動態交聯熱塑性彈性體技術

刊登日期:2016/11/5
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本文主要針對動態交聯熱塑性彈性體之產業現況、形態相反轉程序、研發平台建構,以及橡膠分散相形態與材料性能之間關聯性的實例進行報導。期許藉由國內自行研發動態交聯反應之關鍵技術,並透過開發連續式雙螺桿反應押出製程之技術平台,建立國產動態交聯熱塑性彈性體的完整產業價值鏈。
 
產業現況
動態交聯熱塑性彈性體(TPV)是一種由橡膠和聚烯烴系熱可塑性塑膠所共混,並再歷經橡膠之動態交聯反應後而形成的複合物。由於 TPV材料具有優異的抗化學和抗磨損等特性,故已廣泛被用來取代傳統聚氯乙烯PVC)、天然橡膠或合成橡膠。此外,又因 TPV同時具熱可塑及可回收之特點,因此亦被用來代替傳統的熱塑性塑膠,如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等。

以現今車用材料的開發進程為例,TPV已被大規模使用來替換舊式汽車零組件用之傳統材料,例如使用於引擎室部件的乙烯丙烯橡膠(EPDM)、丁腈橡膠(NBR)、聚氯乙烯及氟矽酮等傳統材料;或者也取代傳統使用於汽車密封墊和內襯部件的乙烯丙烯橡膠;又或是替代過去用於汽車外襯部件的傳統塑膠材。



圖一、2014~2019年之全球TPV市場需求量成長趨勢分析
 
動態交聯反應之形態相反轉原理
所謂熱可塑性彈性體,是一種由橡膠和塑膠所共混,並再歷經橡膠之動態交聯反應後而形成的複合物,且橡膠在複合物中的組成百分比通常高於塑膠。在 1963年,Fischer等人首次利用萬馬力混煉機進行 EPDM/PP 的動態交聯反應。為了維持塑膠成分可貢獻之熱可塑特性,因此整體複合物的最終結構形態,必須形成如圖三所呈現之多尺度階層性結構,即在第一階層形態為橡膠本身具有物理及化學交聯結構,並且可形成球狀之橡膠交聯區形態;再者,球狀之橡膠交聯區得以進一步均勻分散在塑膠相當中,以構成第二階層形態。在該種多尺度階層性結構下,除了塑膠相依然能夠表現其熱可塑特性之外,當複合物在遭受外在應力時,球狀之橡膠交聯區則可隨著應力方向而產生形變,以誘導出彈性體的特有行為特徵。



圖三、理想之熱塑性彈性體的橡膠分散形態

動態交聯熱塑性彈性體開發平台
如同前述,開發TPV材料是一門既耗時且複雜的學問,必須同時兼顧橡膠與塑膠的黏度比、界面能差異及加工條件等各種參數設定,因此亟需整合一TPV專用的研究開發平台,以利於協助業界提高其產能,或者亦可提供學界進行學術研究。圖六所示即為工研院在近期內建立之動態交聯熱塑性彈性體的開發平台流程。

首先,研發流程的第一步驟,便在於篩選橡膠和塑膠材料的種類,主要考量依據包括橡膠的化學結構及塑膠的分子量大小;而鑑定技術則是採用核磁共振光譜與分子流動性等兩種分析方法。研發流程的第二步驟,則是著重於驗證橡膠與塑膠之間的互熔性,其中因決定互熔性的關鍵在於兩相之間的溶解度參數差異,故溶解度參數愈接近者其互熔性愈佳;而驗證方法乃利用動態機械分析(DMA)以收集橡膠和塑膠之各別玻璃轉化溫度在熔融混合時,因分子鏈親密糾纏促使兩者玻璃轉化溫度的改變幅度。研發流程的第三步驟,則開始進行批次式動態交聯反應的基礎配方。
 
橡膠分散相形態—機械物性之關聯性實例
過去常見之商品化 TPV 材料,主要以 EPDM/PP 及 NBR/PP 兩大系列為主,但該兩種系列之 TPV應用在車用材料上的耐候性及耐油性並不佳。於是近年來,學界已針對下列另兩種更具耐候性及耐油性的新型橡膠,即 SEBS和 SEPS,進行下一代之新型動態交聯熱塑性彈性體的基礎學理研究。為了加速將 SEBS或 SEPS系列為主的新型動態交聯熱塑性彈性體投入汽車產業的應用,工研院在近期已根據 ------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:朱哲毅、陳建明 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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