热塑性弹性体加工指南

　　设计指南

　　热塑性弹性体 (TPE)

　　热塑性弹性体(TPE) 是通用型耐久材料，与传统的热固性体系相比，它们有许多独特的优越性。这 些优越性不仅体现在物理性质方面，而且体现在各种工艺过程所实现的经济效益方面。

　　TPE 的优点

　　• 无需混炼

　　• 无需硫化

　　• 成型时使用标准型热塑性塑料加工设备

　　• 加工快速(加工周期短)

　　• 热稳定性强

　　• 可回收利用

　　• 染色深度范围广

　　• 可供应透明的品种

　　• 可上漆

　　• 可印刷

　　• 可焊接

　　• 可用重叠模塑的方式成型在各种基底材料上

　　• 可发泡成型

　　至于何种 TPE 最适合于某一特定的应用，则取决于所寻求的目标性质以及即将采取的工艺步骤。虽 然存在各种各样的 TPE，本加工指南只对三种体系的 TPE 作基本介绍：苯乙烯类嵌段共聚物 (SBC)、热塑性硫化胶(TPV)，以及热塑性聚氨酯(TPU)。

　　TPE 的加工

　　SBC、TPV 及 TPU 的注射模塑

　　TPE 可以用标准型热塑性塑料加工设备来加工。虽然柱塞式注塑机已成功地用于加工某些 TPE，我 们还是推荐采用传统的往复式螺杆注塑机来加工此类材料。

　　SBC、TPV 及 TPU 的挤压成型

　　同注射模塑一样，TPE 的挤压成型也可以用通用型螺杆来成功地实现。除了挤压方面，其它需要考 虑的因素如下：

　　螺杆设计考虑因素

　　• 采用单级、三区式聚烯烃类计量螺杆

　　• 长径比至少为 24:1(用于 TPV 和 SBC)

　　• 对于厚壁挤压，长径比至少为 24:1(用于 TPU)

　　• 对于薄壁挤压，长径比至少为 30:1(用于 TPU)

　　• 压缩比为 2.5:1 至 3:1

　　• 推荐在加料喉管处进行冷却

　　• 要避免采用螺杆冷却

　　• 采用平板式模头时，要避免死角或滞流区

　　SBC、TPV 及 TPU 的干燥

　　水分既能造成加工方面的问题，也能造成外观方面的问题。由于 SBC、TPV 及 TPU 在化学性质方 面的区别，加工时需考虑到不同的干燥因素。TPE 的干燥方式直接取决于 TPE 的吸湿特性。

　　TPV 和 TPU 与 SBC 相比，相当容易吸湿，故推荐使用干燥剂进行干燥。尽管 SBC 不吸收水分，而 且通常不必干燥也能顺利地成型，但如果注塑成型后外观方面的问题很明显时(表面难看)，也许有 必要进行干燥。

　　SBC 的干燥

　　由于 SBC 不吸收水分，故通常不需要进行干燥。在某些外观是很关键的应用中，在加工 SBC 前用 热空气在 125°F (50°C) 的温度下干燥 2 至 4 小时，可稍微得到一些改善。

　　TPV

　　TPV 的最高水分含量推荐值为 0.06%。对于典型的注射模塑和挤压成型的材料，应使用干燥剂在 160°F 至 175 °F(70°至 80°C) 的温度下干燥 2 至 4 小时。加工 TPV 时，建议采用料斗式干燥 器。建议勿让经干燥后的 TPV 暴露在空气中达 30 分钟以上，以免其从大气中吸收水分。

　　TPU

　　TPU 混炼物的最高水分含量推荐值为 0.03%。对于典型的注射模塑和挤压成型的材料，可使用干 燥剂在 220°F(105°C) 的温度下干燥 2 至 4 小时。但是，由于存在各种不同品种的 TPU，建议参 阅并遵照相应的 TPU 干燥条件。这些资料可从供应商处获得，或已经列在各种 TPU 混炼物的技术 数据单上。建议勿让经干燥后的 TPU 暴露在空气中达 30 分钟以上，以免其从大气中吸收水分。

　　SBC、TPV 和 TPU 回收料利用方面的考虑

　　很多 TPE 的浇道、流道结块及废零件，都可以在粉碎后重新利用。这种特殊的经济优越性，是传统 的热固性体系无法与之相比的。

　　在粉碎 TPE 时，由于它们的各种软品种具有高延伸率和高抗撕裂强度等特性，故需要用高质量的粉 碎机把它们完全地粉碎。只有那些具有高质量支承轴承和坚固框架的粉碎机，才能维持所必需的公 差精度，从而保证旋转刀和固定刀床之间所必需保持的间隙。在粉碎 TPE 时，每次只能将少量的废

　　零件加入粉碎机。若加入太多的废零件，则会使热量在粉碎机中积聚，从而使粉碎过程变得困难。 过分的热量积聚，会导致材料重新结块，或堵塞。

　　粉碎后的 SBC 的掺混比例

　　我们总是推荐，由加工者针对其特定的应用，来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比例。业已发 现确定此比例的一个好的起点是，将 25%的粉碎料与新的 SBC 掺混。然后根据所得到的性能和所 预期的性能，再提高或降低这一比例。

　　粉碎后的 TPV 的掺混比例

　　如前所述，我们总是推荐，由加工者针对其特定的应用，来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比 例。业已发现确定此比例的一个好的起点是，将 20%的 TPV 粉碎料与新的 TPV 掺混。然后根据所 得到的性能和所预期的性能，再提高或降低这一比例。请注意，在加工前，粉碎的 TPV 必须与新 的 TPV 一样进行干燥。

　　粉碎后的 TPU 的掺混比例

　　同样地，我们总是推荐，由加工者针对其特定的应用，来确定粉碎料与新原料之间的恰当掺混比 例。业已发现确定此比例的一个好的起点是，将 15%的 TPU 粉碎料与新的 TPU 掺混。然后根据所 得到的性能和所预期的性能，再提高或降低这一比例。请注意，在加工前，粉碎的 TPU 必须与新 的 TPU 一样进行干燥。

　　建议采用的 SBC、TPV 和 TPU 粉碎料的起始掺混比例

　　TPE 体系

　　粉碎料/新原料的起始比例

　　说明

　　SBC 25/75 此比例取决于产品性能

　　TPV 20/80 此比例取决于产品性能

　　TPU 15/85 此比例取决于产品性能

　　采用注射模塑时对于工件结构的考虑

　　模具类型

　　两板式和三板式的模具结构被普遍地用于 TPE。热流道模具和叠层式模具也可用于 TPE。热尖式和

　　阀门式浇口也可使用。但不推荐使用自我绝热式热流道模具。

　　与低导热性的模具相比，用高导热性金属所制成的模具，可使 TPE 达到较短的循环周期。 对于原型和使用次数有限的模具，可使用铝制模具。由于铜铍合金的传热效率是钢的两倍，如果适

　　当地进行冷却，它将会缩短循环周期。铜铍合金可用于制造吹塑用模具和某些注塑用模具。预硬化 钢(P20)所制成的注塑模具是非常耐用的，从长远来说具有较低的按工件计平均成本。经二次硬化

　　处理和研磨的模具则最为耐用。

　　TPE 相对于大多数模具材料的摩擦系数均很高，并倾向于粘附在无拔模斜度的模腔内，或收缩在长 的型芯材料上。TPE 从表面经过喷沙处理或放电加工处理的模具脱模较易。表面经过喷丸处理的钢 材，则达到了很好的效果。较大的拔模斜度(每面 3.0 度)也许会有所帮助，或许还有必要在模具表 面涂一层脱模涂料。聚四氟乙烯或二硫化钼类型的浸渍模具涂层，对于较软的 TPE 会有些帮助。某 些混炼物里则含有内在的脱模剂。

　　壁厚

　　为了适应产品功能方面的需要，工件的壁厚可能得有所变化，但应尽可能地保持均匀，以达到最优 化的加工周期，并减少出现塌陷和流动痕迹的可能。壁厚的变化应该是逐渐性的过渡(或至少是弧 度形的过渡)，以利于流动状态的过渡。工件结构、模具结构，以及浇口的位置应予以综合考虑， 便于物料从较厚的部分流入较薄的部分，从而达到最佳的外观和工艺裕度。

　　对于壁厚变化很大及从薄壁部分向厚壁部分填充的工件，当熔体进入厚壁部分时，也许会脱离模 壁。这样就可能会产生熔体的反向填充，并造成表面的焊缝线。如果某一段的壁厚变化很大，当该 段熔体以不同的速率冷却时，可导致工件发生翘曲。如果熔体的流动受到模具内部或表面的型芯 销、陡坑、或突起之类的干扰，也可产生流痕或涡痕。使用表面有纹理或毛面的模具，涡痕和流痕 线则可能被掩饰掉或减少到最低程度。

　　浇口的设计和位置

　　TPV 和 SBC 均是具有切变稀化特性的材料。因此，它们得益于浇口处的剪切应力，使得模腔的填 充较为容易。推荐使用直径小而且短的浇口。对于 TPV 和 SBC，建议浇口尺寸为被填充部分壁厚 的 20 至 30%。

　　TPU 不具有切变稀化的特性。横截面积较大的浇口使得物料能自由地流动，而且压力损失为最小。 推荐 TPU 浇口的尺寸至少为模壁最厚处的 50%。对于 TPU 的加工，高度推荐采用扇形浇口和突缘 浇口，而不推荐采用针形浇口。我们还推荐要尽量缩短浇口的长度。很多常见的问题，如填充不足

　　/堆积以及尺寸控制不好等，往往与浇口的尺寸和结构有关。

　　浇口的位置极为重要，为了得到美观的工件，需要仔细地斟酌。通常推荐的浇口位置如下：

　　浇口应位于如下区域:

　　• 处于横截面最大的部分，以保证充分填满并消除塌陷的隐患。

　　• 使得浇口附近的残余模塑应力不会影响工件的性能。

　　• 使得可能产生的焊缝线被减少到最低限度。

　　• 使得在外观最关键的部位可能产生的流痕线被减少到最低限度。

　　• 可以达到浇口的人工切除和自动切除

　　• 流动途径和所受的干扰 (如围绕型芯和型芯销的涡流) 被减到最低限度。

　　• 使得有可能采用隧道式浇口，以便实现浇口的自动切除

　　流道

　　模具的平衡很重要，要使得所有的模腔能同时并在同样的压力下被填满。如果模具不平衡，某些模

　　腔也许还未被填满，而其它模腔却已被过分地填满或发生溢料。 工件可能会变形或翘曲。

　　最好是采用全圆形的、梯形的、或变相梯形的流道。应避免采用半圆形的流道。流道的长度应尽可 能地短。通常采用带有阀门式浇口的热流道系统，以减少浇口残余并缩短循环周期。主流道尺寸应 足够地大，使得熔体进入模腔前的压降能减到最小。在流道所有的转折部分，均应设置冷料收集 井。

　　浇道

　　浇道应尽可能地短，并顺注射方向抛光。为了缩短循环周期和消除软品种粘结在浇道上的现象，往 往使用热的浇道套管。在用硬度较高的材料所制工件的设计中，根据 TPE 的品种和软硬程度(材料 的柔软性)，将使用锥形、Z 形拉钩以及“圣诞树” 形的浇道拉钩。

　　将 TPE 与其它材料结合：粘结和重叠模塑

　　TPE 经常用于生产软的或弹性的人机接触介面材料，以包覆在较硬的结构件上。可以将 TPE 用各种 各样的技术粘结在该结构件上，也可以将 TPE 用“插入”模塑或“多次注射”的方式，“重叠模 塑”在工程材料上。

　　TPE 的粘结

　　TPE 可以用各种各样的技术来粘结。以下所列的是用于 TPE 的各种不同技术：

　　非注射模塑的粘结技术

　　• 粘结剂

　　• 热粘结

　　• 电磁场(emf)

　　• 射频(rf)

　　• 热封贴膜

　　• 溶剂

　　• 摩擦和摩擦焊接

　　• 超声焊接

　　用于 TPU 最普遍的是射频、超声焊接、溶剂以及热压技术。典型的应用包括足球胆、阀门和传送 带。

　　重叠模塑

　　重叠模塑将两种材料在制造过程中结合为一个整体，而不需要采用诸如胶粘或焊接的第二步操作。 TPE 经常用于生产软的或弹性的人机接触介面材料，包覆在较硬的结构件上。如果这些材料在化学 上是互相兼容的，那么在两种材料之间可能会产生键合，而不需要机械上的连结。

　　插入模塑 这类重叠模塑是通过所谓插入模塑的两阶段操作来完成的。刚性较大的工件在第一台机器上制造，

　　而弹性体则是在第二台机器上以注射模塑的方式包覆在该工件上。模具和工件的结构有一定的限

　　制。此刚性工件必须很好地固定住，而且具有足够的刚性，使得当弹性体进入模具并冲击到此工件

　　上时，它能抵抗很高的液压力。穿梭式成型机或回转式成型机被普遍地得到使用。当基底材料是金 属或热固性材料时，或基底材料需要涂底层涂料时，可采用插入模塑。当不具备多次注射设备时， 也可采用插入模塑。

　　多次注射(两种材料模塑) 这类重叠模塑工艺使用一台专门的机器，它具有多个塑料加工机筒和一套围绕枢纽转动的模具。多

　　次注射模塑要求所有的组分均为热塑性塑料。

　　TPE 的上漆/印刷/打标

　　所有的 TPE 均可以上漆、印刷，并可采用各种技术来打印标记，包括传统的移印或激光打标。具体 使用哪种技术将取决于 TPE 的类型和用途。在本指南中所讨论的三种 TPE 中，TPU 是最容易上漆 和印刷的。TPU 不需要涂底层涂料，并与传统的乙烯基油墨配合得很好。

　　吹塑成型

　　与热固性橡胶不同，SBC 和 TPV 可用挤压或注射吹塑成型的方式来制造中空的物件。吹塑成型要 求熔体具有高粘度(低流动性)及高熔体强度。SBC 和 TPV 在以挤压吹塑成型的方式，进行低切变 (低速)加工时，显示了高熔体强度和高粘度。此方法最好是用于成型在坚硬的型芯上、但随后该型 芯又必须除去的应用。连续式的挤压和间歇式的型坯料滴法是被普遍采用的。关于此替代方法的进 一步资料，请与您的 TPE 供应商联系。

　　压缩模塑

　　对于因设计或制造成本方面的原因，不能采用注射模塑来制造的工件，压缩模塑是加工 TPE 的一种 替代方法。压缩模塑所制造的 TPE 工件，没有模塑应力，而且在很广的温度范围内其尺寸均很稳 定。由于压缩模塑是两维的，设计上的灵活性也许有限。关于此替代方法的进一步资料，请与您的 TPE 供应商联系。

　　发泡成型

　　SBC、TPV 以及 TPU 均可以发泡方式成型。有很多种技术被用来生产泡沫 TPE。当一种关键性气体 在聚合物基体内膨胀时，便产生了蜂窝状结构(泡沫)。至于如何将该气体引入聚合物，正是区分各 种不同技术的微妙之处。

　　用于 TPE 的发泡技术

　　• 水注射

　　• 气体注射

　　• 经混炼加入的化学发泡剂

　　• 经掺混加入的干型化学发泡剂

　　目前，TPV 是用水注射、经混炼加入的化学发泡剂、经掺混加入的干型化学发泡剂，以及在机器内 掺混加入的化学发泡剂来发泡成型的。泡沫 SBC 是用干的、经掺混加入的化学发泡剂和气体注射的 方式而制成的。TPU 是用各加工厂商各自选择的发泡剂和方法来发泡成型的。

　　溶液加工

　　SBC 和 TPU 可以溶解在很多种溶剂内，用作溶液涂料、溶剂粘结剂体系，以及喷雾型涂料。通 常，这些 TPE 溶液的固含量可达 15% 。这些溶液的加工时间取决于温度及所用的混合溶剂。溶液 加工的 TPE 例子有：录音带、录像带、家具的表面涂层、纤维涂层，以及作为底层涂料的粘结剂。