ترموپلاستیک الاستومرها (Thermoplastic Elastomers)- بخش دوم

چکیده

در بخش نخست مقاله ترموپلاستیک الاستومرها در مورد ساختار، خواص و کاربردها و نیز پتانسیل آنها به عنوان جایگزین لاستیک‌های مرسوم ارائه گردید. در بخش دوم این مقاله به بررسی انواع ترموپلاستیک الاستومرها و خواص و کاربرد آن ها پرداخته می شود.

مقدمه

پلیمرهای ترموپلاستیک دارای خواص منحصربفردی مانند دانسیته کم، مقاومت شیمیایی بالا و مقاومت حرارتی هستند و می‌توانند با استفاده از روش‌های فرایندی متداول ساخته شوند. از سوی دیگر، لاستیک‌ها به دلیل خواص الاستومری مانند استحکام پارگی خوب ، مقاومت به ضربه و انعطاف‌پذیری کاربرد های زیادی دارند. هنگامی که این دو ماده ترکیب می‌شوند، اثر هم‌افزایی ایجاد می‌کنند و خواصی ما بین این دو دسته ارائه می دهند. این مواد به عنوان ترموپلاستیک‌ الاستومر (TPE) شناخته می‌شوند. پلیمرهای ترموپلاستیک الاستومر از بیش از یک فاز تشکیل شده‌اند که شامل: (1) فاز ترموپلاستیک‌ نیمه بلورینه و (2) فاز الاستومری هستند.امروزه انواع مختلفی از TPEها تولید و به صورت تجاری استفاده می‌شوند که دسته بندی آن ها در شکل 1 نشان داده شده‌ است.

2.ویژگی های اساسی ترموپلاستیک الاستومر

ترموپلاستیک‌ الاستومرها همواره دارای سه ویژگی اساسی هستند:
1. قابلیت کشش متوسط و سپس بازگشت به شکل اولیه پس از حذف تنش: این مواد می‌توانند تا حد متوسط کشیده شوند و پس از حذف تنش، نزدیک به شکل اولیه خود بازمی‌گردند.
2. قابلیت فراورش به شکل مذاب در دماهای بالا: ترموپلاستیک‌ الاستومرها می‌توانند در دماهای بالا به شکل مذاب فراورش شوند.
3. عدم خزش قابل توجه: این مواد خزش قابل توجهی ندارند.

3. فرایند تولید ترموپلاستیک الاستومرها

ترموپلاستیک الاستومرها می‌توانند از طریق فرآیندهای مختلفی تولید شوند، این مواد با کوپلیمریزاسیون دو یا چند مونومر از طریق روش‌های کوپلیمریزاسیون قطعه ای یا پیوندی تولید می‌شوند. در روش کوپلیمریزاسیون قطعه ای، مولکول‌های زنجیره‌ای طولانی با توالی‌های مختلف، یا بلوک‌ها، از سگمنت های سخت و نرم ایجاد می شوند. روش‌ کوپلیمریزاسیون پیوندی شامل پیوند دادن یک زنجیره پلیمری به دیگری به عنوان شاخه‌ جانبی است.
این روش ها باعث می‌شوند که یکی از مونومرها یک بخش سخت یا بلوری ایجاد کند که به عنوان یک جزء با پایداری حرارتی عمل می‌کند. برخلاف پیوندهای شیمیایی بین زنجیره‌های پلیمری در لاستیک‌های ترموست مرسوم، این جزء تحت برش نرم شده و جریان می‌یابد. در همین حال، مونومر دیگر یک بخش نرم یا بی‌شکل ایجاد می‌کند که به ویژگی‌های لاستیکی ترموپلاستیک‌ الاستومر کمک می‌کند. تغییر نسبت مونومرهای استفاده شده و همچنین طول بخش‌های سخت و نرم، امکان کنترل ویژگی‌های ترموپلاستیک‌الاستومر نهایی را فراهم می‌کند.
علاوه بر روش های کوپلیمریزاسیون قطعه ای و پیوندی، روش های ولکانیزاسیون دینامیکی (Dynamic Vulcanization) ، اختلاط مکانیکی (Mechanical Blending)، استریفیکاسیون، پلی‌کندانسیون، ترانس‌استریفیکاسیون و …. نیز از روش‌های دیگر برای سنتز ترموپلاستیک الاستومرها هستند.

4. فراورش ترموپلاستیک الاستومرها

ترموپلاستیک‌ الاستومرها معمولاً به شکل گرانول تولید می‌شوند و در نهایت فراورش می‌شوند. ترموپلاستیک الاستومرها می‌تواند به شکل کو-اینجکشن(co-injection) و کو-اکستروژن(co-extrusion) با پلی‌اولفین و برخی پلاستیک‌های مهندسی فراورش شوند و پیوند عالی با پلیمرهای پلی‌آمید مهندسی از خود نشان می‌دهند.

5. دسته بندی ترموپلاستیک الاستومرها

در این بخش 6 دسته تجاری ترموپلاستیک الاستومرها به تشریح توضیح داده می شود:
1.5. کوپلیمرهای قطعه ای ترموپلاستیک استایرن (TPS, TPE-S)
مواد TPE-S، که به عنوان ترموپلاستیک‌ الاستومرهای کوپلیمر قطعه ای استایرنی نیز شناخته می‌شوند، از SBS یا SEBS مشتق شده‌اند . SBS بر اساس کوپلیمرهای قطعه ای با سگمنت های سخت و نرم است. بلوک‌های انتهایی استایرن ویژگی‌های ترموپلاستیک و بلوک‌های میانی بوتادین ویژگی‌های الاستومری SBS را فراهم می کنند. احتمالاً پرکاربردترین ترموپلاستیک الاستومر تولید شده TPS ها هستند و به طور معمول در تولید کفش، چسب‌ها و آب بند ها، در جایی که مقاومت در برابر مواد شیمیایی و پیرشدگی مهم نیست استفاده می شود.
هنگامی که SBS هیدروژنه می‌شود، به SEBS تبدیل می‌شود، زیرا حذف پیوندهای C=C در جزء بوتادین، اتیلن و بوتیلن را در بلوک میانی ایجاد می‌کند. SEBS با بهبود مقاومت حرارتی، خواص مکانیکی و مقاومت شیمیایی مشخص یابی می‌شود.

ویژگی‌های TPE-S

• عایق الکتریکی
• دامنه سختی گسترده
• مقاومت سایشی قوی
• بی‌رنگ و نیمه شفاف
• مقاوم در برابر ازن و  UV

2.5.ترموپلاستیک‌های پلی‌اولفینی (TPE-O , TPO)

ترموپلاستیک الاستومر‌های پلی اولفینی (TPO) نوعی ترموپلاستیک الاستومر هستند که با ترکیب پلی‌پروپیلن یا پلی‌اتیلن با الاستومرهای مانند EPDM، EPR، EO یا EB ساخته می‌شوند. این الاستومرها معمولاً بدون اتصال عرضی هستند و اجزای آن‌ها به صورت مکانیکی مخلوط می‌شوند. مواد TPO به دلیل مقاومت حرارتی و شیمیایی عالی خود شناخته شده‌اند، اگرچه دارای خواص الاستومری کمتری هستند و سختی نسبتاً بالایی دارند که معمولاً در حدود 80 Shore A است. از TPO در شرایطی استفاده می‌شود که پلی‌پروپیلن به تنهایی استحکام کافی را دارا نیست. TPO می‌تواند از طریق روش‌های مختلفی مانند قالب‌گیری تزریقی، اکستروژن و قالب‌گیری دمشی فراورش شود. از TPO در ساخت داشبورد خودرو استفاده می شود.

ویژگی‌های TPO

•  مقاوم به شعله
•     مقاومت در برابر عوامل محیطی قوی
•    مقاومت شیمیایی قوی
•    بادوام‌تر از کوپلیمرهای پلی‌پروپیلن

3.5.ترموپلاستیک‌ الاستومر ولکانیزه (TPE-V ,TPV)

این ترکیبات نیز مشابه مواد TPO از PP و لاستیک EPDM تشکیل شده‌اند، اما در مرحله کامپاندینگ به صورت دینامیکی ولکانیزه می شوند. این مواد در کاربردهایی که به مقاومت حرارتی تا 120 درجه سانتی‌گراد نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرند. مقادیر سختی این مواد معمولاً از 45A shore تا 45D shore متغیر است. TPV‌ها به دلیل مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر روغن برای کاربرد زیر کاپوت خودرو نیز مناسب هستند.

ویژگی‌های TPV

• مقاومت به دماهای تا 120 درجه سانتی‌گراد
• تنظیم کم فشردگی.
• دامنه سختی 45A تا 45D که مقاوم به مواد شیمیایی و هوا است.

4.5.ترموپلاستیک‌ پلی یورتان (TPE-U , TPU)

ترموپلاستیک پلی یورتان (TPU) با واکنش دی‌ایزوسیانات‌ با پلی‌ال‌ها ایجاد می‌شود. خواص TPU را می‌توان به راحتی با تغییر ترکیب پلی‌ال و دی‌ایزوسیانات تنظیم کرد.TPU  معمولاً با استفاده از روش‌های قالب‌گیری تزریقی، اکستروژن و قالب‌گیری دمشی فراورش می‌شود. از این ماده برای پوشش داخلی خودرو، محافظ از بدنه کشتی و… استفاده می شود.

ویژگی‌های TPU

• مقاومت سایشی بسیار عالی
• استحکام کششی خوب
• دامنه قابل توجه کشش الاستیک
• مقاومت پارگی عالی

5.5.ترموپلاستیک الاستومر‌ کوپلی‌استر (TPC,TPEE)
ترموپلاستیک الاستومر پلی‌استر (TPEE) یک ماده با کارایی بالا و همچنین با عملکرد خوب در دمای بالا است که بسیاری از ویژگی‌های لاستیک ترموست و استحکام پلاستیک‌های مهندسی را دارد. این ماده یک کوپلیمر قطعه ای است که شامل یک بخش سخت پلی‌استر و یک بخش نرم پلی‌اتری است. TPEE ویژگی‌های برتر متعددی دارد و به طور معمول در صنایع لوازم برقی، لوازم الکتریکی و خودرو استفاده می‌شود. در زمینه پزشکی نیز از TPEE استفاده گسترده‌ای می‌شود.

ویژگی‌های TPEE

• تحمل استثنایی درازمدت در دماهای بالا تا 165 درجه سانتی‌گراد
• مقاومت سایشی خوب
• مقاومت ضربه‌ای بالا
• انعطاف‌پذیری عالی
• مقاومت شیمیایی و حرارتی خوب

6.5.ترموپلاستیک‌ الاستومر پلی‌آمید (TPA,TPE-A)
ترموپلاستیک الاستومر پلی‌آمید (TPA) کوپلیمرهای قطعه ای هستند که بر اساس پلی‌آمیدها و ترکیبات اتر یا پلی‌آمیدها و ترکیبات استر ساخته می‌شوند. در زنجیره پلیمری، پلی‌آمید (مانند PA6) نماینده فاز سخت است و ترکیبات اتر یا استر نماینده فازهای نرم برای ویژگی‌های الاستیک هستند. می‌توان از انواع مختلف پلی‌آمیدها، از جمله پلی‌کربنات-استرآمید (PCEA)، پلی‌استرآمید (PEA) و پلی‌اتری استرآمید (PEEA) استفاده کرد. نوع پلی‌آمید استفاده شده تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های TPA دارد. این مواد عموما در صنعت هوافضا کاربرد دارند.

ویژگی‌های TPE-A

•  مقاومت در دماهای بالا تا 170 درجه سانتی‌گراد
• مقاومت قوی در برابر اکثر حلال‌ها
•  استحکام ضربه بالا
• انعطاف‌پذیر حتی در آب و هوای سرد
• مقاومت سایشی قوی

6. مقایسه خواص ترموپلاستیک الاستومرها

در جدول زیر مقایسه از انواع تجاری ترموپلاستیک الاستومرهای فوق ارائه گردیده است:

جدول1: مقایسه ترموپلاستیک الاستومرهای تجاری

نتیجه گیری

ترموپلاستیک‌ الاستومر ها دارای ویژگی‌های مطلوب زیادی بوده و برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در صنایع مختلف مناسب هستند. این مواد به راحتی فراورش و رنگ می‌شوند و از ایمنی و انعطاف‌پذیری بالایی برخوردار هستند. از این رو، از آنها به طور فزاینده‌ای در کاربردهای زیادی از جمله لوازم پزشکی و همچنین در تولید کالاهای مصرفی و صنایع خودرو و هوافضا استفاده می شوند. علاوه بر این، به دلیل اینکه این مواد می‌توانند بازیافت و فراورش مجدد شوند، گزینه‌ بسیار بهتری نسبت به سایر پلاستیک‌ها می باشند.

منابع:

Spontak, R. J., & Patel, N. P. (2000). Thermoplastic elastomers: fundamentals and applications. Current opinion in colloid & interface science, 5(5-6), 333-340.

Holden, G. (2024). Thermoplastic elastomers. In Applied Plastics Engineering Handbook (Sun, M., Xiao, Y., Liu, K., Yang, X., Liu, P., Jie, S., … & Wang, W. J.

(2023). Synthesis and characterization of polyolefin thermoplastic elastomers: A review. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 101(9), 4886-4906. pp. 97-113). William Andrew Publishing.

https://polimerteknik.com/polimer/thermoplastic-elastomers

https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/thermoplastic-elastomer

گراورنده مطالب: مائده پیرغریب نواز

ویراستار علمی: دکتر مهرناز بهادری