熱可塑性エラストマー

熱 可塑性ゴムと呼ばれることもある熱可塑性エラストマー （ TPE ）は、熱可塑性とエラストマーの両方の特性を持つ材料で構成されるコポリマーのクラスまたはポリマーの物理的混合物（通常はプラスチックとゴム）です。ほとんどのエラストマーは熱硬化性ですが、熱可塑性プラスチックは対照的に、例えば射出成形による製造で比較的使いやすいです。熱可塑性エラストマーには、ゴム状材料とプラスチック材料の両方に特有の利点があります。熱可塑性エラストマーを使用する利点は、伸びを中程度まで伸ばし、元の形状に近い状態に戻り、他の材料よりも長寿命で物理的範囲が広いことです。熱硬化性エラストマーと熱可塑性エラストマーの主な違いは、その構造内の架橋結合の種類です。実際、架橋は高い弾性特性を与える重要な構造因子です。

IUPACの定義

熱可塑性エラストマー：熱可逆性ネットワークを構成するエラストマー。

タイプ

商用TPEには6つの一般的なクラスがあります（ISO 18064に基づく指定）。

スチレン系ブロック共重合体、TPS（TPE-s）
熱可塑性ポリオレフィンエラストマー、TPO（TPE-o）
熱可塑性加硫物、TPV（TPE-vまたはTPV）
熱可塑性ポリウレタン、TPU（TPU）
熱可塑性コポリエステル、TPC（TPE-E）
熱可塑性ポリアミド、TPA（TPE-A）
分類されていない熱可塑性エラストマー、TPZ

ブロック共重合体グループに由来するTPE材料の例は、とりわけCAWITON、THERMOLAST K、THERMOLAST M、Arnitel、Hytrel、Dryflex、Mediprene、Kraton、Pibiflex、Sofprene、およびLapreneです。これらのスチレン系ブロック共重合体（TPE-s）には、CAWITON、THERMOLAST K、THERMOLAST M、ソフプレン、ドライフレックス、およびラプレンがあります。デスモパンまたはエラストランは、熱可塑性ポリウレタン（TPU）の例です。サントプレン、テルモトン、ソルプレン、サーモラストV、ベガプレン、またはフォープレンはTPV材料の例です。熱可塑性オレフィンエラストマー（TPO）コンパウンドの例は、For-Tec EまたはEngageです。 3Dプリントに使用されるNinjaflex。

熱可塑性エラストマーとしての資格を得るには、材料に次の3つの重要な特性が必要です。

適度な伸びに引き伸ばされ、応力が除去されると元の形状に近いものに戻る能力
高温で溶融物として加工可能
重大なクリープがない

バックグラウンド

TPEが商業的現実となったのは、熱可塑性ポリウレタンポリマーが利用可能になった1950年代になってからでした。 1960年代にはスチレンブロック共重合体が利用可能になり、1970年代にはさまざまなTPEが登場しました。 TPEの世界的な使用量（1990年には680,000トン/年）は、毎年約9％増加しています。スチレン-ブタジエン材料は、ポリスチレンとポリブタジエンのブロック間の非互換性により、2相の微細構造を持ち、前者は正確な組成に応じて球体またはロッドに分離します。ポリスチレン含有量が低いため、材料はエラストマーであり、ポリブタジエンの特性が優勢です。一般に、最終的な構造の目標に合わせて組成が変化する可能性があるため、従来の架橋ゴムよりもはるかに幅広い特性を提供します。

ブロック共重合体は、右に示すスチレン-ブタジエン-スチレン（SBS）ブロック共重合体のように、「ミクロ相分離」して周期的なナノ構造を形成できるため、興味深いものです。このポリマーはクラトンとして知られており、靴底や接着剤に使用されています。微細構造のため、構造を調べるには透過型電子顕微鏡（TEM）が必要でした。ブタジエンマトリックスを四酸化オスミウムで染色して、画像にコントラストを付けました。この材料は、ブロックがほぼ単分散になるようにリビング重合によって作成されたため、非常に規則的な微細構造の作成に役立ちます。メイン画像のポリスチレンブロックの分子量は102,000です。挿入図の分子量は91,000で、わずかに小さなドメインが生成されます。ドメイン間の間隔は、微細構造に関する情報を提供する小角X線散乱によって確認されています。ほとんどのポリマーは互いに非相溶性であるため、ブロックポリマーの形成は通常相分離を引き起こし、SBSブロックポリマーの導入以来、特にブロックの1つが高度に結晶性である場合、原理は広く活用されてきました。不適合性の規則の1つの例外は、ポリスチレンとポリフェニレンオキサイドまたはPPOが互いに連続ブレンドを形成する材料Norylです。

他のTPEには、コポリエステルゴムなど、隣接する鎖で1種類のブロックが他のブロックと共結晶化する結晶ドメインがあり、SBSブロックポリマーと同じ効果が得られます。ブロックの長さに応じて、結晶融点が高いため、ドメインは一般的に後者よりも安定しています。そのポイントにより、材料の成形に必要な加工温度と、製品の最終的なサービス使用温度が決まります。そのような材料には、ポリエステル-ポリエーテル共重合体であるハイトレルと、ナイロンまたはポリアミド-ポリエーテル共重合体であるペバックスが含まれます。

長所

TPE材料は、プラスチックのように成形、押出、および再利用できるため、リサイクル可能性がありますが、熱硬化性のためにリサイクルできないゴムの典型的な弾性特性があります。また、リサイクルボットを使用して粉砕し、3D印刷フィラメントに変換することもできます。また、TPEは、強化剤、安定剤、または硬化システムを追加する必要なく、ほとんどまたはまったく配合する必要がありません。したがって、重み付けおよび計量コンポーネントのバッチごとの変動はなく、原材料と加工品の両方の一貫性が向上します。環境に応じて、TPEは、広範囲の温度と非極性材料にさらされたときに、優れた熱特性と材料安定性を持ちます。 TPEは製造に必要なエネルギーが少なく、ほとんどの染料で簡単に着色でき、経済的な品質管理が可能です。

処理

TPEを使用した2つの最も重要な製造方法は、押出成形と射出成形です。 TPEは現在、3Dプリントが可能であり、分散製造を使用して製品を製造するのに経済的に有利であることが示されています。圧縮成形はほとんど使用されていません。射出成形による製造は非常に迅速で非常に経済的です。通常、従来の熱可塑性プラスチックの押出成形または射出成形に使用される装置と方法の両方が、TPEに適しています。 TPEは、ブロー成形、溶融カレンダー、熱成形、および熱溶接によっても処理できます。

用途

TPEは、従来のエラストマーでは製品に必要な物理的性質の範囲を提供できない場合に使用されます。これらの材料は、自動車部門および家電部門で大きな用途があります。 2014年、TPEの世界市場は約1万台に達しました。 167億米ドル。すべてのTPE製品の約40％が車両の製造に使用されています。たとえば、コポリエステルTPEは、剛性と耐摩耗性が重視されるスノーモービルトラックで使用されます。熱可塑性オレフィン（TPO）は、屋根材としてますます使用されています。 TPEは、ナイロンブロックコポリマーが患者に理想的なさまざまな柔軟性を提供するカテーテルにも広く使用されています。熱可塑性シリコーンとオレフィンのブレンドは、ガラスランおよび動的ウェザーストリッピング車プロファイルの押出に使用されます。スチレンブロック共重合体は、加工がしやすいように靴底に使用され、接着剤として広く使用されています。さまざまな熱可塑性基材への2成分射出成形における比類のない能力により、設計されたTPS材料は、自動車市場から消費者および医療製品に至るまでの幅広い技術的用途もカバーしています。それらの例は、ソフトグリップサーフェス、設計要素、バックライト付きスイッチおよびサーフェス、シーリング、ガスケット、または減衰要素です。 TPEは、通常のゴム製ブッシングと比較して変形に対する抵抗力が大きいため、自動車性能用途のサスペンションブッシングの製造によく使用されます。熱可塑性樹脂は、プラスチック樹脂をさまざまなカバー、ファン、ハウジングに変更する機能、費用対効果、適応性により、暖房、換気、および空調（HVAC）業界で成長を遂げています。 TPEは医療機器でも使用される可能性があり、電気ケーブルジャケットおよび内部絶縁としての用途も増えています。また、sexbotや一部のヘッドフォンケーブルで使用されるTPEを見つけることもできます。