彈性體

彈性體是一種性能獨特的人造熱可塑性彈性體，具有非常廣泛的用途。良好的外觀質感，觸感溫和，易著色，色調均一，穩定；耐一般化學品（水、酸、鹼、醇類溶劑）；無需硫化即具有傳統硫化橡膠之特性，節省硫化劑及促進劑等輔助原料。弱點：不耐高溫，高溫下絕緣性能變差、外形改變。

首先根據美國測量與材料協會（ASTM）頒布的ASTM D1566-07a標準，“Standard Terminology Relating to Rubber（橡膠相關標準術語學）”來辨析一下這兩個詞的定義及其涵蓋範圍。

下面再簡單介紹一下橡膠、彈性體這些詞產生的歷史背景。考古研究表明橡膠這種材料3500年前就被人類做成皮筋用來將石斧和手柄綁紮在一起、製成小球、實心或空心的人形小雕像（G. Heinrich, et al. Reinforcement of elastomers. Current Opinion in Solid State and Materials Science 6 (2002) 195–203）。因橡膠這種材料是從南美洲三葉橡膠樹割開樹皮流出的白色漿液得到的被當地土著人稱為“Cahuchu”，意為“樹之眼淚”。

1493-1496年哥倫布第二次來到南美洲，發現海地土著人用橡膠製成的小球具有高彈性，將其作為奇珍帶回了歐洲。後來人們發現這些橡膠球能夠擦除鉛筆的痕迹，就給這種材料命名為“擦子”，英文就是“Rubber”了（英文“Rub”就是擦除擦掉的意思）。這是的rubber就是指天然橡膠了。1839年美國人Goodyear發明了橡膠的硫化，就是使線形的橡膠大分子被交聯成三維網路結構（不溶解可熔融）工藝方法，從而奠定了近代橡膠加工工業的基礎。

後來在研究天然橡膠分子結構的基礎上，人類又相繼發明了很多種聚合物與天然橡膠具有類似的高彈性，但是硫化工藝還是這些聚合物在加工中不可或缺的獨特工藝，因而也稱它們為橡膠，但在橡膠前加“合成”以與從天然植物中獲得的橡膠相區別。

但是在上個世紀70年代，出現了一種不需硫化而只需用簡單塑料工藝即可加工的具有橡膠彈性的熱塑性高分子材料，其分子結構和加工工藝特徵與天然橡膠和合成橡膠有明顯的不同，再使用橡膠來命名已經不合適了。為了與一般的塑性體相區分，人們將這類高分子材料稱為”elastomer”中文就是彈性體了。

“elasticity和elastic”在英文中就是彈性和有彈性的意思。後來彈性體的含義在學術界得到了不斷的擴展。在上個世紀九十年代，彈性體指熱塑性彈性體和不能用硫黃硫化的各種特殊飽和橡膠（於清溪。橡膠原材料手冊。化學工業出版社）。目前“彈性體”更擴展為具有彈性的聚合物的總稱。

根據彈性體是否可塑化可以分為熱固性彈性體，熱塑性彈性體二大類。熱固性彈性體，這也就是傳統意義的橡膠（Rubber），熱塑性彈性體（Thermoplastic elastomer），縮寫為TPE，為上世紀90年代開始逐漸被越來越多的商業化應用。這個分類同樣也說明了這二類彈性體加工所採用的是二種不同的方式：橡膠用熱固性設備加工，TPE採用熱塑性設備加工。

由以上的傳統歷史背景所知，目前尤其在國內當談到彈性體的時候，所指的通常是熱塑性彈性體，而並不包含橡膠的含義，這也影響到了一些具體的技術交流。但隨著時間的推移，以及一些國外書籍的引入，將改變大家約定俗成的觀念。（彈性體手冊（第二版）吳棣華等譯）

彈性體按照原料組成分類如下：

1. 傳統橡膠（Rubber）：

1.1 不飽和橡膠

天然橡膠 Natural rubber (NR)

異戊橡膠 Synthetic polyisoprene (IR)

聚丁二烯橡膠 Polybutadiene (BR)

丁苯橡膠 Styrene-butadiene Rubber (copolymer of polystyrene and polybutadiene, SBR)

丁睛橡膠Nitrile rubber (copolymer of polybutadiene and acrylonitrile, NBR)

氯丁橡膠Chloroprene rubber (CR)

1.2 飽和橡膠

丁基橡膠 Isobutylene Isoprene Rubber (IIR) 或 Butyl Rubber

鹵化丁基橡膠 Halogenated butyl rubbers (氯化丁基橡膠chloro isobutylene isoprene rubber: CIIR; 溴化丁基橡膠bromo isobutylene isoprene rubber: BIIR)

二元乙丙橡膠和三元乙丙橡膠 EPM (ethylene propylene rubber, a copolymer of ethylene and propylene) and EPDM rubber (ethylene propylene diene rubber, a terpolymer of ethylene, propylene and a diene-component)

氯醚橡膠 Epichlorohydrin rubber (ECO)

聚丙烯酸酯橡膠 Polyacrylic rubber (ACM, ABR)

硅橡膠 Silicone rubber (SI, Q, MVQ)

氟硅橡膠 Fluorosilicone Rubber (FVMQ)

氟橡膠 Fluoroelastomers (FKM, and FEPM)

氯磺化聚乙烯 Chlorosulfonated polyethylene (CSM), (Hypalon)

氫化丁睛橡膠 Hydrogenated Nitrile Rubbers (HNBR)

2. 熱塑性彈性體（TPE）：

熱塑性聚烯烴彈性體 Thermoplastic Elastomer-Olefine (TPE-O, TEO)

熱塑性苯乙烯類彈性體 Styrenic thermoplastic elastomer (TES, TPE-S)

聚氨酯類熱塑性彈性體 Themoplastic Polyurethane elastomer (TPE-U, TPU)

聚酯類熱塑性彈性體 Thermoplastic polyester elastomer (TPE-E, TEEE)

聚醯胺熱塑性彈性體 Polyamide thermoplastic elastomer (TPE-A)

含鹵素熱塑性彈性體 Thermoplastic Halogenated elastomer

離子型熱塑性彈性體 Ionic thermoplastic elastomer

乙烯共聚物熱塑性彈性體 Ethylene copolymer thermoplastic elastomer) (EVA)

1,2聚丁二烯熱塑性彈性體 Thermplastic 1,2-poly-butadiene elastomer

反式聚異戊二烯熱塑性彈性體 Thermoplastictrans-polyisoprene elastomer

熔融加工型熱塑性彈性體 Melt Processible thermoplastic elastomer (商品名Alcryn)

熱塑性硫化膠 Themoplastic Vulcanizates (TPV)

熱塑性彈性體（thermoplastic elastomer，TPE）的定義為：在常溫下顯示橡膠彈性，在高溫下能夠塑化成型的高分子材料。因此，這類聚合物兼有熱塑性橡膠和熱塑性塑料的某些特點。熱塑性彈性體高分子鏈的基本結構特點是它同時串聯或接枝某些化學組成不同的塑料段（硬段）和橡膠段（軟段）。硬段間的作用力足以凝集成微區（如玻璃化微區或結晶微區），形成分子間的物理“交聯”。軟段則是自有旋轉能力較大的高端性鏈段。

熱塑性彈性體是彈性體一類重要組成。常見的有如下幾種：

苯乙烯類嵌段共聚物型熱塑性彈性體是最早研究的熱塑性彈性體，主要包括SBS、氫化SBS(SEBS)、SIS 和氫化SIS 等，是目前世界上產量最大、發展最快的一種熱塑性彈性體。從應用角度來看，苯乙烯類熱塑性彈性體最令人感興趣的是室溫下的性能與硫化橡膠相似，另外其彈性模量異常高，並且不隨相對分子質量變化。苯乙烯類熱塑性彈性體憑藉其強度高、柔軟、具有橡膠彈性、永久變形小的特點，在製鞋業、塑料改性、瀝青改性、防水塗料、液封材料、電線、電纜、汽車部件、醫療器械部件、家用電器、辦公自動化和膠粘劑等方面具有廣泛的應用。SBS 和SIS 的最大問題是不耐熱，使用溫度一般不超過80℃。同時，其強伸性、耐候性、耐油性、耐磨性能等也都無法同橡膠相比。其改性后的氫化SBS（SEBS）和氫化SIS，在實際應用中的性能遠高於普通的線型和星型SBS,使用溫度可達130℃,尤其是具有優異的耐臭氧、耐氧化、耐紫外線和耐天候性能，在非動態用途方面可與乙丙橡膠媲美。

聚氨酯類熱塑性彈性體（TPU）一般是由平均相對分子質量為600～4000 的長鏈多元醇（聚醚或聚酯）和相對分子質量為61～400 的擴鏈劑及多異氰酸酯加成聚合的線性高分子材料。TPU 大分子主鏈中長鏈多元醇（聚醚或聚酯）構成軟段，主要控制其低溫性能、耐溶劑性和耐候性，而擴鏈劑及多異氰酸酯構成硬段。由於硬、軟段的配比可以在很大範圍內調整，因此所得到的熱塑性聚氨酯既可以是柔軟的彈性體，又可以是脆性的高模量塑料，也可製成薄膜、纖維，是TPE 中唯一能夠做到的品種。

TPU 具有極好的耐磨性、耐油性和耐寒性，對氧、臭氧和輻射等都有足夠的抵抗能力，同時作為彈性體具有很高的拉伸強度和斷裂伸長率，還兼具壓縮永久變形小、承載能力大等優良性能。TPU已在國民經濟的許多領域如製鞋行業、醫療衛生、服裝面料和國防用品等行業得到了廣泛的應用，但其缺點是耐老化性差、濕表面摩擦係數低、容易打滑。而且TPU 具有強極性，在加工過程中，當剪切作用強烈時，內部易發熱，從而發生降解，其熔體粘度對溫度依賴性強，較小的溫度變化就能引起其粘度的急劇變化，因而加工溫度範圍窄，再加之成本較高，價格昂貴，進一步限制了TPU 的推廣應用。

聚烯烴類熱塑性彈性體（TPO）主要包括嵌段共聚物、接枝共聚物和共混物3 種類型，其中採用茂金屬催化劑合成的聚烯烴熱塑性彈性體乙烯—辛烯共聚物（POE）和動態硫化法製備的熱塑性動態硫化膠是兩種主要的聚烯烴類熱塑性彈性體。

1．茂金屬聚烯烴彈性體乙烯—辛烯共聚物茂金屬催化劑與一般傳統的Ziegler-Natta 催化劑相比，具有理想的單一活性中心，因而能精密控制相對分子質量分佈、共聚單體含量及其在主鏈上的分佈和結晶結構。合成的聚合物是高立構規整聚合物，相對分子質量分佈很窄，從而能準確控制聚合物的物理機械性能和加工性能。採用茂金屬催化劑合成的聚烯烴熱塑性彈性體乙烯—辛烯共聚物（POE）一方面有很窄的分子量和短支鏈分佈，因而具有優異的物理機械性能(高彈性、高強度、高伸長率)和良好的低溫性能，又由於其分子鏈是飽和的，所含叔碳原子相對較少，因而具有優異的耐熱化和抗紫外線性能。POE 的熱穩定性、光學性能及抗乾裂性能優於EVA，耐氣候老化性優於SBS，脆化溫度低於－76℃，在低溫下仍有較好的韌性和延展性，POE 剪切性好，有利於高速擠出和模塑，很少或不需增塑劑，使用壽命長。POE 可以用過氧化物、硅烷和輻射方法交聯，交聯后材料的物理機械性能、耐化學試劑及耐臭氧性能與EPDM 接近；耐熱老化及抗紫外線老化性能優於EPDM 和EPM，因此POE 更適合於戶外使用，並且POE 的熱壓縮永久變形比EPDM 小。POE 作為改性劑，既可以改性橡膠，也可以改性塑料。由於POE 的加工溫度較低，因而與非極性橡膠，特別是EPR、EPDM、NR、SBR 及BR 等的混合較為容易。POE 的最大應用還是在塑料製品上。用POE 改性PP，對其缺口衝擊強度提高很大；將馬來酸酐接枝POE 后的彈性體用來改性PA6，可使材料的吸濕性減小、衝擊強度大幅提高。

2.熱塑性動態硫化橡膠採用動態硫化法製得的熱塑性彈性體稱為熱塑性硫化橡膠（TPV）。TPV 是熱塑性彈性體(TPE)的一種特殊類型，與具有彈性的嵌段共聚物不同，而是由彈性體—熱塑性聚合物共混物的協同作用生成，具有比簡單共混物更好的性質。製備熱塑性硫化橡膠的關鍵技術是動態硫化技術，這一技術的進步之一是採用低成本的現有加工方法，通過將現有的聚合物進行共混來製備新產品。與傳統的、資金投入強度高的生產新材料的工藝相比，該工藝還能滿足對大型聚合裝置的環保要求。TPV 技術的另一些優於作為熱塑性彈性體來源的嵌段共聚物的地方是：上限使用溫度高、耐烴類介質和壓縮永久變形小。

聚醯胺類熱塑性彈性體（TPEA）是由高熔點結晶性聚醯胺硬度和非結晶性聚酯或聚醚軟緞組成

。根據聚醯胺熱塑性彈性體合成所需的原料, 其合成方法可以分為二元酸法和異氰酸酯法。採用二元酸法, T PAE 是由端羧基脂肪族聚醯胺嵌段與端羥基聚醚二元醇通過酯化反應製備的。異氰酸酯法是以半芳醯胺為硬段, 脂肪族聚酯、聚醚或聚碳酸酯作為軟段。採用異氰酸酯法, 半芳醯胺硬段是由芳香族二異氰酸酯與二元羧酸反應得到的, 而不是由傳統的二元胺與二元酸進行聚合、環內醯胺的開環聚合或者二元胺與二元醯氯反應等方法來製備。與之相比, 前者避免了芳香族二元胺活性較低、芳香族環內醯胺單體很難得到和反應釋放出腐蝕性的氯化氫等問題。