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用于消费类电子产品的热塑性弹性体化合物

来源:荣格     发布时间:2017-02-27
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随着应用于电子设备功能部件的软质热塑性弹性体(TPE)材料需求的不断增加,众多厂家已为此类应用推出其独特的纯TPE和化合物产品。因为这种材料需接触诸如护肤油、防晒霜、护手霜等用于人体的化学品,因而强制性要求这种材料对护肤类化学品具有良好抗性。

用于这类应用的材料的要求是硬度范围在50到80硬度A,具柔滑的表面,能耐受上文所述化学品,对诸如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和透明尼龙(PA12)等热塑性工程塑料的附着力强,色牢度强,耐磨性好,并在使用标准注塑成型机时操作简便。由于电子设备都长期暴露在阳光下,强制性要求具良好抗紫外线性能。此外,还要满足针对消费类电子产品的ISO 10993-10(非皮肤刺激性证书)的要求。

众所周知,基于苯乙烯嵌段共聚物(SBC)和TPE-S类的常规TPE化合物,由于对护肤类产品抵抗力差,并不能满足这种要求。而纯工程热塑性弹性体,如热塑性聚氨酯弹性体(TPU),热塑性共聚酯弹性体(TPC),既不具备足够柔软特性,也不具备良好的抗紫外线性能。在低硬度范围内的液体硅橡胶(LSR)可提供很好的力学性能,且具优异的耐化学性。然而,由于与传统的注射成型加工相比,其成型周期时间过长,LSR 并不是良好的产品。预交联硅树脂分散在TPU中的合金可能是一种选择,但其性能与其它替代品相比相对较差。

为了满足市场需求,凯柏胶宝(Kraiburg)TPE推出了一种新型合金材料称为 Copec,是一系列按配方制造的工程合金材料,可适合各种二次成型加工应用,尤其是可满足消费类电子产品的要求。Copec结合了TPE-S化合物的易加工性和纯工程热塑性弹性体TPUs或TPCs耐化学品性能的优势。报道称Copec的力学性能优于TPE-S,并与硅胶-TPU合金以及纯TPU相媲美。而且,Copec的耐磨性优于TPE-S,与硅胶-TPU合金相近,但略差于纯TPU。它也表明Copec具有对各种极性基材具极佳的粘性,且抗紫外线性能优于硅胶-TPU合金和高性能TPU。本研究报告了可应用于消费电子市场的新型TPE材料。

实验

这项研究所用的材料使用双螺杆挤出机制造,其螺杆直径为50毫米并设定与特定产品相称的长径比率L/D)。螺杆转速是1/600分钟。化合物熔化温度保持低于240℃。

成型试样材料预先在80℃烘干至少两个小时。采用配有一个直径为40毫米、长径比率L/D为20的标准聚烯烃纤维螺杆的注塑机来制备两块试样(125×125×2毫米和70×70×6毫米)。工作条件为机筒温度200℃,模具温度35℃。注射速率38mm3/ 秒。

图 1、VDI 2019试样-硬树脂显示为白色,TPE显示为黑色

图 1、VDI 2019试样-硬树脂显示为白色,TPE显示为黑色

对于粘附性试验样品,使用双射成型机制造。150×60×2毫米硬基材(硬段)被首先注入,随后将160×20×2毫米条状TPE二次成型到硬段上(如图1所示)。TPE的注塑使用螺杆直径为40毫米和长径比率L/D为20。料筒和热流道温度为 200℃;模具温度为60℃。使用的注射速率为40 cm3/秒。硬度根据ISO 7619方法对三个2毫米样品块叠加进行测量。根据ASTM D792标准测量密度。根据DIN 53504测量力学性能。而耐磨性能则依ISO 4649方法测定,在一个40厘米带研磨纸(粒度大小60)的长圆鼓并在恒定的接触力(10N)下旋转,转速恒定在0.32 m/s,最后以TPE的重量损失来描述其耐磨性。

通过使用VDI 2019方法,将TPE剥离硬基体进行剥离试验以测定其粘着力。测量时,从硬基体分离TPE的力必需超过160毫米的撕裂长度。

为测试耐化学腐蚀性,材料被浸于人造皮肤油脂,牛羊脂中14天。按ISO 1817 的规定对样品曝露前后进行样品的体积、拉伸强度和断裂伸长率测定。

抗紫外线性能采用Atlas Ci4000型老化试验机进行测试,按照ASTM D4459-06规定,使用以下参数:在55℃和55%的相对湿度下,采用波长为420 nm和强度为0.8/m2的光对热塑性材料照射300小时。根据DIN EN ISO 11664-4使用Gretag  Macbeth CE 7000A颜色测量仪在样品暴露前后进行测量样品颜色。

对于抗划性,采用Ericsson 430划痕测试仪测定,在模制成型的试样块上进行格子图型划刮。Ericsson 430划痕仪是评价聚合物表面的通用设备,并已用于汽车工业中。测试端是一个直径为1毫米的球型,以10N负载划刮表面。划格图型为20×20,其格距为2毫米,刮痕可通过视觉直观地评价。

结果与讨论

表1中给出了新材料KDP09和KDP27)的物理和力学性能,并将其与各种其它材料相比较。相较其它材料,这些材料显示出显著较高的拉伸强度,但低于纯TPU。此外,新材料的耐磨性测试的重量损失也较其它材料低(除了纯TPU以外)。但软质的纯TPU显示出高粘性以及在注塑成型过程中的快速热降解和最终成品部件的紫外稳定性差等弊端。

至于对极性材料的粘性,也就是工程热塑性塑料的附着力问题,新材料的剥离强度比其它材料高得多,与Copec一样高。通过2 K二次成型加工,发现新材料可与聚酰胺紧密贴合(尤其是对PA12)。这种新材料KDP27的剥离曲线如图2所示。

图 2、剥离试验曲线

图 2、剥离试验曲线

新材料对牛羊脂的耐受性略差于Copec,但比TPE-s好得多。新材料分别与Copec和TPE-S对照,在牛羊脂中浸泡后的体积、重量和拉伸性能变化如图3和图4所示。

图 3、牛羊脂中浸泡后体积的变化

图 3、牛羊脂中浸泡后体积的变化

对于消费电子产品应用,附加性要求是暴露在阳光下的色牢度。如表1所示,发现暴光300小时后,Copec的UV稳定性△E低于1.5,而新材料比Copec高。纯TPU和硅胶-TPU合金则表现出更高的△E。

图 4、浸泡后的力学性能

图 4、浸泡后的力学性能

对于消费电子产品应用,模制品表面的耐久性对产品的使用寿命至关重要。因此,抗划性往往是必需的。为了模拟抗划性能,采用在汽车工业中使用的Ericsson划痕仪来测定。图5显示在模制成型的试样块上进行格子图型划刮测试情形。可观察到这种新材料不会产生任何划刮图形,而硅树脂合金则表现出明显的划格图形,这表明新材料的表面比对照试验材料具更高的抗划性。

图 5、抗划性- Ericsson划痕仪格子图型测试

图 5、抗划性- Ericsson划痕仪格子图型测试

结论

以往的研究表明Copec可以填补TPU和TPE-S在硬度、耐磨性、耐化学药品性和附着力性能的不足。本研究发现,这里所介绍的新产品可增强拉伸性能和耐磨性能;好的耐受牛羊脂和抗紫外线性能;出色的抗划性(基于Ericsson格子图型划刮测试);以及与PC、ABS、ASA、SAN、PA12、PA6和聚甲基丙烯酸甲酯良好的粘接性。基于这些特性,可以得出结论,连同Copec,本研究中采用的新材料均可以应用于消费电子设备。

表1、材料性能

表1、材料性能


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