Elastomery termoplastyczne Podstawy tworzyw sztucznych: o elastomerach, tworzywach termoplastycznych i formach mieszanych

Czym są elastomery termoplastyczne? Czym różnią się od tworzyw termoplastycznych i klasycznych elastomerów? Jakie korzyści z tego wynikają? Przegląd zagadnień z zakresu technologii tworzyw sztucznych.

Zazwyczaj tworzywa sztuczne dzieli się na trzy klasy według ich właściwości mechaniczno-termicznych oraz podstawowej struktury polimerowej: tworzywa termoplastyczne, elastomery i tworzywa duroplastyczne. Znany jest jednak jeszcze jeden rodzaj tworzywa, który należy zaklasyfikować pomiędzy dwiema pierwszymi wymienionymi klasami: elastomery termoplastyczne, w skrócie TPE.

Wykazują one elastyczne, gumopodobne właściwości elastomerów, ale po podgrzaniu można je odkształcać tak samo jak tworzywa termoplastyczne. Te gumowo-elastyczne tworzywa hybrydowe są przetwarzane m.in. na węże, nasadki i zatyczki, półprodukty oraz uszczelki. Ale w jaki sposób osiąga się ten „status hybrydowy” i jaki ma to wpływ na możliwości ich zastosowania?

„Hybrydy” z tworzyw termoplastycznych i elastomerów

Tworzywa termoplastyczne, takie jak powszechnie stosowany polipropylen (PP), polietylen (PE) czy tworzywo wysokowydajne – politetrafluoroetylen (PTFE) – składają się zniezsiątkowanych łańcuchów polimerowych, które pod wpływem ciepła mogą się względem siebie przesuwać. Z tego powodu tworzywa termoplastyczne podlegają topnieniu i w określonym zakresie temperatur ulegają odwracalnemu odkształceniu.

Natomiast łańcuchy molekularne elastomerów są splątane i połączone ze sobą w sieć o szerokich oczkach. Pod wpływem obciążenia rozciągającego dochodzi do rozciągnięcia lub rozplątania łańcuchów polimerowych. Po ustaniu działania czynnika zewnętrznego łańcuchy polimerowe powracają do swojego preferowanego stanu splątania. Elastomery, takie jak kauczuk naturalny (NR), kauczuk silikonowy czy kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM), wykazują zatem właściwości gumowo-elastyczne.

Klasę elastomerów termoplastycznych można w uproszczeniu postrzegać jako połączenie tych dwóch klas tworzyw sztucznych. W temperaturze pokojowej wykazują one właściwości fizykotechniczne elastomerów, natomiast w podwyższonej temperaturze, podobnie jak tworzywa termoplastyczne, miękną bez ulegania rozkładowi i można je odkształcać w sposób odwracalny. Proces ten można kontynuować aż do stopienia i powtarzać niemal dowolną liczbę razy. Gdy TPE ponownie ostygną, zachowują kształt przyjęty w stanie zmiękczonym lub stopionym i odzyskują swoje pierwotne wartości elastyczności i wytrzymałości.

Budowa elastomerów termoplastycznych: połączenie przeciwieństw

Cechą charakterystyczną składu TPE jest obecność „miękkiego” i „twardego” składnika polimerowego. Te elementy składowe, zwane również sekwencjami, można łączyć ze sobą na dwa sposoby:

1. Po pierwsze, termoplast i elastomer można po prostu ze sobą wymieszać. W ten sposób otrzymuje się mieszanki, które określa się również jako mieszanki polimerowe lub stopy elastomerowe. W zależności od sekwencji i wybranego stosunku mieszania można wytwarzać materiały dostosowane do indywidualnych potrzeb o precyzyjnie określonych właściwościach, które można dodatkowo modyfikować poprzez dodanie dodatków i wypełniaczy.
2. Z drugiej strony różne monomery mogą być polimeryzowane razem. W kopolimerze otrzymanym w ten sposób na przemian występują termoplastyczne i elastomerowe fragmenty monomerów. Jeśli występują co najmniej dwa chemicznie różne, połączone ze sobą bloki homopolimerowe, mamy do czynienia z kopolimerami blokowymi. Z kolei w kopolimerach szczepionych jeden składnik polimerowy tworzy łańcuch główny, do którego „szczepionych” jest kilka łańcuchów bocznych drugiego rodzaju monomeru.

W obu typach kopolimerów obszary termoplastyczne są połączone ze sobą w sposób fizycznie odwracalny dzięki wiązaniom van der Waalsa. Podczas ogrzewania same łańcuchy molekularne pozostają nienaruszone, jednak stosunkowo słabe, niekowalencyjne oddziaływania między nimi są stopniowo przełamywane, a tworzywo sztuczne mięknie.

Ze względu na dobrą plastyczność na gorąco tworzywa TPE można przetwarzać za pomocą takich procesów jak wytłaczanie, formowanie wtryskowe i formowanie z rozdmuchem, na przykład do produkcji węży z elastomerów termoplastycznych lub gumowych okrągłych sznurów. Ponadto tworzywa te można zgrzewać.

Podział TPE na różne typy

Liczne możliwości łączenia monomerów otwierają szeroki wachlarz elastomerów termoplastycznych o znaczeniu technicznym, charakteryzujących się różnym składem chemicznym i właściwościami fizycznymi. Norma DIN EN ISO 18064, obowiązująca od 2005 roku, przewiduje trzyliterową nomenklaturę dla poszczególnych rodzajów polimerów. W praktyce jednak TPE nadal często oznaczane są skrótem „TPE” z dodaną wielką literą, odnoszącą się do budowy chemiczno-morfologicznej.

Kopolimery blokowe

• Termoplastyczne polimery poliuretanowe (TPE-U lub TPU): Termoplastyczne polimery poliuretanowe są klasycznymi przedstawicielami kopolimerów blokowych i pojawiły się na rynku już w latach 50. Składają się one z alifatycznych lub aromatycznych uretanów, które przeplatają się z blokami poliestrowymi lub polieterowymi.
• Termoplastyczne poliamidowe polimery (TPE-A lub TPA): W termoplastycznych kopoliamidach twardy składnik – składający się z liniowych jednostek poliamidu 6 lub poliamidu 12 – jest połączony z blokami poliestrów lub polieterów.
• Termoplastyczne polimery styrenowe (TPE-S lub TPS): W tym typie monomery styrenowe są połączone w bloki z jednostkami butadienowymi, izoprenowymi, etylenowo-butylenowymi lub etylenowo-propylenowymi. Najpopularniejszą strukturą jest typ liniowy A-B-A: styren-butadien-styren (SBS), styren-izopren-styren (SIS), styren-etylen-butylen-styren (SEBS) lub styren-etylen-propylen-styren (SEPS), przy czym „twarde” bloki końcowe styrenu zapewniają właściwości termoplastyczne, a odpowiednie „miękkie” bloki środkowe – właściwości elastomerowe. Twardość tych polimerów blokowych styrenowych można regulować w bardzo szerokim zakresie.
• Termoplastyczne polimery poliestrowe (TPE-E lub TPC): Termoplastyczne kopoliestrowe elastomery są kopolimerami wieloblokowymi. W łańcuchach polimerowych występuje naprzemienne ułożenie albo różnych jednostek poliestrowych, albo jednostek poliestrowych i polieterenowych.

Mieszanki polimerowe

Mieszanki polimerowe to mieszaniny tworzyw sztucznych, nazywane również stopami polimerowymi.

• Niesieciowane termoplastyczne elastomery poliolefinowe (TPE-O lub TPO): TPO to układy dwuskładnikowe, w których elastomer, taki jak EPDM, jest drobno zdyspergowany w matrycy poliolefinowej, na przykład z PP. Kolejnym ważnym przedstawicielem tego typu jest połączenie etylenu i octanu winylu (EVA) oraz polichlorku winylidenu (PVDC).
• Dynamicznie sieciowane mieszanki termoplastycznych poliolefin (TPE-V lub TPV): Z kolei TPV, blisko spokrewnione z TPO, to chemicznie sieciowane mieszanki poliolefin, dlatego też określa się je mianem termoplastycznych wulkanizatów. Również w tej kategorii na pierwszym miejscu należy wymienić połączenie PP/EPDM.

W przypadku pomp ściskaniowych lub jako węże pompowe węże z EPDM/PP stały się popularną, trwałą i jednocześnie bezpieczną dla zdrowia alternatywą dla węży silikonowych oraz węży z FPM/FKM. W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć, że skrót TPX występuje również w branży tworzyw sztucznych. Materiał ten nie należy jednak do rodziny TPE, lecz jest to chroniona przez firmę Mitsui Chemicals Inc. nazwa handlowa i znak towarowy określający poli-4-metylopent-1-en, bliski krewny polipropylenu.

Właściwości i zastosowania TPE

Elastomery termoplastyczne wyróżniają się dużą elastycznością i wysoką odwracalną rozciągliwością w szerokim zakresie temperatur. Ich wysoka wytrzymałość, udarność oraz odporność na uderzenia z nacięciem sprawiają ponadto, że często są one bardziej wytrzymałe niż czysty elastomer lub czysty termoplast. Ponadto charakteryzują się doskonałą odpornością na ścieranie, co sprawia, że doskonale nadają się do stosowania jako półprodukty, takie jak płyty i maty gumowe, a także powierzchnie z tworzyw sztucznych. Ponadto profile z TPE znajdują zastosowanie jako uszczelki i osłony krawędzi w obudowach z tworzyw sztucznych, w przemyśle motoryzacyjnym, elektrotechnicznym, spożywczym i farmaceutycznym.

Ich odporność chemiczną można bardzo precyzyjnie dostosować poprzez dobór odpowiednich monomerów. W ten sposób twardość w skali Shore’a można zmniejszyć poprzez zwiększenie zawartości elastomeru, co skutkuje uzyskaniem bardziej miękkiego tworzywa sztucznego. Ponieważ nie wymaga to stosowania plastyfikatorów, TPE idealnie nadają się do produkcji węży gumowych. Elastomery termoplastyczne są zatem wykorzystywane jako materiał wyjściowy do produkcji węży przeznaczonych do kontaktu z żywnością lub węży stosowanych w technice medycznej. Jako przykład można tu wymienić węże TPE-S przeznaczone dla techniki medycznej i farmaceutycznej lub węże TPE-E do zastosowań spożywczych i farmaceutycznych firmy Reichelt Chemietechnik. Ten specjalistyczny partner w zakresie wyposażenia laboratoryjnego, technologii węży i uszczelnień oferuje szeroki wybór wysokiej jakości produktów wykonanych z elastomerów termoplastycznych.

Elastomery termoplastyczne znajdują również zastosowanie w produkcji wielu popularnych artykułów gospodarstwa domowego i przedmiotów codziennego użytku, takich jak podeszwy butów, uchwyty szczoteczek do zębów o miękkiej w dotyku powierzchni, uchwyty narzędzi czy zabawki dla dzieci. Najczęstsze zastosowania mają jednak w branży motoryzacyjnej; na całym świecie ponad jedna trzecia wyprodukowanych materiałów TPE jest przetwarzana w przemyśle motoryzacyjnym. We wnętrzach zapewniają one na przykład lepsze wrażenia dotykowe jako okładziny wewnętrzne oraz powłoki nakładane na uchwyty i przyciski; natomiast na zewnątrz wykorzystuje się je do produkcji osłon kabli, uszczelek, ram okiennych, mieszków i amortyzatorów.