熱塑性彈性體 (TPE)

介紹

        從歷史來看，原本只要有彈性應用的物質就被稱為橡膠，而傳統橡膠一般是熱固性，所以定義不會有所混淆。但隨後，卻從塑膠領域藉由設計分子結構，發展出有彈性特質的材料，稱之為彈性體；或是橡膠領域透過與塑膠共混調整配方，讓材料具有熱塑性可運用於塑膠機台。但不管如何，結果是一樣的，市場得到了一些具有橡膠般彈性但可以使用塑膠加工設備的材料，稱作TPR（熱可塑性橡膠）或者是TPE（熱可塑性彈性體）。兩者不管在分子結構上，或是應用結果上，都是一樣的東西，早期發展時TPR名詞使用率較高，直到有廠商以TPR之名註冊商標，為避免法律上的爭議，國際廠商多轉而使用TPE；而國內則兩者皆通用。

       彈性體是一類擁有黏彈性的聚合物，通常其拉伸模量低且降伏點拉伸強度高。分子結構上，透過交聯反應產生架橋，或使分子鏈呈現軟質硬質段交叉分布可以得到。主要的原理是在分子層級中，架橋鍵結或者硬質段扮演了類似義大利麵中肉丸的角色，使得彈性體能在受到一定的應力之後回復原狀。相對的，一般的塑膠在受到應力之後則會產生永久變形。

       熱塑性彈性體傳統的六大分類：TPE-S與SBC（苯乙烯系）、TPO（聚烯烴系）、TPV（硫化膠）、TPU（聚胺酯系）、TPE-E（聚酯系）與TPE-A（聚醯胺系）各有特點。

使用環境：接觸物質與認證

在眾多的材料選項中，有許多選項可以使用刪去法直接剃除。若您有在環境接觸物質有關的顧慮與功能，可先以此考量，因為這些功能經常直接與材料的化學性質相連，同種材料的不同規格之間差異較少。要注意許多彈性體材料是一個配方，不是單一純料，考量食品與醫藥等相關認證時必須連同加工助劑等一起考慮。

彈性體許多需求是和耐油性、耐水性直接相關。常見的需求包括了：水、濕氣、酸、鹼、酒精、丙酮、食用油、汽油、柴油、去漬油、齒輪箱油、煤油、礦物油、苯、甲苯等

使用環境：溫度與壓力

接著，可以考慮產品使用環境可能遭遇的最高溫度。右圖僅提供該類別一般牌號參考範圍，但是特殊設計的材料可以超出限制；長期與短期能夠忍受的溫度也不一樣。此外可用溫度範圍內的物性不一定都一樣，例如在攝氏零度之上TPE-E的滯後性能較TPE-A稍好，但在零度以下TPE-A表現則好非常多。

標準熱性能：
TPV：低溫-60度，長期高溫100度，短期高溫135度，反覆短期135度
（攝氏135度下經過1000小時無變形無析出）
SEBS：低溫-60度，純料長期高溫100度，短期高溫135度。
（複配料攝氏100度下1小時；攝氏80度下8小時無變形無析出）

必須注意海運時貨櫃溫度可能達到70度，低熔點所製成品可能會受影響。

基材相容性

另外，不同彈性體與基材的相容性，會影響到製程：包射與共擠壓需要良好的相容性，否則容易剝離；不相容的材料若要進行貼合，會需要膠水進行改性。改性經常會用到接枝料，以增加極性的方式改善不同塑膠材料的相容性。各類彈性體的與其各自的塑膠表親最為相容。

• TPE-S 相容於PS、PE、PP；用於包射PC／PET或是PA的改性規格也非常常見。

• TPO相容於PP、PE。與玻纖或尼龍等極性料，需要額外添加接枝料。

• TPV依照其組成而定，最大宗的TPV為EPDM-PP基礎，其對PP、PE最為相容。

• TPU相容於PET、PA

• TPE-E與TPE-A都與PET、PA相容。

表面硬度與手感

在確認材料能適應使用環境後，在彈性體領域，由於比起一般材料要支撐、承受應力，更多是在物體（如手、人體或兩硬質材料的介面）直接碰觸之處，通常會考量應用所需要的表面軟硬度。

表面軟硬度在彈性體使用的範圍使用肖氏硬度，使用A、C、D與OO四種標尺，分別用於一般軟質、發泡材料、較硬質的材料與非常軟質的材料。由於肖氏硬度是壓入硬度的一種，會因為厚度受到影響，規範用於6mm厚度的材料，而小於1.5mm厚度基本上是無法測得準確數值的，但軟硬度仍然對於觸感有所影響。

目前熱塑性彈性體的彈性與軟硬度仍然不若橡膠性能。大部分的彈性體，要達到Shore A 55以下，必須要在配方中加入加工油，蠟質或是軟質的SEBS。在TPU、TPV、TPE-S，經常使用加工油的含量來調整軟硬度、克服彈性體黏度高，難以加工的問題，以及降低成本。但是加工油若加入太多，經常替產品帶來滲油、黏手、析出、無法順利包射等額外困擾。

隨著技術進步，軟硬範圍也漸漸不局限於圖內所示範圍，更軟質的TPU、TPV、TPO規格都有廠商開發出來，而軟質的SEBS則是種類最多；品質較好的規格會改用添加SEBS的方式，以避免加工油所產生的問題。

本公司產品就有經銷不含加工油就可達到35A的SEBS，以及65A的TPO。

手感方面。在同硬度下常見規格同厚度下比較，通常會認為TPE-S 較滑、具有黏性吸附，愈軟質吸附性愈明顯。純膠SEBS在低硬度下雖黏但離手時不黏手。加工油的比例高則黏手。TPO/TPV則是止滑、澀，TPV額外有橡膠回彈手感。但這些會受到添加劑影響，並非一定。

回彈性

彈性體，本身的回彈性也是重要考量。回彈性面向包括能夠回復原本形狀到多少程度，如拉伸歪（Tensile Set）與壓縮歪（Compression Set）；能量在材料回彈過程中損耗的程度，是否容易彈性疲乏，如動態耐磨或遲滯性能（Hysteresis）；還有回復原本形狀所需的時間、回彈的速度，稱作反彈（Rebound）。

常溫下，TPE-E與TPE-A都是最好的，SEBS、TPV與TPU表現類似；TPO在回彈性方面表現相對差－－TPO容易拉伸但不易回復。SEBS在回彈速度的表現上比TPV為快。

在高溫下，TPE-E與TPE-A都是最好的，其次是TPV與TPU；SEBS在高溫下較不適合，而TPV則較佳。在低於零下20度低溫下，只有TPE-A容易維持彈性。在不同溫度下同樣材料會有不一樣的回彈性表現，必須一並考量。

回彈性能的差距，是彈性體，尤其是TPE-E與TPE-A價格居高不下的主因。

除軟硬度外，由於彈性體經常處於表面，耐磨擦與耐刮擦性能也相對重要。這是TPU的長項；TPV、TPE-S與TPO的耐磨性較差。

價格

最後也是必要的，便是價格。彈性體材料的一般規格價位排列大致如下圖；但是，特殊規格通常可以跳脫此種排列。

彈性體分類

苯乙烯塊狀共聚物（TPE-S／SBC）

       SBC（Styrene Block Copolymer，苯乙烯嵌段共聚物）是透過SM硬質苯乙烯段與ER軟質橡膠段的排列獲得彈性性能。一般分為未氫化與氫化產品兩類，最常見即為SBS（未氫化）／SEBS（氫化）。       

       SBS的結構是兩端聚苯乙烯中內嵌較軟的順丁二烯長鏈所形成的共聚物。跟耐衝聚苯乙烯（HIPS）的差別是，SBS是聚合反應產物，是均一的材質；而HIPS是讓PS在BR之中聚合，如同浮島般的異相結構。SBS便宜，彈性佳，但容易變質劣化，常用於那些化學抗性和抗老化性較不重要的產品，如鞋類、黏合劑、瀝青改質和低規格的密封與把手。

        氫化SBS將得到SEBS，由原本SBS中一部份的二烯烴碳碳雙鍵所形成。SEBS較SBS其耐熱性、化學抗性、機械性質和耐候性有大幅度的改善。從而能作為各種彈性手把、彈性布使用。一般手工具業、鞋業常聽到的TPR，熱可塑性橡膠，即為以SBC為主料的橡膠配方，通常除SBC外，還含有TPO、白蠟油與各種添加劑成分。

熱塑性聚烯烴（TPE-O／TPO）

        TPO（Themoplastic Polyolefins，熱塑性聚烯烴），以聚烯烴為基礎的產品都能夠宣稱自己屬於此類，因此種類龐雜。除了合膠規格外，一般TPO指的是透過反應器聚合反應製造而成，有時也特稱iTPO。雖然統一規格已愈來愈普及，傳統客製化的機械混合TPO市場仍然存在。最常見的TPO，是以乙烯為基礎，稱為POE，硬質段為直鏈乙烯結晶段，軟質段為C4或C8共聚，有支鏈的軟質乙烯段。共聚物支鏈越長，主要影響是提升平均分子量以及發泡性，價格也較貴。

        也有以丙烯／丁烯為基礎的產品，通常此類iTPO，硬質段為聚丙烯／聚丁烯結晶段，軟質段為丙烯乙烯隨機共聚段。最有名即為ExxonMobil 的Vistamaxx。對於PP來說，相容性更高，對抗收縮與增韌效果最為明顯。

        TPO是很大的分類，佔據不同的市場定位，由接近PP到與SEBS同價都有；加工簡便，與PO類材料相容性大。但是其拉伸性能、彈性滯後性能等彈性體指標通常不如其他彈性體好。TPO的知名品牌，如ExxonMobil 的Exact/Vistamaxx、Dow的Affrinity/Engage/Infuse與Mitsui的Tafmer。

熱塑性硫化膠（TPE-V／TPV）     

        TPV（Themoplastic Vulcanizate，熱塑性硫化膠），係將橡膠與塑膠、架橋劑等特殊配方預先混合好好，在押出機內進行動態交聯，也就是讓橡膠分散相與周遭的塑膠母體進行完整的分散混合的同時，讓橡膠架橋。在造粒完成後產的的TPV膠粒，即可以用塑膠母體去帶動裡面分散並架橋完全的橡膠，達成用塑膠製程加工仍能擁有橡膠物性的目標。理論上可以選用不同的橡膠與塑膠作搭配，但有商用化的TPV產品，大多採用分散相是EPDM橡膠、母體為PP的組合。

        TPV能夠適應較大的溫度範圍，與其他熱塑性彈性體相比，在高溫如70-100度下，仍能保有壓縮後不易變形等，優良的回彈性。同PP加工、回收簡便、耐候。但是TPV不甚耐磨。TPV本色為不透明白色，帶有奶油黃底。主要應用但不限於以下：不透明包射產品、墊圈、押出壓條、密封條。只要是需要高溫的回彈性能，少於耐磨性，就是TPV所擅長的領域。

熱塑性聚胺酯（TPE-U／TPU）

        TPU（Themoplastic Polyurethane，熱塑性聚胺酯），為擁有熱塑性的PU。PU由二異氰酸酯類（Di-isocyanate）與多元醇類（Polyol）兩類化合物，混煉後在特定反應條件下聚合、交聯而成；組成的單體會影響TPU最終的材料性能。大致上所有TPU都表現出良好的耐磨性與抗刮性，經常作為各種人工皮、防滑表面。TPU在應用上較大的問題是愈濕氣容易水解，加工時要控制濕氣。
        TPU主要依多元醇的結構分為酯類（Ester）與醚類（Ether）。主流TPU是酯類為主，酯類TPU耐磨性好，但是有水解問題；醚類TPU強度較佳，較不易水解，但較不耐熱、光，價格也較貴。

        典型TPU的表面硬度在Shore A 80-95間，也有特殊牌號從30A到40D都有。

• 表現比較 Advantage of Performance

  • Tensile strength 拉伸性能：Ester＞Ether

  • Abrasion resistance 耐磨損性能：Ester＞Ether

  • Chemical resistance 耐化學性能：Ester＞Ether

  • Hydrolysis resistance 耐水解性能：Ether＞Ester

  • Yellowing resistance 耐黃變性能：Ether＞Ester

  • Weatherability 耐候性：Ester＞Ether

  • Heat resistance 耐熱性：Ester＞Ether

台灣TPU發展成熟，多家廠商均有專擅領域。

熱塑性共聚酯（TPE-E／COPE）

        擁有很好的化學抗性和高達攝氏140度的耐熱性，並且擁有很高的耐疲勞性和撕裂強度。這些特性使其應用在吹膜成型的靴子與風箱、電線電纜和工業軟管。應用限制主要是硬度與價格，85A到75D間。

        COPE最著名品牌為杜邦Hytrel。

熱塑性聚醚嵌段醯胺（TPE-A）

        提供良好的耐寒性和化學抗性，與聚醯胺PA結合良好。價格遠比以上都更加昂貴。應用於電纜護套、雪鞋大底和航太部件上。

        TPE-A最有名品牌為Arkerma的Pebax。

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