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【干货】没有增塑剂,一样可以打造柔软TPU的丝柔触感

如今,消费者越来越希望塑料表面在经过频繁使用之后,仍能保持丝般柔软的触感和高品质外观。得益于一种新型有机硅添加剂,配混厂商可以轻松降低热塑性弹性体的硬度并确保令人愉悦的触感。


众所周知,热塑性弹性体(TPE)具有优异的机械性能、耐磨性和低温柔韧性,广泛用于运动休闲、微电子、机械制造、汽车、电气工程和医疗技术等领域。


大规模生产和加工的标准热塑性聚氨酯 (TPU)弹性体通常相对较硬,其硬度一般处于邵氏硬度A 80至邵氏硬度D 45之间。采用此类弹性体制成的组件通常略带粗糙的橡胶触感。但是,对于消费者经常触摸或直接戴在身上的物品来说,良好的触感是一项至关重要的特性。


“但是,市面上柔软TPU产品的数量非常有限。”瓦克有机硅塑料与涂料技术营销人员Peter Randel博士表示,“柔软TPU的生产难度很大。很多情况下,这类产品都含有增塑剂,而增塑剂会从TPU中迁移出来,污染其他物体。”


因此,塑料生产商和配混厂商正在想方设法生产出更加柔软的TPU,使TPU具备消费者所需要的触感,同时不明显影响塑料的其他特性,并最终为TPU开辟全新的应用领域。为了实现这一目标,较为简单的途径之一是借助瓦克新型有机硅添加剂GENIOPLAST® Pellet 345 —— 瓦克在2019年国际塑料及橡胶展(K 2019)上面向专业受众推出了该产品。


手机外壳和表带是典型的消费品,这类产品必须能够耐受高频率的使用,同时长久保持良好的触感






丝般柔滑干爽


一款产品的外观和触感通常会对消费者的选购起到决定性影响。“如今,触感柔软的表面大受欢迎。” Randel 解释道,“有些表面摸上去丝般柔滑干爽,手感非常舒适。”除了汽车内饰用塑料需要手感柔滑的表面,消费者也希望更多应用能够具备这种丝般柔滑的触感,例如智能手机外壳和可穿戴设备。可穿戴设备是穿戴在人们身上的微型计算机,并与智能手机等设备相连,可记录、整合和评估用户的活动数据。常见的可穿戴设备包括活动追踪器、健身腕带和智能手表。


用户通常将这类微型计算机作为配饰戴在手臂上。可穿戴设备的外壳和腕带不仅要具备足够的坚固度和弹性来保护昂贵的设备,同时还必须拥有消费者期望的时尚外观和柔软触感。






弹性更大


为了满足塑料行业的需求,瓦克决定开发一款有机硅添加剂,用以降低聚氨酯弹性体(TPU)的硬度和表面摩擦力,同时提升其弹性,从而使得改性后的TPU具备更加优异的功能和触感,满足消费者更高的期望。


众所周知,有机硅添加剂具有减小摩擦力的效果,自20世纪70年代便开始应用于塑料行业。不过,将传统有机硅作为添加剂大量用于TPE却并非易事。


“有机硅通常为非极性材料,而聚氨酯则是极性材料。”瓦克有机硅博格豪森应用实验室负责人Oliver Schäfer博士解释道。因此,这两种材料并不相容。如果将有机硅和聚氨酯相混合,就会得到双相聚合物混合料。有机硅会以柔软的岛状分散在整个坚硬的聚氨酯基体内。由于二者不相容,我们很难将传统有机硅添加至聚氨酯基体中 —— 这是有机硅添加剂在实际应用中的一大障碍。


因此,瓦克研究人员尝试通过添加极性基团来提高有机硅与聚氨酯的相容性。这一方法基于以下设想:经过极性基团改性的有机硅应该能与聚氨酯产生更强烈的反应,从而在聚氨酯基体内实现更好的分散效果,有机硅与聚氨酯之间可以形成稳定的化学键。






有机硅共聚物


瓦克研究人员开发出了一种极性改性有机硅共聚物,该共聚物由柔软、有弹性的有机硅片段和官能极性有机聚合物片段构成。共聚物片段的数量和分子量已根据最终产品的所需性能进行优化,同时确保有机硅共聚物易于加工。新型添加剂 GENIOPLAST®Pellet 345由此开发而成。凭借该产品,瓦克化学股份有限公司进一步扩大了旗下热塑性塑料配混用有机硅高性能添加剂产品组合。


GENIOPLAST® Pellet 345 能够改变热塑性弹性体的重要特性,令其变得更加柔软、更具弹性,同时减小表面摩擦力







“不同于传统有机硅弹性体,我们的新型改性有机硅并不是化学交联,而是物理交联。”Schäfer强调道。该款有机硅共聚物的分子相互接触,各片段之间形成非共价键,将分子牢牢地结合在一起。不过,非共价键的结合要比化学交联更弱,因而可以系统地通过加热被破坏,但在冷却后又会重新结合。得益于此,上述新型添加剂可以进行热塑性加工。该添加剂在Schäfer博士的应用实验室内接受了广泛的测试。除了测试添加剂的加工性能外,测试的重点是添加剂的功效:该添加剂能以所需要的方式改变塑料的技术性能吗?它对触觉特性有哪些影响?可能会有哪些副作用?测试结果证明,研究人员提出的方法具有可行性。


透射电子显微镜图像显示,该新型添加剂能够均匀且精细地在整个聚氨酯基体内部分散 —— 这表明有机硅与聚氨酯基体的相容性得到了改善。该添加剂在聚氨酯基体中的粒径为200至400纳米。如果将传统有机硅添加至热塑性聚氨酯弹性体(TPU)中,形成的有机硅颗粒会明显更大。


“由于GENIOPLAST® Pellet 345与极性TPU基体高度相容并具有热塑性,因此几乎无需更多投入即可轻松加工。”Schäfer解释说。该有机硅添加剂和TPU均以粒料形式供货,可以采用热塑性塑料配混用传统双螺杆挤出机将其熔融在一起。与其他基于传统有机硅的改性技术不同,瓦克新型有机硅产品在添加至聚氨酯基体中时,既不需要专用设备,也不需要特殊的工艺工程措施。



聚氨酯试件


为了测试新型添加剂的效果,瓦克技术人员制作了TPE试件,在试件中添加了不同剂量的 GENIOPLAST® Pellet 345。测试所采用的聚氨酯均为商用TPU产品,硬度在邵氏A 70至90之间,拉伸强度在25至50兆帕之间。



测试结果表明,该添加剂的用量对于最终效果有极大的影响。添加少量(最多约10%)添加剂时,受影响的主要是聚氨酯的表面性能,对硬度、强度和弹性影响有限。例如,添加少量添加剂可减小聚氨酯表面的动摩擦系数(DCoF值),同时提高耐磨性和耐刮擦性。按照 ISO4649 A进行的耐磨性测试显示,添加5%的GENIOPLAST® Pellet 345时,受磨损材料数量平均减少了约60%。


这些经过提升的表面性能可对智能手机外壳等许多应用产生正面影响。大部分用户将手机放在口袋里,每天都要几十次地掏出手机。如果保护壳的耐磨性和耐刮擦性极为出众,其表面能长久保持良好的外观。此外,如果表面摩擦力较低则可消除保护壳 表面类似橡胶的质感,从而使其具有舒适 的触感。当添加剂用量达到约10%时,即可明显改变聚氨酯的机械性能和硬度。添加的GENIOPLAST® Pellet 345越多,TPU便越柔软。随着添加量增加,TPU硬度几乎呈线性下降。根据经验,Schäfer博士的实验室团队发现,添加量每增加10%,热塑性聚氨酯弹性体的邵氏A硬度就会降低5度左右。


经过 GENIOPLAST® Pellet 345 改性的塑料能够改善可穿戴设备(如智能手表的塑料表带)的手感和耐磨


TPU的断裂伸长率也会随添加量的增加而上升,通常在添加量为10%至20%时达到最大值。延展性的增加意味着弹性更高 —— 这正是最终产品所需要的效果。例如,智能手机保护壳必须具有足够的弹性,才能可靠地保护手机免受撞击。


但是,应用工程师还发现,当添加量超过10%时,TPU的强度会降低 —— 这是无法避免的副作用,而且在其他同类技术中也同样如此。如果GENIOPLAST® Pellet345的添加量从10%增加至30%,则TPU的拉伸强度可能会降低一半。配混厂商可以通过采用抗撕裂强度合适的TPU产品作为基体来弥补拉伸强度的损失。采用相同硬度的柔软TPU混合物进行的基准测试表明,使用瓦克新型添加剂时,拉伸强度的损失相对较小。


“在所有情况下,采用 GENIOPLAST® Pellet 345制成的TPU混合物的强度值都要大大高于测试中的参照产品。” Schäfer 说。对于塑料制品的外观而言,除了耐刮擦性和耐磨性之外,耐污性也是一项重要因素。智能手机、可穿戴设备和其他移动消费电子设备及其连接线在使用过程中接触的物质常常会令其表面变色。牛仔裤所使用的芥末黄和靛蓝染料会留下特别顽固的污渍。


瓦克利用马丁代尔耐磨测试来确定一块牛仔裤织物与由聚氨酯弹性体和 GENIOPLAST® Pellet 345制成的试件摩擦时的机械磨损以及试件是否会被染色


各大消费电子公司都进行了染色测试,并列出了各种物质的脱色效果。瓦克应用工程师们对这些公司列出的物质进行了测试,发现新型添加剂有助于缓解TPE被染色的情况。


瓦克新型添加剂不会改变聚氨酯基体的特性。因此,TPU可以保持其对各种极性热塑性塑料的出色粘接性。同时,该添加剂也不会对化学稳定性或热稳定性产生影响。


由于保持了良好的粘结性能,TPU和 GENIOPLAST® Pellet 345的混合物可用作硬/软组合的软组分,例如牙刷手柄中的软组分。“此类产品可以采用成本效益较高的双组分注塑成型工艺生产,其中极性硬质热塑性塑料为硬组分。”该添加剂的市场营销负责人Randel解释道。






长久保持迷人外观


借助GENIOPLAST® Pellet 345,热塑性弹性体生产商可以进一步巩固其在快速增长的移动消费电子与微电子市场上的地位。“这些混合物可用于所有需要表面具有柔软手感、长久保持迷人外观的产品。”他补充说。其广泛的应用包括耳机或充电线的护套、笔记本电脑、平板电脑和游戏机的外壳、工具把手、网球拍手柄以及滑雪杆的手柄部分。GENIOPLAST® Pellet 345 与聚氨酯基体粘合良好,因此不会从塑料中迁移出来。在欧洲,该添加剂已获得了用于食品接触应用的批准。


瓦克研究人员和应用工程师介绍说,GENIOPLAST® Pellet 345原则上也可以用于热塑性聚酰胺弹性体(TPA)和热塑性共聚酯弹性体(TPC)的改性。目前,瓦克应用实验室正在进行相关测试。“初步测试结果表明其具有广阔的应用前景。”Schäfer解释道。


*本文已刊登在2020年《国际塑料商情》7月刊


文章来源:瓦克化学



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