Термопластичный эластомер: свойства, виды и применение

Термопластичный эластомер (ТПЭ, ТЭП, TPE) — это современный полимерный материал, который сочетает эластичность и упругость резины со способностью термопластов размягчаться при нагревании и перерабатываться стандартными методами литья и экструзии. Благодаря этому ТПЭ не требует вулканизации, допускает многократную переработку и широко применяется в автомобильной, обувной, медицинской, строительной и других отраслях промышленности.

Что такое ТПЭ

Термопластичный эластомер (англ. thermoplastic elastomer) — полимер, сочетающий при комнатной температуре свойства резины, а при нагреве — вязкотекучесть пластика. В отличие от реактопластов, ТПЭ не требуют химической вулканизации: их молекулярная сшивка физическая и обратима.

Из чего состоит термопластичный эластомер

Структурно ТПЭ делятся на два типа:

• Блок-сополимеры — состоят из жестких термопластичных сегментов: полистирола, полиамида, полиэфира, отвечающих за прочность; и мягких эластомерных блоков: каучуков, полиизопрена, дающих гибкость.
• Композитные смеси (TPV, TPO) — механические смеси пластмасс и каучуков с добавлением модификаторов, стабилизаторов и красителей для регулирования твердости, УФ- и маслостойкости.

История

ТПЭ созданы как альтернатива резине. В 1950-х появились первые полиуретаны — TPU. В 1960-х компания Shell выпустила стирольные блок-сополимеры под маркой Kraton, что дало толчок индустрии. В 1972 году DuPont представила полиэфирные ТПЭ — Hytrel. 

К 1990 году мировое производство ТПЭ достигло 680 тыс. тонн в год благодаря возможности их вторичной переработки. 

Как производят термопластичные эластомеры

Существует два основных подхода к получению ТПЭ:

Синтез блок сополимеров в реакторе

Нефтехимические предприятия проводят сополимеризацию мономеров, получая блок сополимеры типа АВ или АВА, где:

• блоки А — жесткие термопластичные сегменты: полистирол, полиамид, полиэфир и другие;
• блоки В — мягкие эластомерные сегменты: полибутадиен, полиизопрен, полиэфир и прочие.

Смешивание (компаундирование) термопластов и каучуков

В экструдерах или смесителях смешивают:

• термопласт: полипропилен, полиамид, ПЭТ и прочие;
• каучук: EPDM, нитрильный, силиконовый и другие;
• добавки: масла пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, красители.

Основные свойства термопластичных эластомеров

Характеристики зависят от конкретного типа материала, рецептуры и добавок, но в целом для них свойственны следующие параметры:

• Эластичность — быстрое и полное восстановление формы после деформации.
• Прочность и износостойкость — высокая стойкость к разрыву и истиранию.
• Диапазон твердости — от мягких гелей до жестких пластиков (шкалы Шора A и D).
• Морозо- и теплостойкость — рабочий диапазон от –70 °C до +120…140 °C и выше у некоторых модификаций.
• Химическая и атмосферная стойкость — устойчивость к воде, щелочам, кислотам, озону, УФ излучению; маслостойкость зависит от типа.
• Возможность окрашивания — ТПЭ легко окрашиваются пигментами в массе на стадии производства, что позволяет получать изделия любого цвета.

Конкретные значения температурной стойкости, маслостойкости, твердости и других параметров сильно зависят от вида ТПЭ и уточняются по техническим данным конкретной марки.

Достоинства и ограничения ТПЭ

Преимущества

• Высокая технологичность и простая переработка.
• Возможность повторной переработки.
• Высокая эластичность.
• Широкий спектр характеристик.
• Легкость.
• Отличная эргономика и тактильные свойства.

Недостатки

• Ограниченная теплостойкость некоторых видов.
• Склонность к остаточной деформации.
• Критическая зависимость свойств от состава.
• Высокая стоимость сырья.

Какими бывают термопластичные эластомеры

TPS (TPE S) — стирольные блок сополимеры

Состав: блок сополимеры на основе стирола и бутадиена/изопрена.

Свойства: высокая эластичность, прозрачность у некоторых марок, хорошая морозостойкость до –70 °C, умеренная термостойкость, ограниченная маслостойкость, хорошая стойкость к щелочам и кислотам.

Применение: подошвы обуви, детские игрушки, уплотнители, рукоятки инструмента, бытовые изделия, адгезивы, модификация битума.

TPO (TPE O) — термопластичные полиолефины

Состав: смеси полипропилена и этиленпропиленового каучука без динамической вулканизации.

Свойства: хорошая химическая и атмосферостойкость, умеренная эластичность, твердость до 80 единиц по шкале Шора А, более низкая стоимость по сравнению с TPV.

Применение: автомобильные бамперы, приборные панели, элементы интерьера, наружные детали, строительные профили.

TPV (TPE V) — термопластичные вулканизаты

Состав: динамически вулканизированные смеси полипропилена и этиленпропиленового каучука или других каучуков.

Свойства: высокая эластичность, отличная маслостойкость и термостойкость до +135…150 °C и выше, низкая остаточная деформация при сжатии, хорошая атмосферостойкость.

Применение: уплотнители под капотом автомобиля, шланги, технические уплотнения, изделия, контактирующие с маслами и топливом.

TPU (TPE U) — термопластичные полиуретаны

Состав: блок-сополимеры, состоящие из жестких изоцианатных (уретановых) и мягких гибких сегментов простых или сложных полиэфиров.

Свойства: исключительная износостойкость и абразивная стойкость, высокая прочность на разрыв, хорошая маслостойкость, широкий диапазон твердости, умеренная гидролитическая стойкость зависит от типа полиола.

Применение: подошвы спортивной обуви, колеса для роликов и тележек, защитные пленки, кабельная изоляция, промышленные ремни, шланги высокого давления.

TPEE/TPC — термопластичные сополиэфиры

Состав: блок-сополимеры, состоящие из жестких блоков сложных полиэфиров, например, полибутилентерефталата — ПБТ, и мягких блоков простых полиэфиров.

Свойства: высокая термостойкость до +140…160 °C, отличная усталостная прочность, хорошая химическая стойкость, низкая остаточная деформация.

Применение: детали, работающие при повышенных температурах и циклических нагрузках: шланги, пружинящие элементы, автомобильные компоненты, технические изделия.

TPA/PEBA — термопластичные полиэфирблокамиды

Состав: блок-сополимеры, состоящие из жестких полиамидных блоков (нейлон) и мягких блоков простых полиэфиров.

Свойства: сочетание минимального веса, низкой плотности с высокой упругостью, отличная ударная вязкость, превосходное сохранение эластичности при экстремально низких температурах, высокая термо- и химстойкость.

Применение: кабельные оболочки, изделия для аэрокосмической и автомобильной отраслей, высокотемпературные уплотнения, спортивные товары.

Как перерабатывают термопластичные эластомеры

Литье под давлением

Гранулы нагревают до 150–250 °C в термопластавтомате, расплав под высоким давлением впрыскивается в охлаждаемую форму, где изделие застывает. Метод обеспечивает высокую производительность, точность размеров и возможность получения деталей сложной формы.

Экструзия

Расплав продавливается через формующую головку, формируя профиль постоянного сечения: шланги, листы, кабельную изоляцию, уплотнительные профили. Процесс непрерывный, хорошо автоматизируется.

Двухкомпонентное (2К) литье

ТПЭ отливают поверх или совместно с жестким пластиком, например, полипропиленом, АБС-пластиком, в одной форме. Позволяет создавать изделия с мягкими нескользящими рукоятками, уплотнительными кромками и декоративными элементами. Требует совместимости ТПЭ с основным пластиком.

Выдувное формование

Используется для получения полых изделий: бутылок, емкостей, резервуаров. Преформа из ТПЭ раздувается сжатым воздухом внутри формы, принимая ее очертания.

Для специфических задач применяют методы термоформования, ротационного формования и каландрирования.

Где применяются ТПЭ

• Автопром: коврики, бамперы, пыльники ШРУС, подкапотные шланги, уплотнители дверей.
• Строительство и кабели: оконные профили, кровельные мембраны, изоляция проводов.
• Обувь и спорт: амортизирующие подошвы, фитнес-ленты, нескользящие рукоятки инвентаря.
• Медицина и быт: шланги систем переливания крови, катетеры, корпуса зубных щеток, чехлы для цифровых устройств.
• Техника: прокладки, сальники и манжеты насосов (машиностроение).

Как выбрать термопластичный эластомер

При подборе конкретной марки ТПЭ учитывают комплекс требований к готовому изделию и условиям его эксплуатации:

• Твердость — по шкале Шора (A, D), в зависимости от требуемой жесткости/мягкости.
• Температура эксплуатации — минимальная и максимальная рабочие температуры. Для низких температур предпочтительны TPS и PEBA на основе стиролэтиленбутиленстирола (СЭБС), для высоких — TPV, TPEE, TPA, специальные TPU.
• Прочность и износостойкость — при высоких механических нагрузках часто выбирают TPU, TPEE, TPV.
• Контакт с маслами и химическими веществами — для масел и топлива подходят TPV, TPU, TPEE; для кислот и щелочей — многие TPS, TPO, TPA.
• Воздействие УФ и атмосферных факторов — для наружного применения важны марки с УФ стабилизаторами (TPV, TPO).
• Способ переработки — литье, экструзия, 2K литье. Важно соответствие текучести и термостабильности ТПЭ-оборудованию.
• Специфические требования и сертификация — контакт с пищей, кожей, необходимость стерилизации, требования к цветостойкости, запаху, миграции компонентов.

Чем ТПЭ отличается от резины, силикона и обычных пластмасс

Можно ли перерабатывать ТПЭ повторно

Возможность повторной переработки — одно из основных преимуществ термопластичных эластомеров.

• Отходы производства (брак, обрезки) измельчают и добавлены к первичному сырью или переработаны отдельно методами литья или экструзии.
• Многие марки ТПЭ выдерживают до 5–10 и более циклов переработки без критической потери механических свойств, особенно при правильном контроле температуры и времени пребывания в расплаве.
• Степень деградации и количество допустимых циклов зависят от типа ТПЭ, рецептуры, наличия стабилизаторов и условий переработки.

Это делает ТПЭ более экологичной альтернативой вулканизированной резине, которая после сшивания не подлежит переплавке.

Экспертное заключение от специалистов компании Полилаб

Термопластичные эластомеры представляют собой универсальную альтернативу резине и силикону, обеспечивают экономичную переработку, высокие эксплуатационные свойства и возможность вторичного использования. 

ТПЭ эффективно применяют в автопроме, обувной промышленности, медицине, пищевой отрасли и строительстве, а выбор конкретной марки зависит от условий эксплуатации, стойкости к химическим средам и физико-механических требований. 

Эксперты Полилаб рекомендуют проводить сравнительные испытания, так как при экстремально высоких температурах больше +150…200 °C или специфических статических нагрузках могут потребоваться специализированные резины.