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高性能SEBS发泡材料的特性与应用

SEBS发泡材料的特性
SBS是一种优异的苯乙烯系热可塑性弹性体,不必经硫化即具有类似硫化橡胶的物理性质,可直接注射成型,并且能百分之一百回收利用,已被广泛地应用于各领域,目前最大的应用以鞋材为主。但SBS主链上含有大量的脂肪族双键,对天候、紫外线、臭氧和热的抵抗性不佳,容易劣化,使其应用范围仍受到许多的限制。因此,第二代苯乙烯系热可塑性弹性体SEBS于1972年应运而生。 

SEBS是利用氢化方式将脂肪族双键饱和化,以期扩大产品应用范围。饱和型热可塑性弹性体SEBS由于软质段为饱和型的烯系结构,耐候性、耐热老化性比SBS更佳,且物性亦较SBS更为强韧,故应用范围更为广泛。

SEBS热塑性弹性体是介于橡胶与树脂之间的一种新型高分子材料,不仅可以取代部分橡胶,还能使塑料得到良好的改性。SEBS具有与传统橡胶相同的弹性、回复性、强韧性与耐候性,及热塑性塑料一样容易加工成型的特性且可以再回收使用等优点。而且它与其它的塑料原料具有极佳的兼容性,且由于SEBS可藉由添加扩展油来调整材料软硬度,故可制得硬度范围广泛的发泡制品,发泡成品硬度范围可为5C-60C,比重极低,在0.08-0.3之间。SEBS因具有热可塑的特性,故发泡后的成型品亦可再进行二次定型以制得形状复杂的成品,且发泡成品可再回收利用。

表1 SEBS发泡与其它软质发泡材料的特性比较


SEBS发泡材料具有下列主要特性: 压缩变形、止滑的特性优于EVA发泡板,其物理特性与传统的CR、EPDM、SBR相近,具有制程简单、无橡胶异味、易调色等优点。 因脂肪族双键已饱和化,具有耐天候、紫外线、氧、臭氧和热的优点。  可使用于加入各种橡胶/塑料之混炼品混合,或者用于各种热可塑性橡/塑料中作为耐冲击、止滑、耐磨、抗压缩、耐寒之改质材料。 具有类似CR、SBR或PU发泡材的柔软触感,但制程更加简易且不具异味或吐霜之困扰。 与其它高发泡、低比重的柔软发泡材相比,具有较佳的物性与尺寸安定性。  拉伸回复性与伸长率优异。 其它特性包括:可塑性佳;高强韧度;触感佳;高耐压缩性;高柔软性;耐候性佳;产品雾面佳;高止滑性和耐低温性等。

SEBS发泡材料的发泡/架桥系统

发泡与架桥的关系 对SEBS发泡材料而言,其发泡系统与一般EVA发泡系统相同,就是以过氧化物架桥,再以化学发泡剂发泡,形成独立泡体的发泡材料。如图1所示,架桥的进行与发泡剂分解在时间上的配合是最重要的。每种橡塑材料在热熔融后的粘度可加工范围不同;在发泡理论中,当气泡扩张膨胀速度愈快,则稳定时间愈短,此时橡塑材料的热熔融粘度的控制极为重要,过高则无法发泡,过低则气体会自塑料溢出。

SEBS发泡材料在模外发泡时,架桥度与胶体熔融粘度呈线性关系,若发泡比加硫(架桥)早太多,制品表面会因有气体排出而易产生连续气泡甚至造成发泡制品破裂。若加硫比发泡太早发生,则会因胶体架桥粘度上升,使发泡不易进行,呈现发泡不足的状况。故对SEBS发泡而言,发泡速率与架桥速率的搭配极为重要,建议最好能呈现先架桥后发泡的状态,但架桥与发泡时间不可差距过大,如此所得的发泡成品性能最佳。

 

典型发泡材料的架桥曲线

发泡剂

一般橡塑料的发泡成型法大致可分为:

机械发泡法:机械发泡法是借助于机台的强烈搅拌,使气体均匀地混入橡塑料熔体中形成气泡,此过程产生的气泡容易消失,因此采用机械发泡时需加气泡稳定剂。

物理发泡法:借助于发泡剂在树脂中物理状态的改变,形成大量的气泡。一般物理发泡剂可分为三类:惰性气体系、低沸点液体系和固态空心球等,目前一般使用较多的是低沸点液体系物理发泡剂。

化学发泡法:化学发泡剂受热发生化学变化,从而分解并产生气体,促使橡塑料聚合物发泡。代表性的化学发泡剂有偶氮化合物(ADCA、AZDN)、亚硝基化合物(Nitriso)、无机系化合物(碳酸氢钠、碳酸钠)与联胺类(OBSH、TSH、BSH)等,发泡剂可单独或搭配使用。 选用化学发泡剂时,应注意其适用于非结晶聚合物,发泡剂的分解温度应比聚合物的流动温度高出10℃左右。如果分解温度高出聚合物太多,则可用活化剂(氧化锌、尿素等)来降低发泡剂之分解温度。对结晶型聚合物,发泡剂的分解温度应比交联剂的活化温度高出10℃左右。分解温度和发气量是选用化学发泡剂的主要依据。 SEBS发泡材料建议使用高温型偶氮化合物化学发泡剂-偶氮二甲酰胺(Azodicarbonamide-ADCA)为主,其为浅橙色粉末,分解温度190℃~210℃,发气量220ml/g,可藉发泡助剂(ZnO、尿素等)将发泡反应温度调整到150~200℃之间,分解的残留物无毒、无污染,经FDA 认可,为最广泛使用之发泡剂。料温超过 220℃时,NH3急剧释放。

架桥剂

SEBS发泡材料受热熔融时,胶体的粘度急速下降,在发泡过程中,为了保持住气体,胶体必须具有一定的粘弹性,因此必须添加架桥剂。SEBS发泡材料建议采用的架桥方式为过氧化物架桥。过氧化物架桥所使用的架桥剂以DCP(Dicumyl peroxide)为最常见,且因过氧化物架桥是形成C–C结合,所以不要求橡胶分子必须具有双键结构,故可适用多种橡胶。不过由于SEBS是属于类橡胶的材质,且属于饱和结构,因此其在架桥时,会较一般EVA困难,所以SEBS发泡材料所添加的架桥剂或架桥助剂量会较一般EVA发泡材料略多。

SEBS发泡材料的加工

传统发泡加工的方式多为模压成型(平板发泡),由于过程较为烦琐,现阶段已发展为注射发泡成型。虽然注射发泡成型技术层次较高,但从经济效益(约可节省45%的效率)、模具设计等角度来考量,将大幅降低制造成本、产品设计更多样及功能化,因此在业界已大量取代传统模压发泡成型技术。

除此之外,SEBS发泡材料与各种橡胶、塑料兼容性极高,可依配方基材的不同,调配出不同特性及功能的产品,这也是现有发泡材料所欠缺的主要优势之一。

SEBS发泡材料的应用

休闲及运动鞋底

这两年EVA发泡鞋底材料,已逐渐成为休闲运动鞋材的主流,其良好的柔韧性、弹性,优异的耐化学品和着色性能、较轻的重量,迅速被广大运动鞋底生产厂商所接受,成为运动鞋材的代名词。特别是在结合TPR复合大底被研制出来后,更是将橡胶优异的耐磨性和EVA的低比重特性完美地结合起来。

前几年,运动鞋清一色的TPR橡胶大底虽然给穿用者提供了绝佳的防滑及耐磨性能,但其颜色的单调和相对较重的重量是设计人员一直无法突破的缺点。

EVA发泡材料的领域中虽然有许多应用制品,但是因受限于EVA塑性材料本身在柔软性、耐压缩性、止滑性、弹性与材料拉伸性等方面的特性较差,所以皆会使用弹性体来当改质剂。经过SEBS发泡材料改性后的EVA具有更佳的动态粘弹性质(符合人体工学的测试要求)。

目前许多EVA发泡厂皆有使用弹性体(如Dupont公司的EPDM及Engage等)作为改质材料,其硬度较高。SEBS发泡材料与EVA兼容性佳,且与此类改质材料比较,具有更佳的软硬度范围、柔软触感及更低的抗压缩歪等等。由于SEBS发泡材料具有柔软与柔和质感之优势,目前已有许多国际知名运动鞋品牌指定使用SEBS发泡材料。

表2 SEBS发泡材料的主要应用


运动休闲用品

发泡材料在休闲运动品的应用包含有:韵律舞运动垫、浮板浮床、救生衣、潜水衣、护肩、护膝垫及瑜珈垫等,然而每种制品所要求的材料特性不一,如韵律平衡垫的高柔软性;浮板浮床的超低比重;潜水衣的耐候性、高拉伸回弹性、低吸水性及耐盐水性;护肩护膝垫的高弹性及可塑性;发泡防护材(美式足球头盔内衬)耐变形性等。

尤其现阶段,瑜珈垫的材料几乎都是PVC制品。在法律及环保的诉求之下,全面禁用的声浪此起彼伏,因此谁先掌握PVC材质的替代材料,谁就拥有未来的商机,而这个构想已先后被许多垫材制造厂商,利用SEBS发泡材料付诸行动了。

运动休闲用品这块领域,因必须具备柔软性及柔和触感,SEBS发泡材料将极具优势。且SEBS发泡材料的特色在于极佳的弹性、热固性材料所缺乏的可塑性、边料可回收性等。因此在运动防护材的应用,具有极高竞争力,将朝向取代传统热固性发泡材料,并赋予环保材料的构想而出发(热固性发泡材料皆具硫磺臭味、且颜色无法多变化),所以SEBS发泡材料将越来越多地用于制造运动垫、瑜珈垫及韵律平衡垫等休闲运动用品。

婴幼儿用品

SEBS发泡材料在婴幼儿用品领域中的主要应用是制造发泡轮制品,可以改善发泡轮的止滑性、弹性、表面消旋旋光性及耐低温性。

通常EVA发泡轮制品的表面非常光亮,而具雾面效果(Non-shining)的发泡轮制品的需求来自于欧洲,此种制品(婴儿车)的售价高,所要求的发泡轮特性就相对地严格。另一方面,EVA或其它改性的材料,处于酷寒当中硬度会提高甚至失去弹性。

在婴儿车发泡轮方面,SEBS发泡材料的着力点,就是类似橡胶材料产品的特性—制品表面雾度极佳,这也是塑料类EVA所没有的特性。除此之外,应用在欧洲地区婴儿车发泡材料所应具备的耐低温性,也是以SEBS发泡材料的表现为最佳,并可避免发泡轮处于酷寒当中硬度变高、失去弹性的缺点。因此,SEBS发泡材料在发泡轮上应用前景值得期待。

箱包内衬材料

箱包内衬材料的(皮包、皮箱、饰品盒)主要应用诉求重点是:高拉伸回弹性、材料可塑形性与皮革及布料的贴合性等,由于EVA发泡材料及其改质剂中有绝大部分是塑性材料,因此使用的缺点是:布料的贴合性差、触感及柔软度不佳、低硬度制品的限制等。根据了解,箱包内衬发泡材料制品为了符合欧盟各国法律关于绿色材料的要求,从今年7月1日开始欧盟正式禁用PVC,届时所有PVC制品将被限制使用。

SEBS发泡材料的优势在于良好的拉伸性、弹性回复力、产品造型可塑性等。相对于SBR、NBR、CR等发泡制品,SEBS发泡材料的另一优势是材料可以回收再利用,完全合乎环保材料的诉求。 另一方面,传统热固性硫化发泡橡胶(SBR、NBR、CR等)制品,虽不至于被淘汰,但已过了商品成熟期,渐渐走向低价竞争的衰退期,也因为如此大部分业者已开始转型往热可塑橡/塑料发泡材料方面发展。

SEBS发泡材料的开发,将能克服一些传统发泡材料无法解决的问题,并且兼具许多不同发泡材料的优点,例如具有EVA发泡材料的低比重特性,PU发泡材料的低压缩歪、高弹性及止滑特性,且制程简单,可以二次成型做成复杂造型产品,最重要的是完全不含任何有毒物质,可以百分之一百回收。此外,SEBS发泡材料将使得制造厂商及设计师在材料使用与设计上有更多元化的选择。

表3 SEBS改质EVA发泡与其它改质剂之性能比较

 


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