熱塑性聚酯彈性體綠色製程及應用

 

刊登日期:2019/11/5
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林哲增/工研院材化所
 
熱塑性聚酯彈性體(TPEE)是由短的剛硬鏈段(結晶相)和長的軟鏈段所構成的嵌段式共聚高分子,因特殊的化學結構,使得TPEE同時具有橡膠的彈性、柔軟性和熱塑性樹脂的剛硬性和易加工性。其化學與物理性質由高分子的軟硬鏈段結構和組成決定,彈性與強度介於塑料和橡膠之間。硬鏈段比例增加,可增強剛硬性及化學穩定性;軟鏈段比例增加,則是提升柔軟性和低溫的性能表現。TPEE具有良好的機械強度,如高的拉伸、撕裂、衝擊強度和抗磨損、潛變、疲勞特性以及耐化學、油、氣候,並且在低溫具有好的彈性,因此被廣泛的應用在車用元件、通訊電纜、工業與運動休閒製品、鐵路減震墊片、防水透濕薄膜、生醫材料和高分子改質劑等。TPEE除了具備可回收再利用的環保特性,還能透過從聚酯(PET)廢料,以化學回收法得到其單體或低聚物做為原料來源,實現將廢棄PET轉化成高值化新產品的循環方式。
 
本文將從以下大綱,介紹TPEE在綠色製程中的優勢及其市場與應用。
‧背景說明
‧物性簡介
 1. 力學性質
 2. 熱性質
 3. 耐化學性
 4. 耐老化性
 5. 加工性
‧TPEE合成方式
‧TPEE的綠色製程優勢
 1. TPEE與傳統橡膠製程差異
 2. 廢棄PET再製TPEE
‧主要生產商
‧TPEE市場與應用
‧結語
 
【內文精選】
背景說明
傳統的熱塑性樹脂與橡膠是兩種性質截然不同的材料。前者在本質上是屬於較硬的材料,可採用多種加工方式進行成型,例如擠出、注射、吹塑、熱塑等;後者則屬質軟,具彈性佳的特性,但需經過硫化等多道複雜的程序對其進行加工生產。而熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyester Elastomers; TPEEs)則是集結兩者優勢為一體的新型高分子材料,由具有高硬度、高熔點的玻璃型或結晶型聚酯硬鏈段和具有柔軟性、低玻璃轉移溫度的長鏈、非結晶型聚醚或聚酯軟鏈段,所組成的多嵌段共聚高分子;其結合化學交聯型橡膠彈性體的彈性回復、對能量吸收、低溫良好的柔軟性和熱塑性樹脂優異的機械強度(Mechanical Strength)和易加工特性。
 
物性簡介
典型的熱塑性聚酯彈性體,其結構組成是以聚對苯二甲酸丁二酯(Poly(Butylene Terephthalate); PBT)做為硬鏈段,並連結提供柔軟性的聚四氫喃(Poly(Tetramethylene Oxide); PTMEG)做為軟鏈段部分。在微觀結構(圖一),結晶態的PBT鏈段會分散在由軟鏈段PTMEG和硬鏈段非結晶態PBT所組成的無定型區域(Amorphous Domains)內,形成微相分離的結構。結晶態硬鏈段所形成的區域,是結構中的物理交聯點,提供材料形變時的尺寸安定支撐點,其比例越高,材料的硬度、機械強度、耐熱與耐溶劑性等性質就越好;而材料的彈性及低溫撓曲性則是受無定型軟鏈段的比例決定。
 
圖一、(a) TPEE微觀形態示意圖;(b) TPEE膜的TEM影像
圖一、(a) TPEE微觀形態示意圖;(b) TPEE膜的TEM影像
 
TPEE整體優異的特性如下:
5. 加工性
TPEE本身具備熱塑性,有結晶速度快及在熔融狀態穩定性高的優勢,故具良好的加工性及適用多樣的加工方式,如:①利用塑料擠出機將TPEE擠出成外型為管材、片材、棒材或電纜線包材等。②以注射成型的工藝加工成各種形狀和尺寸的成品。③對具有較高的熔體黏度和熔融強度的TPEE,以吹塑方式製成中空的特殊部件。④採取近年來最熱門的加工製造方式—積層製造技術,可對於高精度、複雜度和客製化的樣品進行打造。
 
TPEE市場與應用
根據美國Freedonia的統計,2016全球TPEE市場需求約為28.4萬噸;而Grand View Research, Inc.的報告指出,其市場規模估計為8.452億美元,預計到了2025年將達到14.9億美元。帶動整體需求與規模提升的主因是TPEE本身具有優異的性質,且彈性體的製程簡單以及輕量化的優勢,逐漸取代熱固型材料和金屬的應用,預期未來合膠與加工技術的進步,也會是提升的因素之一。
 
由於TPEE有優異的機械強度、耐熱性、耐化學品、耐油性、耐磨耗以及高低溫的耐撓曲特性,其應用領域非常廣泛,如圖五所示,涵蓋汽車行業、電子電器材料、工業製品、醫療和民生消費品。圖六為TPEE各領域的應用產品…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、TPEE各領域的應用產品
圖六、TPEE各領域的應用產品
 
★本文節錄自「工業材料雜誌」395期,更多資料請見下方附檔。

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