Термопластичные эластомеры: классификация¶

Термопластичные эластомеры (термоэластопласты, ТПЭ) — это класс полимерных материалов, которые сочетают свойства вулканизованных резин (эластичность, способность к большим обратимым деформациям) с технологичностью термопластов (способность многократно перерабатываться при нагреве без потери свойств). В отличие от классических эластомеров, молекулярная структура ТПЭ не образует необратимую пространственную сетку химических связей: их эластичность обеспечивается обратимыми физическими связями (кристаллическими доменами, стеклофазами или водородными связями), которые разрушаются при нагреве и восстанавливаются при охлаждении.

¶История

Первые коммерческие термопластичные эластомеры появились в конце 1950-х годов. В 1958 году компания B.F. Goodrich (США) выпустила полиуретановые ТПЭ под маркой Estane. В 1960-х годах компания Shell разработала стирольные блок-сополимеры (SBS, SIS), ставшие наиболее массовым типом ТПЭ. В 1970-х годах появились термопластичные полиолефиновые эластомеры (TPO) и термопластичные вулканизаты (TPV), созданные методом динамической вулканизации. В СССР разработки в этой области велись с 1960-х годов, однако промышленное производство было ограничено.

¶Структура и механизм эластичности

Молекулы ТПЭ состоят из двух типов сегментов: гибких (мягких) и жёстких (твёрдых). Мягкие сегменты обеспечивают высокую эластичность (низкую температуру стеклования), а жёсткие образуют физические «узлы» сетки, которые придают материалу прочность и термопластичность. При нагреве выше температуры плавления жёстких доменов материал течёт как вязкая жидкость, что позволяет перерабатывать его литьём под давлением или экструзией. При охлаждении домены восстанавливаются, и материал вновь приобретает резиноподобные свойства.

¶Классификация

Термопластичные эластомеры классифицируют по химическому составу жёстких и мягких блоков. Основные классы:

¶Стирольные блок-сополимеры (TPS, TPE-S)

Самый распространённый тип. Химическая формула — трёхблочные сополимеры типа А-Б-А, где А — полистирольные жёсткие блоки, Б — эластомерный блок (полибутадиен, полиизопрен, этилен-бутилен). Подразделяются на:

• SBS (стирол-бутадиен-стирол) — высокая прочность, но низкая термостойкость;
• SIS (стирол-изопрен-стирол) — повышенная клейкость;
• SEBS (стирол-этилен-бутилен-стирол) — гидрированные версии с высокой стойкостью к старению и УФ-излучению.

¶Термопластичные полиуретаны (TPU)

Состоят из диизоцианатов и полиолов. Отличаются высокой износостойкостью, стойкостью к маслам и разрыву. Применяются в обуви, кабельной изоляции, медицинских изделиях.

¶Термопластичные сложные полиэфиры (TPC, COPE)

Блок-сополимеры на основе полибутилентерефталата (жёсткая фаза) и полиэфирных или полиэфир-эфирных мягких сегментов. Обладают высокой термостойкостью (до 150 °C) и химической стойкостью.

¶Термопластичные полиамиды (TPA, PEBA)

Сополимеры полиамида (жёсткая фаза) и полиэфира или полиэфира-амида (мягкая фаза). Отличаются лёгкостью, высокой упругостью и стойкостью к усталости. Используются в спортивной обуви, медицинских катетерах.

¶Термопластичные полиолефиновые эластомеры (TPO)

Композиции на основе полипропилена и этилен-пропиленового каучука (EPDM/EPM). Получают простым смешением, без химической сшивки. Дешевле других ТПЭ, применяются в автопроме (бамперы, панели).

¶Термопластичные вулканизаты (TPV)

Подкласс TPO, получаемый динамической вулканизацией: каучук сшивается в процессе смешения с термопластом. В результате образуется мелкодисперсная фаза вулканизованного каучука в полипропиленовой матрице. TPV по свойствам максимально приближены к резинам, обладают высокой маслостойкостью и термостойкостью (до 135 °C). Типичный пример — EPDM/PP-вулканизаты.

¶Свойства

Общие свойства ТПЭ:

• Многократная перерабатываемость (до 10–20 циклов без значительной деградации);
• Широкий диапазон твёрдости (от 20 по Шору A до 75 по Шору D);
• Эластичность с относительным удлинением при разрыве от 200 до 800 %;
• Морозостойкость (рабочие температуры от −60 °C до +150 °C в зависимости от класса);
• Стойкость к маслам, топливам, атмосферным воздействиям (зависит от типа).

¶Применение

ТПЭ используются в отраслях, где требуется сочетание резиноподобной эластичности с низкой стоимостью переработки:

• Автомобилестроение: уплотнители, воздуховоды, чехлы рулевых колёс, детали подвески;
• Обувная промышленность: подошвы, стельки, амортизирующие вставки;
• Медицина: катетеры, шприцы, перчатки, клапаны;
• Электротехника: кабельная изоляция, вилки, разъёмы;
• Товары народного потребления: рукоятки инструментов, зубные щётки, игрушки, спортивный инвентарь;
• Строительство: кровельные мембраны, герметики, деформационные швы.

¶Преимущества и ограничения

Преимущества ТПЭ перед вулканизованными резинами: возможность литья и экструзии без стадии вулканизации, переработка отходов, более низкая плотность, окрашиваемость в массе. Ограничения: более низкая термостойкость (кроме TPC и TPA), склонность к ползучести под нагрузкой, выше остаточная деформация при сжатии, чем у резин.

¶Источники

• Лебедев В. П., Крыжановский В. К. «Практическое руководство по термопластичным эластомерам». СПб.: Профессия, 2020.
• Справочник «Полимерные материалы: свойства и применение» / под ред. В. М. Виноградова. М.: Химия, 2019.
• Rader C. P., Abdou-Sabet S. «Thermoplastic Elastomers». Munich: Hanser Publishers, 1996.
• ГОСТ Р 54548-2011 «Термоэластопласты. Термины и определения».