TPE介紹

熱可塑性彈性體 Thermoplastic elastomer

一、熱塑性彈性體（TPE）的定義

熱塑性彈性體（thermoplastic elastomer，簡稱：TPE）是指在常溫下具有硫化橡膠的性質（即彈性體的性質），在高溫下又可以塑化變形之高分子材料。它可以用塑膠的加工機器如注塑成型、擠出成型、吹塑成型、壓延成型、T-Die押出成型等, 較傳統硫化橡膠更為快速的加工方式製造成品，且有質輕（密度低）、環保（可回收、燃燒無毒）、使用壽命長（可較傳統橡膠達5~10倍以上）、加工變化度大、製品總成本低等優點。在各行業中，逐漸被廣泛使用。TPE有時候也被稱作熱塑性橡膠（Thermoplastic Rubber，TPR），但由其定義而言，應稱為TPE較適當。 TPE是彈性體，具有加硫橡膠的性質，但卻不需要加硫。此外TPE並具有許多介於橡膠與塑膠中間的特徵。

二、橡膠與塑膠的基本性質

TPE為同時具有橡膠（或彈性體）與塑膠之性質的材料，故以下先對橡膠、塑膠的基本性質做一簡介。包括橡膠（或彈性體）及塑膠的高分子材料，其代表性的物理性質，可由應力-應變的特性看出。鋼鐵是伸長率（應變）很小的材料，其應力-應變性質如1所示，是可恢復原狀的完全彈性體。而粘土則是完全的塑性體，為完全無法回復。至於高分子物質則兼具彈性體與塑性體的性質，為粘彈性體的行為，但橡膠（或彈性體）較塑膠更接近于完全彈性體。由於多數塑膠為粘彈性體，要具體描述熱塑性彈性體與一般塑膠的區別並不容易，較大的差異為熱塑性彈性體在常溫下具有高伸長率、高回彈率、低壓縮永久變形率、及低脆化溫度等特性。另一最大區別是分子結構的差異，由於TPE具有加硫橡膠的性質，表示TPE必定由橡膠成分（即軟質段，soft segment）與塑膠成分（即硬質段，hard segment）所構成，軟質段具有彈性，而硬質段則在常溫時發揮架橋點一般的作用，可防止塑性變形。但當溫度上升時，硬質段的塑膠成分會熔融，失去作為架橋點的作用，而成為可塑性變形，如同塑膠般加工時成型。

三、 TPE材料的種類：

TPE的種類很多。如上所述，TPE含有硬質段及軟質段，分類的方法通常是以影響最大的主鏈分子構造的差異來分幾大類，再以軟質段、硬質段之分子固定方式之不同細分。可形成軟質段的分子包括以下的橡膠：聚丁二烯（BR）、聚異戊二烯（IR）、天然橡膠（NR）、乙烯-丙烯橡膠（EPDM）、丁基橡膠（IIR）、聚異丁烯、聚乙烯-聚丁烯、非結晶性聚乙烯、聚醚、聚酯等。
另一方面，形成硬質段的分子可使用以下塑膠：聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、間規聚合1,2聚丁二烯、反式1,4聚異戊二系、聚氨酯、聚酯、聚醯胺等。
TPE的另一種分類法，為依巨觀構造的差異，分為純TPE及混摻TPE。純TPE是指一個分子鏈中，既有軟質段與硬質段的共價結合，在經聚合或縮聚合而成之高分子聚合物；混摻型TPE則是將作為軟質段的橡膠成分，
與作為硬質段的塑膠成分，二者混摻製成，以苯乙烯系及氯系TPE為主流，用途逐漸擴大。

1.TPU（熱塑性聚氨酯）
TPU主要由(1)短鏈二醇與異氰酸酯反應所得PU作硬質段，長鏈二醇與異氰酸酯反應所得PU作軟質段，二者構成直鏈狀多嵌段的共聚物即為TPU。TPU主要依其軟質段之聚醇分兩大系列：聚醚系及聚酯系，然後可內細分為PTMG、PEG（polyoxyethylene glycol）、PPG（polyoxypropylene glycol）、ADP（Adipic ester系）、PCL（caprolacton系）、PC（polycarbonate系）等，TPU中軟質段的差異，對物性所形成的影響如下：
抗拉強度 聚酯系 > 聚醚系
撕裂強度 聚酯系 > 聚醚系耐
磨耗性 聚酯系 > 聚醚系
耐藥品性 聚酯系 > 聚醚系
耐菌性 聚酯系 > 聚醚系
密度 ADP < PCL < PTMG
低溫特性 PTMG > PCL > ADP
反發揮性 PTMG > PCL > ADP
耐水解性 PC > PTMG > PCL > ADP
耐熱老化性 PC > PCL > ADP > PTMG
耐油性 ADP > PCL > PTMG
PU的硬質段所用的二異氰酸酯亦有許多種，但適於TPU的硬質段則很少。最重要的二異氰酸酯則為MDI與TDI。
TPU在性能及加工上有以下主要特點：
優點：
＊耐磨耗性為各類TPE中最大的
＊具高強度、高韌性、高透明的特性
＊抗疲勞性、耐寒性、耐油性佳
＊環保無毒可回收，可用於醫療器材
缺點：
☆耐熱性一般
☆耐候（紫外線）性不足（可添加紫外線安定補強）
☆成品殘留應力大、易粘模

2.TPO（聚烯系彈性體）
TPO的硬質段為PP或PE等聚烯，軟質為EPDM（三元乙丙膠）等橡膠，將兩者良好的混摻即得TPO。由於TPO與軟質或硬質聚烯的差異又是並不明顯，故難以下正確定義。但通常以橡膠成分20%以上，且彎曲彈性率690MPa以下之聚烯材料，可稱為TPO。TPO一般專指單純將聚烯與橡膠進行物理性混摻，使橡膠以微細粒子形態分散於聚烯基材中而成。此時所用之橡膠粒子可以是未加硫或已部分加硫的。若是使用已部分加硫的橡膠，TPO的性質會較好，但若加硫程度太高，則在聚烯中的分散變劣，使TPO性質降低，故橡膠的加硫程度要謹慎控制。若於混摻過程，同時使橡膠起加硫反應而製成之TPO，則稱為TPV（動態加硫型TPO）。另一類TPO，則于聚合反應器中，將硬質段部分與軟質段部分直接以共價鏈聚合而得，此類TPO以metallocene（茂金屬）觸媒聚合而成，另稱為M-POE，因不需混摻的成本且易控制聚合度及接枝率，因此在性能及價格上應較傳統TPO具競爭力。
TPO在性能及加工工藝上有以下主要特點：
優點：
＊比重最小、價格低
＊耐寒/熱型、耐酸/鹼性佳（僅次於TPEE）
＊耐候性、耐臭氧性、電氣絕緣性佳
＊加工性佳、易成型大型製品
缺點：
☆易受非極性溶劑，如汽油、芳香族溶劑侵蝕
☆抗拉強度低（可以填料補強）
☆壓縮永久變形度大
☆耐磨性及拉伸回彈性差

3.TPV （動態加硫聚烯彈性體）
TPV是用萬馬力機或塑練機等混合設備進行混合時，同時使橡膠加硫而製成的TPO，軟質段的加硫橡膠粒子，可微細的分散于硬質段的聚烯基材中。 TPV可依硬質段與軟質段之種類與組合之不同，而有許多種類規格，但最具代表性的則是PP-EPDM系，接著陸續有PP-NBR、PP-ACM、PP-NR、PP-IIR、PE-EPDM、PE-NR、PA-NBR、PA-ACM、PVC-NBR等系列TPV。 PP-EPDM系所用加硫劑為酚樹脂系，促進劑為二氯化錫，也就是樹脂架橋。形成直徑為數μm的架橋EPDM粒子（軟質段），分散於PP基材（硬質段）中。橡膠粒徑愈細，抗拉強度與斷裂伸長率即愈大；PP量愈大，硬度、彈性率、伸長率亦隨之增加。
TPV在性能及加工工藝上有以下主要特點：
優點：
＊壓縮永久變形量為TPE中最低
＊機械性質較TPO佳，且硬度較TPO低
＊耐油性、耐候性及耐熱性佳
＊環保、無毒、可回收、可用於醫療器材
缺點：
☆耐磨性較橡膠、TPU差
☆價格遠較TPO高
☆加工性一般，表面有時易有流痕
☆無透明性

4.TPS（聚苯乙烯系彈性體）
聚苯乙烯系彈性體可分為兩大類：聚苯乙烯及橡膠（丁二烯、異戊二烯、丁烯/乙烯、丁烯/丙烯）之嵌段共聚物，及以此為基材與聚烯烴、可塑劑（油）物理共混製成之共混物。聚苯乙烯系共聚物中，分子的硬質段為PS，軟質段為聚丁二烯或聚異戊二烯等聚二烯，代表性商品有SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）、SIS（苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物）及將之氫化後而成之SEBS（苯乙烯-乙烯、丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）與SEPS（苯乙烯-乙烯、丙烯-苯乙烯嵌段共聚物）。 TPS為世界上需求量最大之TPE，目前已超過60萬噸，主要因其應力--應變性質與加硫橡膠非常接近，且加工性優異，價格低廉，逐漸取代PVC及傳統橡膠在鞋材及其他領域的應用。 TPS的應用依其結構及物理性能而有區別，一般苯乙烯含量為：15-40%，性質會依苯乙烯含量，橡膠微相構造及組成、分子量、分子量分佈及是否接官能基等因素之不同，而有很大的變化。SBS及SIS因分子中具有雙鍵結合，易受氧、臭氧、紫外線之影響，SEBS及SEPS則無此顧慮，因此以SEBS/SEPS為基材之共混物，在工程材料上有許多應用，惟其耐油性不佳。
TPS在性能及加工工藝上有以下主要特點：
優點：
＊製成品的物性範圍廣，易加工
＊較其他TPE柔軟易拉伸，接近橡膠及矽膠觸感，硬度為TPE中最低
＊伸長率最高、回彈性最好
＊可充當許多工程塑料的相容劑及改性劑
＊環保、可回收、無毒、低價格（SBS系）
缺點：
☆SBS系列、耐熱、耐候性能差
☆成品耐汙性、耐磨性、耐油性皆差
☆拉伸強度較PVC差、無法以高頻波接著
☆低硬度成品有時易出油。
☆SEBS/SEPS系成品，不易印刷接著

5. TPEE（聚醚酯彈性體）
TPEE分子中的硬質段為聚酯，軟質段為Tg值低的聚醚或聚酯，為多嵌段共聚物。 TPEE依分子構造之不同可分為：
1) 聚酯、聚醚型：硬質段是芳香系結晶性聚酯，軟質段則是聚醚
2) 聚酯、聚酯型：硬質段是芳香系結晶性聚酯，軟質段則是脂肪族聚酯
3) 液晶型TPEE：硬質段是剛直的液晶分子，軟質段為脂肪族聚酯。
以上三種TPEE中，最常用且需求量最多的是聚酯、聚醚型TPEE，硬質段以PBT為代表，由丁二醇與酉夫酸二甲酯組成構成，軟質段聚醚則以PTMG為代表。因PBT具耐熱型，結晶速度大，而PTMG則具低玻璃移點Tg，故此種TPEE的成型性優，並有平衡的物性及高耐熱性。作為熱可塑彈性體，TPEE能發揮其機能的範圍為高硬度範圍。在低硬度範圍，因鏈長數目小（3以下），硬質段會溶解在軟質段中而存在中間層，因此微相分離不完全，也就無法具完全的彈性體機能，故TPEE之低硬度製品不易獲得。
TPEE在性能及加工技術上有以下主要特點：
優點：
＊耐熱性最高、耐荷重大、回彈性高
＊反覆疲勞特性優且性質強韌
＊低溫撓曲性較TPU更佳
＊耐油/耐藥品/耐化學溶劑性佳
缺點：
☆不易獲得低硬度製造
☆加工條件較窄，須較精密加工機器
☆價格昂貴

6. TPA（聚醯胺系彈性體）
TPA是以聚醯胺為硬質段，Tg值低的聚醚或聚酯為軟質段，所構成的多嵌段共聚物。聚醯胺的成分可為尼龍6、66、610、11、12等，但以尼龍6或12占重要部分。軟質段的成分為聚醚二醇或聚酯二醇的長鏈聚醇。影響TPA物性最大的，是硬質段、軟質段的比率與種類。隨著軟質段的增加，其伸長變長，應力則變小。 TPA在性能及加工工藝上有以下主要特點：
優點：
＊良好加工成型性（尺寸安定性佳）
＊具尼龍般強韌性質及耐磨耗性
＊耐熱性、耐油性佳
＊低溫耐衝擊性佳
缺點：
☆橡膠彈性不足
☆易沸水水解
☆價格昂貴
☆回收料易變色