TPE

Elastomery termoplastyczne (TPE, ang. thermoplastic elastomers) to grupa materiałów polimerowych, które w określonym zakresie temperatur łączą cechy usieciowanych chemicznie kauczuków z łatwością przetwarzania i możliwością recyklingu typową dla termoplastów.

W praktyce oznacza to, że wyroby z TPE mogą zachowywać elastyczność i sprężystość zbliżoną do gumy, ale ich formowanie odbywa się metodami stosowanymi dla tworzyw termoplastycznych. W odróżnieniu od klasycznych mieszanek kauczukowych TPE nie wymagają w typowych procesach osobnego chemicznego sieciowania po uformowaniu wyrobu.

Budowa i zasada działania

Elastomery termoplastyczne nie są jedną grupą związków o wspólnej budowie chemicznej. Wiele z nich ma strukturę kopolimerów blokowych, w których występują segmenty twarde i miękkie. Segmenty twarde pełnią funkcję fizycznych węzłów sieci i odpowiadają m.in. za wytrzymałość oraz stabilność wymiarową, natomiast segmenty miękkie nadają materiałowi elastyczność.

Często spotykanym modelem budowy jest struktura blokowa A-B-A. Segment A jest termoplastyczny: sztywny w temperaturze użytkowania i plastyczny po ogrzaniu. Segment B ma charakter elastyczny. Dzięki temu materiał w temperaturze użytkowania zachowuje się jak elastomer, a po podgrzaniu może być uplastyczniony i przetwarzany jak termoplast.

Inną ważną grupą są mieszaniny elastomer/termoplast, określane także jako blendy lub stopy polimerowe. W takich materiałach poszczególne składniki tworzą odrębne fazy. Przykładem są wulkanizaty termoplastyczne TPV, otrzymywane przez dynamiczną wulkanizację fazy kauczukowej podczas mieszania w stanie stopionym.

Podział

Najczęściej wyróżnia się sześć podstawowych grup elastomerów termoplastycznych:

• TPE-S (SBC, TPS) – styrenowe kopolimery blokowe, m.in. SBS, SIS, SEBS, SEEPS i SEPS;
• TPE-U (TPU) – termoplastyczne elastomery poliuretanowe;
• TPE-V (TPV) – wulkanizaty termoplastyczne, czyli mieszaniny elastomer/termoplast poddane dynamicznej wulkanizacji;
• TPE-O (TPO) – termoplastyczne poliolefiny;
• TPE-E (TPEE, COPE) – termoplastyczne elastomery poliestrowe;
• TPE-A (TPA, COPA, PEBA) – termoplastyczne elastomery poliamidowe, w tym blokowe kopolimery amidowo-eterowe.

Poszczególne grupy różnią się budową chemiczną, zakresem twardości, odpornością chemiczną, odpornością cieplną, sprężystością, zachowaniem w niskiej temperaturze i sposobem przetwarzania. Z tego powodu dobór TPE powinien wynikać z warunków pracy wyrobu oraz wymaganych parametrów użytkowych.

Właściwości

Podstawową cechą TPE jest połączenie elastyczności z przetwarzalnością termoplastyczną. Materiały te mogą umożliwiać produkcję wyrobów o gumopodobnym charakterze, a jednocześnie skracać cykl przetwórczy w porównaniu z technologiami typowymi dla gumy.

Do typowych zalet elastomerów termoplastycznych należą:

• elastyczność i sprężystość w określonym zakresie temperatur,
• możliwość przetwarzania metodami stosowanymi dla termoplastów,
• możliwość ponownego przetwarzania części odpadów technologicznych,
• łatwość uzyskiwania materiałów o różnej twardości,
• możliwość barwienia wielu gatunków,
• zdolność łączenia się z wybranymi tworzywami termoplastycznymi w procesach wielokomponentowych,
• dobre właściwości fizykomechaniczne zależnie od grupy materiałowej,
• odporność na ścieranie, oleje, czynniki atmosferyczne, rozpuszczalniki lub niską temperaturę – zależnie od rodzaju TPE.

Ograniczeniem TPE jest m.in. odporność na wysoką temperaturę. Podobnie jak inne termoplasty, po przekroczeniu dopuszczalnego progu temperaturowego mogą ulegać trwałej deformacji. Właściwości cieplne są jednak silnie zależne od typu materiału: np. TPE-E mogą wykazywać odporność na podwyższone temperatury, a TPE-A według źródeł osiągają odporność cieplną do około 170°C.

Nie należy traktować całej grupy TPE jako materiałów o jednakowej odporności chemicznej. Przykładowo TPU są cenione za bardzo niską ścieralność i dobrą odporność na czynniki atmosferyczne, ale niektóre gatunki, zwłaszcza poliestrowe, mogą wykazywać tendencję do hydrolizy. TPE-E charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na rozpuszczalniki, pełzanie, uderzenia i starzenie zmęczeniowe. TPO bez wulkanizacji mogą natomiast mieć słabsze właściwości mechaniczne i niską odporność na rozpuszczalniki węglowodorowe.

Charakterystyka wybranych grup

TPE-S

TPE-S to styrenowe kopolimery blokowe, obejmujące m.in. SBS, SIS, SEBS, SEEPS, SEPS i SEPS-V. Są jedną z najbardziej zróżnicowanych grup TPE. Cechują się m.in. wysoką wytrzymałością na rozciąganie, dobrym modułem sprężystości, dobrą mieszalnością, właściwościami elektroizolacyjnymi, odpornością na ścieranie oraz wysokim współczynnikiem tarcia. Ze względu na przezroczystość i łatwość barwienia często wykorzystuje się je w wyrobach estetycznych, miękkich w dotyku i antypoślizgowych.

TPE-U / TPU

TPU mają strukturę blokową z segmentami twardymi opartymi m.in. na diizocyjanianach i diolach oraz segmentami miękkimi w postaci łańcuchów polieterowych lub poliestrowych. Zakres twardości różnych TPU może rozciągać się od około 55 Shore A do 80 Shore D. Materiały te wyróżniają się bardzo niską ścieralnością, niskim współczynnikiem tarcia, dobrą odpornością na czynniki atmosferyczne oraz zastosowaniami technicznymi i sportowymi.

TPE-V / TPV

TPV nie mają typowej struktury blokowej. Są materiałami dwufazowymi, w których faza kauczukowa i termoplastyczna są przetwarzane z udziałem dynamicznej wulkanizacji. Można je przetwarzać metodami obróbki termoplastycznej, bez typowych urządzeń gumowych. Wykazują dobre właściwości mechaniczne i barierowe, elastyczność w niskich temperaturach, odporność na ciecze i oleje oraz wytrzymałość zmęczeniową. Ważnym obszarem ich użycia jest motoryzacja oraz kable i osłony izolacyjne narażone na czynniki atmosferyczne.

TPE-O / TPO

TPO to termoplastyczne poliolefiny, zwykle mieszaniny polipropylenu lub polietylenu z kauczukami, zwłaszcza EPDM lub kauczukiem akrylonitrylo-butadienowym. Kopolimery blokowe poliolefin są lekkie, elastyczne, chemicznie obojętne, nietoksyczne i łatwe do barwienia oraz zadruku. Ograniczeniem niezwulkanizowanych blend TPO mogą być słabsze właściwości mechaniczne i niska odporność na rozpuszczalniki węglowodorowe.

TPE-E / TPEE / COPE

TPE-E są liniowymi kopolimerami blokowymi, w których twarde segmenty tworzą krystaliczne poliestry, a elastyczność zapewniają amorficzne bloki polieterowe. Materiały te łączą elastyczność gumy z przetwarzalnością termoplastów. Wyróżniają się wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością na rozpuszczalniki, pełzanie, uderzenia, starzenie zmęczeniowe oraz niską temperaturę. Stosuje się je m.in. w rurach, uszczelnieniach, łącznikach sprężystych, kablach i wyrobach rekreacyjnych.

TPE-A / TPA / PEBA

TPE-A zawierają miękkie segmenty poliestrowe lub polieterowe oraz sztywne bloki poliamidowe. Ich właściwości zależą od rodzaju i długości bloków tworzących kopolimer. Charakteryzują się dobrą przetwarzalnością, stabilnością wymiarową, odpornością na wysoką temperaturę i działanie rozpuszczalników. Wykorzystuje się je m.in. do produkcji pasów transporterowych i pędnych.

Przetwórstwo

Elastomery termoplastyczne mogą być przetwarzane metodami właściwymi dla termoplastów. W zależności od grupy i gatunku stosuje się m.in. wtryskiwanie, wytłaczanie, formowanie wielokomponentowe, powlekanie oraz wybrane technologie wytwarzania przyrostowego.

Warunki procesu muszą być dostosowane do konkretnego TPE. Dla TPU ważne jest np. wstępne suszenie surowca oraz kontrola temperatury, ponieważ zakres między uplastycznieniem a degradacją może być wąski. W przypadku materiałów podatnych na hydrolizę istotna jest również kontrola wilgotności.

Zastosowanie

Ze względu na zróżnicowanie właściwości TPE są stosowane w wielu sektorach przemysłu. Typowe zastosowania obejmują:

• uszczelki i elementy uszczelniające,
• uchwyty, powierzchnie miękkie w dotyku i elementy antypoślizgowe,
• węże, rury i przewody elastyczne,
• osłony kabli oraz elementy elektroizolacyjne,
• elementy wyposażenia samochodów, w tym części wnętrza, uchwyty, tablice przyrządów i elementy konsoli,
• profile techniczne, pasy napędowe i taśmy przenośnikowe,
• folie, laminaty, powłoki tekstylne i powłoki barierowe,
• wyroby sportowe i rekreacyjne,
• wyroby medyczne i biomedyczne – zależnie od gatunku i dopuszczeń materiału,
• elementy wytwarzane metodami przyrostowymi, zwłaszcza z TPU.

W motoryzacji rozwijane są także TPE zawierające surowce z recyklingu. Przykładowe serie materiałów z deklarowaną wysoką zawartością recyklatu obejmują szeroki zakres twardości i są kierowane do zastosowań wewnętrznych, zewnętrznych oraz w układach napędowych.

TPE w wytwarzaniu przyrostowym

W technologii przyrostowej materiały elastyczne są trudniejsze w przetwarzaniu niż typowe termoplasty, ponieważ pod wpływem naprężeń mogą się odkształcać, a drukowane detale mogą ulegać deformacjom. Szersze zastosowanie znalazły jednak elastomery termoplastyczne, zwłaszcza TPU. Umożliwiają one otrzymywanie elastycznych elementów o właściwościach gumopodobnych, stosowanych m.in. w produktach biomedycznych, sprzęcie sportowym i częściach inżynieryjnych.

Rozwój

Prace nad materiałami termoplastycznymi o właściwościach elastycznych rozpoczęto już w latach 30. XX wieku. Za istotny etap rozwoju TPE uznaje się komercjalizację termoplastycznych poliuretanów przez B.F. Goodrich w 1959 r. W kolejnych dekadach na rynek wprowadzano m.in. styrenowe kopolimery blokowe SBS i SIS, kopoliestry, termoplastyczne poliolefiny, wulkanizaty termoplastyczne oraz kopolimery blokowe poliamidów.

Współczesny rozwój TPE obejmuje m.in. materiały specjalistyczne, compoundy dostosowane do konkretnych aplikacji, rozwiązania z udziałem surowców pochodzenia biologicznego, materiały zawierające recyklat oraz elastomery do technologii addytywnych.