環保熱塑性聚氨酯基動態交鏈材料開發

 

刊登日期:2018/11/5
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台灣目前僅有少數幾家廠商生產EPDM/PP動態交鏈材料。發展此材料受限於進口EPDM橡膠原料無法掌握,而其他特殊功能規格的動態交鏈材料多數亦來自國外進口,製造門檻與價格較高且交期較長。國內終端製品業者著實需要能提供此類產品的上游材料公司,以加速投入研發材料性能與價格有競爭優勢之環保熱塑動態交鏈材料,取代傳統熱固橡膠。

本文將從以下大綱,介紹利用動態交鏈技術製備TPU/XNBR熱塑交鏈材料開發可行性之先期研究。
‧前言
‧實驗
 1. 藥品與原物料
 2. 實驗設備、儀器設備
‧結果與討論
 1. XNBR交鏈配方與反應條件分析
 2. TPU/XNBR動態交鏈材料之機械性質測試
 3. TPU/XNBR動態交鏈材料之相容性分析
 4. TPU/XNBR動態交鏈材料之相型態觀測
‧結論

【內文精選】
前言
橡膠物性的展現主要來自於交鏈反應後,然由於橡膠屬於熱固型高分子,其分子結構已經形成網絡交聯,所以材料在自然環境下無法分解,且不可再加工利用,這些廢棄物若使用焚燒或掩埋之方式處理,將會造成嚴重的環境污染與人民健康危害之問題。有鑑於此,過去有研究利用機械摻混方式(俗稱動態交鏈Thermoplastic Vulcanizate;簡稱TPV)使橡膠具有可重複熱熔再加工性。該材料的製備原理主要以雙螺桿押出機將橡膠、塑膠及交鏈劑熔融摻混,同時橡膠在熔融過程中與交鏈劑反應而形成微細粒子分佈於塑膠中,故此材料在常溫下仍具有加硫橡膠的性質(即彈性體的性質),而在高溫下又具有塑膠的加工性質。

藉由動態交鏈的方式使橡膠交鏈形成微細粒子分散於塑膠的連續基材中,讓橡膠材料具有可回收再利用的特性,符合當今的綠色材料訴求。因此,各國對於可取代傳統熱固橡膠之高附加價值熱塑性彈性材料開發都予以高度重視,使其於傳統橡膠工業發展中,得以2~3倍的速度增長。圖一為Freedonia Group預估亞太地區對熱塑性彈性材料之需求,從數量上看,中國是世界上最大的消費國,其需求將繼續強勁增長。

圖一、2000~2020年亞太地區各國對環保熱塑彈性材料需求之預估
圖一、2000~2020年亞太地區各國對環保熱塑彈性材料需求之預估

橡塑膠結合之熱塑性交鏈材料商業化,乃始自1981年美國AES公司(現已被Exxon Mobil公司併購)成功開發以Santoprene (EPDM/PP)命名之彈性體,其後又發展出Geolast (PP/NBR)、Dytron (PE/EPDM)、Vyram (CR/PVC)等各系列不同材質的產品。接著才有E-TPV (PBT/AEM)、Zeotherm (Soft Nylon/Copolyester)及TPU/Silicone Rubber (TPSiV)等各系列不同材質的特殊工程級TPV產品,陸續被其他廠家開發出來,目前市場上可見的商品種類如表一所示。

本文將介紹利用動態交鏈技術製備TPU/XNBR熱塑交鏈材料開發可行性之先期研究,如圖二,以期支援鞋業、運輸及工具機業等各業所需之熱塑性交鏈材料,取代目前熱固型橡膠,且無二次加工性而衍生環境汙染之問題。先期研究範圍包括:①XNBR交鏈配方與反應條件分析;②TPU/XNBR動態交鏈材料在不同組成比例下之基本機械性質、相容性與分散型態之變化關係。主要考量此材料系統同時結合了TPU高制振、高機械強度與XNBR彈性佳與耐油等優點,加上TPU與XNBR原料國內即有生產,將能以較低之生產成本獲得,預期可應用於鞋材、汽車內裝材、電線電纜、3C產品等領域。

結果與討論
2. TPU/XNBR動態交鏈材料之機械性質測試
圖四說明使用雙螺桿押出機製備TPU/XNBR熱塑動態交鏈材料,加工溫度設定160~200˚C,轉速500 rpm,可觀察到TPU摻混5~20 wt%比例之XNBR可順利造粒。表二為TPU/XNBR動態交鏈材料在不同組成比例下之機械性質測試結果。可明顯觀察到TPU之抗拉強度與撕裂強度隨著XNBR摻混比例增加而下降,主要原因為純XNBR的機械性質較差所致。值得注意的是,TPU摻混XNBR後之耐磨性明顯提升,以10%添加量有最佳表現,TPU磨耗量約從155 mg降低至46 mg,可能原因為XNBR橡膠經動態交鏈後…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖四、雙螺桿押出機製備TPU/XNBR熱塑動態交鏈材料加工條件與物性檢測
圖四、雙螺桿押出機製備TPU/XNBR熱塑動態交鏈材料加工條件與物性檢測

作者:吳志宏、吳耀祖/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」383期,更多資料請見下方附檔。


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