای مختلف و در برابر مواد شیمیایی مختلف مقاومت نشان می‌دهند.
5. عایق الکتریکی: بسیاری از TPEها دارای خواص عایق الکتریکی هستند، که آنها را برای کاربردهای الکتریکی مناسب می‌کند.

3.کاربرد ترموپلاستیک الاستومرها

تهیه یک لیست جامع از کاربردهای مختلف TPEها به دلیل وسعت و گسترش روزافزون زمینه‌های کاربرد آنها کمی دشوار است. TPEها می‌توانند به عنوان جایگزین بالقوه برای لاستیک طبیعی (NR) و لاستیک‌های سنتزی در کاربردهایی مانند تولید فوم، لوازم پزشکی، زیره کفش های مخصوص دویدن، گسکت‌ها و صنعت چسب‌ و رنگ‌ عمل کنند. با این وجود، بیشترین کاربرد مواد ترموپلاستیک الاستومر، استفاده از آن ها در تولید قطعات داخلی خودرو مانند رویه داشبورد، پنل‌های درب خودرو و… و همچنین صنایع ورزشی مانند راکت‌های تنیس، چوب‌های گلف، دسته‌های دوچرخه و… می باشد.

4.بازار جهانی ترموپلاستیک الاستومرها

پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی ترموپلاستیک الاستومرها از 26.9 میلیارد دلار در سال 2023 میلادی با نرخ رشد سالانه مرکب5.6 (CAGR) درصد در دوره پیش‌بینی به 35.4 میلیارد دلار در سال 2028 میلادی برسد. بیشترین بخش بازار ترموپلاستیک الاستومرها توسط رشد کاربرد آن در صنعت خودرو در دوره پیش‌بینی مربوط می‌شود. منطقه غالب برای بخش خودرو در کشورهایی مانند چین، هند و سایر کشورهای جنوب شرق آسیا می‌باشد.

5.نتیجه گیری

ترموپلاستیک الاستومرها (TPE) به دلیل خواص منحصر به فرد خود، بسیار محبوب‌تر از سایر پلیمرها هستند. آنها نرمی و انعطاف‌پذیری لاستیک را ارائه می‌دهند و مانند پلاستیک فراورش آسانی دارند. TPE‌ها در طیف گسترده‌ای از گریدها موجود هستند و می‌توانند برای برآوردن نیازهای خاص تولید شوند. این مواد سبک‌وزن هستند، در برابر مواد شیمیایی و پرتوهای UV مقاوم هستند. علاوه بر این، TPE‌ها خواص مقاومت در برابر عوامل محیطی عالی دارند و همچنین می‌توانند دماهای بسیار بالا را تحمل کنند. با توجه به مزایای TPE‌ها و پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های تولیدی، انتظار می‌رود که استفاده از این مواد در آینده افزایش یابد. به این ترتیب، TPE‌ها به عنوان یک جزء مهم در طراحی و تولید محصولات با دوام و پایدار، نقش مهمی در کاهش مشکلات زیست‌محیطی ناشی از پسماندهای پلاستیکی ایفا خواهند کرد.

References:
https://www.kraiburg-tpe.com/en/thermoplastic-elastomers
https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/thermoplastic-elastomers-market-1012.html
Holden, G. (2024). Thermoplastic elastomers. In Applied Plastics Engineering Handbook (pp. 97-113). William Andrew Publishing.
Whelan, D. (2017). Thermoplastic elastomers. In Brydson’s Plastics Materials (pp. 653-703). Butterworth-Heinemann.
Amin, S., & Amin, M. (2011). Thermoplastic elastomeric (TPE) materials and their use in outdoor electrical insulation. Rev. Adv. Mater. Sci, 29(1), 15-30.
Spontak, R. J., & Patel, N. P. (2000). Thermoplastic elastomers: fundamentals and applications. Current opinion in colloid & interface science, 5(5-6), 333-340.

گرداورنده مطالب: مائده پیرغریب نواز

ویراستار علمی: دکتر مهرناز بهادری