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有机硅与TPE:如何做出正确的选择

来源:荣格     发布时间:2018-02-24
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有机硅和热塑性弹性体(TPE)是一种替代天然橡胶或合成橡胶的弹性材料。本文将帮助产品设计师和工程师在弹性应用上合理选择材料。有机硅和TPE的材料性能将得到说明。着重于注塑成型的加工方法将被介绍。每个材料系列的典型产品也将被给出,包括为什么选择有机硅或TPE的理由。

什么是有机硅?

有机硅是热固性材料,具有以硅氧键为基础,附着有硅原子的有机基团的化学结构

— Si—O—Si—O—

有机硅以多种可加工的形式出现,包括液态硅橡胶(注射成型液态硅橡胶LIM或液态硅橡胶LSR)、热固化橡胶(热硫化弹性体HCE 或热硫化橡胶HCR)和室温硫化型硅橡胶(RTV)。铂金硫化液态硅橡胶由于其加工方便,已成为美国国产模制成型机的首选原料。它用5加仑桶装(5x3.79升)或55加仑桶装(55x3.79升),不需要任何辊磨或混合。使用独立的计量泵将液态硅橡胶送入成型机,可最大限度地减少污染或减少非故意损耗率的机会进行传输。在某些情况下,由于可实现定制性能的配制,过氧化物硫化有机硅热固化橡胶仍然被使用。尤其是在汽车和电气应用领域。

一旦有机硅材料成型,它就形成一个永久性的形状,它不能被分解成可重复使用的形式而再次成型,因此称为热固性。这一特性以及其相对较高的材料成本,使加工时首先将事情做对显得特别重要。固化后的有机硅废弃物由于缺乏经济可行的用途而普遍被当作废渣埋填。

什么是TPE?

TPE代表热塑性弹性体,也称为热塑性橡胶。TPE是一类聚合物混合的共聚物;最常见的是塑料和橡胶。这些共聚物允许TPE具有理想的物理和外观特性的组合。TPE的常见类型是TPO、TPV、SBC、TPU、COPE和COPA。

在性能方面,TPE有三个特点:

★ 当压力被消除时,能适度延伸,恢复到相同的形状;

★ 在高温下熔化时可被加工成型;

★ 不会显著蠕变。

TPE提供的优势是它们可以反复融化加工。无论多少次,TPE被加热到足够热,它们将变软,而当冷却时又会再次变硬。

TPE以颗粒形式被包装在袋子或盖洛德纸箱中,通过料斗送入注塑成型机。TPE颗粒通常感觉柔软,比刚性热塑性树脂更有弹性。

有机硅性能总览

在身体接触的应用领域,有机硅是一种非常受欢迎的材料,它的低过敏性尤为重要。许多保健产品曾经用乳胶或天然橡胶制成,现已被有机硅所取代。

硅树脂在非常宽广的温度范围下可提供材料稳定性。它可以在177~204℃中连续使用,在物理或外观属性上的变化极小。它在低温下仍保持弹性和柔韧,通常可低至﹣73℃。

硅树脂对油、溶剂和其它化学物质的优异耐化学性,使它成为汽车应用中非常受欢迎的选择。在化学相容性图表中,有机硅对各种物质的耐化学性可以随时在线获得。有机硅还具有天然的抗紫外线,在长期耐候性上是重要的应用方面,它成为一个好的选择。

有机硅具有抗永久变形的能力,当反复拉伸时,它都会重新回到原来的形状。这种恢复形状的能力对应于压缩形变的物理属性。相对于其它弹性材料,有机硅通常具有低的压缩形变值。

有机硅也是一种极好的减震材料,使其成为音响产品的一个不错的选择。这是一个很好的电气绝缘体,它是电线电缆应用中的一个常见选择。但如果需要,金属添加剂可用于制造导电有机硅。

TPE性能总览

TPE是软橡胶材料,具有弹性的属性。在室温下,它们是结实、柔韧的材料。TPE在高温或低温下不保持室温的特性。推荐的连续使用温度范围,可根据它们的共聚物组成不同而不同,这在产品设计时就应予以考虑。TPE具有适度的抗紫外线,但在户外应用中,最好考虑添加紫外线稳定剂,这往往是被复合到颜料中。TPE可在室温下配制,以提供良好的耐化学性。随着温度升高,TPE通常表现出没有良好的耐化学性。在室温下TPE提供良好的压缩形变,但在高温或低温下则不然。

图1、TPE与有机硅的价格比较

图1、TPE与有机硅的价格比较

有机硅与TPE对比

简而言之,有机硅和TPE在室温下通常具有非常相似的性能。事实上,从外观角度来看,很难区分产品是由有机硅还是TPE制成的。职业诀窍是将疑问材料与明火直接接触几分钟。TPE将开始变形,可能融化,而有机硅将保持形状不受影响。

TPE和有机硅的另一个关键区别是TPE的回收再利用能力。有机硅,基于其热固性特性,不能被融化和再加工成型。

TPE和有机硅都是软弹性体。由于TPE是共聚物,更广泛的表面特征和性质是可以实现的。例如,所有的有机硅都表现出表面粘性,并倾向于吸引污垢和棉绒。一些TPE,如TPU可以被配制成非粘性并可排斥污垢和棉绒。此外,TPE一般具有比有机硅更好的耐磨性。

硅树脂的硬度范围通常是3~80硬度A。不经后烘干的有机硅硬度是很难达到大于70硬度A的。有机硅最常见的硬度是50硬度A。在50硬度A,有机硅通常具有最佳的拉伸和撕裂强度性能的组合。30硬度A的有机硅可实现最好的密封性能。更高的硬度材料是通过聚合物交联或填料添加,或两者兼而有之。低于10硬度A这种非常低硬度的有机硅通常被称为凝胶。这些材料是被轻度交联,通常其测量和报告的硬度标示为00硬度刻度。

TPE通常跨越20~95硬度A的一个范围,TPE最常见的硬度是70硬度A,比常见的50硬度A的有机硅略高。TPE还以凝胶的形式出现在标示为硬度00刻度上,但它们会有表面渗出的不良表现,通常是矿物油渗出。有机硅凝胶也会渗出,但并不明显。当然,任何模制成型的TPE或有机硅凝胶被搁置在一张白纸上一整夜,并向成型件加压一点重量,在纸上将会留下有微量油。相比有机硅,没有后烘干的TPE更容易实现在70~90硬度A范围的高硬度。早期的TPE通常在50~90硬度A范围,并且随着时间的推移,当应用需要更低的硬度材料时,这些等级TPE已被开发并且应用到了商业产品上。

在每磅的成本中,硅树脂的价格比TPE高得多。随着时间的推移,越来越多的有机硅供应将这种专门化的材料变成了更多的商品,使得它在较大的部件和室温弹性应用中成为一种负担得起的选择(图1)。有机硅提供了无异味和低过敏性的优势,使其成为身体接触和食物使用以及一些高端消费品的选择材料。对于不需要有机硅的明显好处的应用来说,TPE仍然稍微便宜一些。

通常,有机硅与TPE之间材料选择的驱动因素已成为市场的可接受性和加工优势。

TPE注塑成型

TPE是使用与刚性热塑性塑料相同的设备来注塑成型(图2)。

图2、TPE使用与刚性热塑性塑料相同设备进行注射成型

TPE提供颗粒状,并通过料斗添加到注塑机。着色剂要么由材料供应商复合,要么在机器上自动或手动混合。通常,供应商只有在经济上有利可图,需要量足够大时,例如超过1万磅(4536公斤)才会进行着色剂和其它添加剂的复合加工。TPE用一个热桶传送,并且在21~49℃之间的室温范围被注射进模具中。这些材料在通常为低于703公斤力/平方厘米(1万psi)的低注射压力下成型。

TPE像大多数热塑性塑料,它们硫化时收缩,这导致凹陷。凹陷更是厚截面零件的一个问题,成为零件厚度的一个关键的设计参数。TPE的弹性体属性使它常常可以在不带机械滑块的情况下,拉出模中带咬边的零件。较低的硬度等级通常有较高的伸长率,因此有利于带咬边的零件脱模。

TPE是可回收的。它们可以多次反复模制。

有机硅注塑成型

有机硅需要定制的射出成型设备进行加工。大多数硅橡胶胶射出成型机开始只是热塑性机器,由机器制造商发货给模制者之前转换为有机硅加工机。为了模制有机硅,需要一个冷冻桶与一个加热桶。有机硅是以桶或鼓包装供应(具等量A和B组分的成套包装)。催化剂通常在A中,交联剂则在B中。液态硅橡胶具蜜状稠度,并使用1:1比例的高精度计量泵送入桶中。A+B组份优先沿着冷冻桶并注射到模具中,在一个静态混合器中混合。液体着色剂作为第三组优先添加到静态混合器中(图3)。

图3、有机硅注射成型系统

对定制的有机硅射出成型设备的需求,造成延长了机器交货期和增加了成本。通常,有机硅加工设备有20~30% 的附加费。

如前所述,有机硅在传输过程中通过包装桶保持冷却,并注入热模(132~232℃)。如同TPE,有机硅在低注射压力下模制,通常是低于703公斤力/平方厘米(1万psi)。与TPE相比,有机很容易出现0.005毫米(0.0002英寸)的毛边,使其模具设计更复杂,更昂贵。有机硅模具制造商必须能够使模具拥有严格的公差和真空排气。同样重要的是,有机硅模具需要均匀加热。

有机硅比大多数TPE收缩更大,其收缩平均值约2.3%,而TPE仅0.5~1.5%。有机硅最初扩散在模具,这可能会导致一种称为背磨的情况出现,造成在模缝线上有一个凹凸不平过量填充的外观。在室温下使用的混合液体硅橡胶仅具1~3天的存放期,这使得及时清洗不运行的机器变得至关重要。清洗方法因物料供应商而异。通过在冷却条件下保存混合材料,可延长存放期。存放时间随供应商和他们使用的有机硅化学材料的不同而有所变化。

带咬边的有机硅零件通常可以从模具中拉出,而无需机械滑块,特别是当零件在硬度范围较低端时(﹤50硬度A)。需要强调的是,有机硅是一种热固性材料,一旦成型,它就不能再加工。

TPE与有机硅二次成型

如今,由两个弹性材料,或弹性体和刚性塑料组成的产品已非常普遍,这两种材料通过共模或二次成型结合在一起。二次成型允许产品设计师结合最好的两种不同的材料,并实现同一零件具有硬度、颜色、刚性等的变化。

概括来说,相比有机硅,TPE在二次成型中更容易操作。TPE容易与许多常见塑料包括PC、PP和ABS粘合在一起。硅树脂除了易于与不同的有机硅粘合外,它与其它材料的粘合有点麻烦。二次成型时,通过在两个组份之间采用预设机械凹槽,可以最可靠地实现将有机硅粘合到塑料基体上。

有机硅二次成型,如果加工过程之间有一个延迟,首次注射通常必须预热。共混机和工艺的优点是在一个连续的加工过程中,在一台机器上即可全部完成。缺点是,机器和模具是相当昂贵,使得小件产品在另外的机器中注射成型更为实际。TPE二次成型不需要预热基板。

固化有机硅所需的高模温通常会使其与首次成型的低变形/低熔化温度的塑料基体不相容。基于此原因,为有机硅二次成型加工选择刚性热塑性塑料相当受限。可接受的基体材料包括 聚碳酸酯和共聚物(包括三苯甲烷共聚酯和聚砜)。

总结:在TPE和有机硅之间如何选择

鉴于符合美国食品药品监督管理局(FDA)标准和美国药典(USP)第六级标准的TPE和有机硅的价格已经变得非常相近,决定使用哪种材料系列并不是经济上的原因。

在许多情况下,市场接受是一个很大的因素。有机硅仍然是医疗保健和消费者身体接触应用的高标准材料。在某些情况下,选择是由材料属性所定。显然,在高温应用,如频繁高温使用的烘烤和工业洗碗机,有机硅是最好的选择。使用TPE或有机硅的决定还必须考虑其加工优势。在二次成型的情况下,当基板是塑料,可方便加工的TPE通常是一个更好的选择(表 1)。

相比有机硅,有更多可加工TPE的模具,而且TPE可以用标准的塑料注塑成型设备模制。不过,事实上,TPE成型乃是一种专业性强的塑料成型,需要一些额外的专业知识。此外,有机硅模具必须是选择能确保对这些材料加工有经验的模具制造商来提供。

重要的是,作为一名消费者,你可能无法辨别一个产品是由有机硅或TPE制成的,虽然它们在性能和加工特性上有明显的差异。


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