چه چیزی کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین هیدروژنه (SEBS) را به الاستومر ترموپلاستیک انتخابی تبدیل می کند؟

کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین هیدروژنه (SEBS) چیست؟

کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین هیدروژنه که عموما با نام اختصاری آن SEBS شناخته می شود، یک الاستومر ترموپلاستیک با کارایی بالا (TPE) است که توسط هیدروژناسیون انتخابی بلوک کوپلیمر استایرن-بوتادین-استایرن (SBS) تولید می شود. فرآیند هیدروژناسیون پیوندهای دوگانه کربن-کربن موجود در بلوک میانی پلی بوتادین پیش ساز SBS را اشباع می کند و آن را به یک بخش پلی اتیلن-بوتیلن (EB) تبدیل می کند. ساختار سه گانه به دست آمده - بلوک های انتهایی پلی استایرن (PS) در کنار بلوک میانی پلی اتیلن-بوتیلن اشباع شده - معماری مولکولی است که به SEBS ترکیبی متمایز از خاصیت ارتجاعی لاستیک مانند، قابلیت پردازش ترموپلاستیک و مقاومت محیطی فوق العاده می دهد.

بر خلاف لاستیک های ولکانیزه معمولی، SEBS برای دستیابی به خواص کشسانی خود نیازی به اتصالات عرضی شیمیایی ندارد. در عوض، بلوک‌های انتهایی پلی‌استایرن به صورت دانه‌های سخت و شیشه‌ای در می‌آیند که به عنوان پیوندهای عرضی فیزیکی در دمای سرویس عمل می‌کنند، در حالی که بلوک میانی پلی‌اتیلن-بوتیلن نرم، انعطاف‌پذیری و ویژگی بازیابی الاستیک لاستیک را فراهم می‌کند. از آنجایی که این پیوندهای متقاطع فیزیکی از نظر حرارتی برگشت پذیر هستند - زمانی که مواد بالاتر از دمای انتقال شیشه ای حوزه های پلی استایرن گرم می شوند، جدا می شوند - SEBS را می توان به طور مکرر با استفاده از تجهیزات گرمانرم استاندارد مانند ماشین های قالب گیری تزریقی، اکسترودرها و سیستم های قالب گیری دمشی پردازش کرد، سپس پس از خنک شدن به خواص لاستیکی مانند خود بازگرداند. این ترکیبی از فرآیند پذیری و عملکرد، SEBS را به عنوان یکی از همه کاره ترین و گسترده ترین مواد در بازار جهانی الاستومر ترموپلاستیک معرفی کرده است.

فرآیند هیدروژناسیون و تأثیر آن بر خواص مواد

تبدیل از SBS به SEBS از طریق هیدروژناسیون یک گام مهم است که به طور اساسی مشخصات عملکرد مواد را تغییر می دهد. در پیش ساز SBS، بلوک میانی پلی بوتادین حاوی پیوندهای دوگانه کربن-کربن غیراشباع متعدد (C=C) است که از نظر شیمیایی مکان‌هایی واکنش‌پذیر هستند - مستعد اکسیداسیون توسط اکسیژن اتمسفر، تخریب توسط اشعه ماوراء بنفش و حمله ازن. این آسیب‌پذیری‌ها SBS را به برنامه‌های کاربردی داخلی و با عمر کوتاه محدود می‌کند که در آن قرار گرفتن در معرض محیطی حداقل است.

هیدروژناسیون در یک راکتور کاتالیزوری تحت فشار هیدروژن بالا انجام می شود که معمولاً از کاتالیزورهای آلی فلزی مبتنی بر نیکل، کبالت یا تیتانیوم استفاده می شود. مولکول های هیدروژن روی پیوندهای دوگانه بلوک پلی بوتادین اضافه می شوند و آنها را به پیوندهای تک کربن-کربن اشباع تبدیل می کنند. درجه هیدروژناسیون به دست آمده در گریدهای تجاری SEBS معمولاً بیشتر از 98٪ است، به این معنی که تقریباً تمام غیراشباع واکنشی در بلوک میانی حذف می شود. این اشباع تقریباً کامل همان چیزی است که مقاومت چشمگیر SEBS را در برابر اکسیداسیون، اشعه ماوراء بنفش، ازن و پیری حرارتی در مقایسه با پیش ساز SBS آن بهبود می بخشد.

فرآیند هیدروژناسیون همچنین بلورینگی و تحرک زنجیره ای بلوک میانی را تغییر می دهد و سهم آن را در بازیابی الاستیک مواد و انعطاف پذیری در دمای پایین افزایش می دهد. ساختار کوپلیمر اتیلن-بوتیلن تولید شده توسط هیدروژناسیون دارای دمای انتقال شیشه ای پایین تری نسبت به پلی بوتادین اصلی است و رفتار لاستیکی را در دماهای بسیار کمتر از 0 درجه سانتیگراد حفظ می کند - یک مزیت مهم در کاربردهای خارج از منزل و خودرو که باید به طور قابل اعتماد در محدوده های دمایی وسیع عمل کند.

خواص فیزیکی و شیمیایی کلیدی SEBS

SEBS مشخصات خاصی را نشان می دهد که آن را از لاستیک های معمولی ولکانیزه و سایر خانواده های الاستومرهای گرمانرم متمایز می کند. ویژگی‌های زیر در مجموع باعث پذیرش گسترده آن در مناطق کاربردی می‌شود:

• مقاومت عالی در برابر اشعه ماوراء بنفش و ازن: بلوک میانی اشباع شده SEBS آن را ذاتاً در برابر بریدگی زنجیره ای ناشی از اشعه ماوراء بنفش و ترک ازن مقاوم می کند - حالت های خرابی که باعث تخریب سریع در لاستیک های غیراشباع مانند لاستیک طبیعی، SBS و EPDM بدون تثبیت کننده می شود. ترکیبات مبتنی بر SEBS را می توان برای گذراندن تست های هوازدگی طولانی بدون از دست دادن قابل توجه خواص مکانیکی فرموله کرد.
• محدوده دمای خدمات گسترده: SEBS خواص مکانیکی مفیدی را از حدود -60 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد حفظ می کند، و برای کاربردهایی که سرمای شدید یا دماهای بالا پایدار را تجربه می کنند مناسب است. این محدوده به طور قابل توجهی از SBS فراتر می رود، که در دماهای بالاتر از 60 درجه سانتیگراد شروع به نرم شدن می کند و بازیابی الاستیک را از دست می دهد.
• بازیابی الاستیک بالا: SEBS بازیابی الاستیک لاستیک مانند را نشان می دهد و پس از تغییر شکل با حداقل ست دائمی به ابعاد اولیه خود باز می گردد. این ویژگی در کاربردهای آب بندی، گرفتن، و بالشتک که بازیابی ابعاد پس از فشرده سازی یا افزایش طول یک نیاز کاربردی است، ضروری است.
• مقاومت شیمیایی: ساختار هیدروژنه SEBS مقاومت خوبی در برابر اسیدهای رقیق، بازها، الکل ها و محلول های آبی ایجاد می کند. در حالی که SEBS توسط حلال‌های هیدروکربنی آلیفاتیک و معطر متورم می‌شود - یک محدودیت در کاربردهای سیستم سوخت - در تماس با محیط‌های آبی و مواد شیمیایی ملایم معمولی برای کاربردهای پزشکی، تماس با مواد غذایی و مراقبت‌های شخصی به خوبی عمل می‌کند.
• شفافیت و رنگ پذیری: نمرات پر نشده SEBS به طور طبیعی شفاف تا نیمه شفاف هستند، با انتقال نور عالی. این شفافیت نوری به مواد اجازه می دهد تا به هر رنگی با دقت رنگ بالا رنگدانه شوند و آن را برای کاربردهایی که نیاز به بازرسی بصری محتویات دارند - مانند لوله های پزشکی، مهر و موم بسته بندی مواد غذایی و دستگیره های محصولات مصرفی، مناسب می کند.
• چگالی کم: SEBS دارای چگالی تقریباً 0.89 تا 0.91 g/cm³ است که به طور قابل توجهی کمتر از اکثر لاستیک های پر شده و پلاستیک های مهندسی است. این مزیت وزنی در کاربردهای خودرو و لوازم الکترونیکی مصرفی که در آن سبک‌وزن یک هدف طراحی است، ارزشمند است.
• قابلیت بازیافت: به عنوان یک الاستومر ترموپلاستیک، SEBS را می توان بدون تخریب قابل توجه خواص، ذوب و دوباره فرآوری کرد، و این امکان را فراهم می کند که ضایعات و مواد پایان عمر دوباره به فرآیند تولید بازیافت شوند - یک مزیت پایداری نسبت به لاستیک های ترموست که پس از ولکانیزاسیون قابل پردازش مجدد نیستند.

SEBS در مقایسه با سایر الاستومرهای ترموپلاستیک

بازار الاستومر ترموپلاستیک چندین خانواده متمایز از مواد را در بر می گیرد که هر کدام مشخصات خاص و قدرت کاربرد خود را دارند. درک محل قرارگیری SEBS نسبت به این گزینه‌ها روشن می‌کند که چرا برای برنامه‌های کاربردی که سایر TPE‌ها کوتاه می‌آیند مشخص شده است.

این مقایسه قدرت خاص SEBS را در مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و عملکرد در دمای پایین نسبت به هزینه نشان می‌دهد، و آن را به انتخاب منطقی در هر زمان که دوام و انعطاف‌پذیری در فضای باز در محدوده‌های دمایی گسترده در اولویت قرار دارد، تبدیل می‌کند. شفافیت طبیعی و انطباق با تماس با غذا نیز آن را از TPV و TPC در کاربردهای مصرف کننده و پزشکی متمایز می کند.

انعطاف پذیری ترکیب و فرمولاسیون SEBS

یکی از با ارزش ترین خصوصیات تجاری SEBS سازگاری استثنایی آن با طیف گسترده ای از پلیمرهای پایه، نرم کننده ها، پرکننده ها و مواد افزودنی است که آن را به یکی از انعطاف پذیرترین مواد در فرمولاسیون در دسترس برای ترکیب کننده ها تبدیل می کند. این سازگاری برای مهندسی ترکیبات مبتنی بر SEBS با پروفایل‌های ویژگی دقیقاً متناسب با الزامات برنامه‌های کاربردی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترکیب پلیمر

SEBS به آسانی با پلی اولفین ها - به ویژه پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) - ترکیب می شود تا ترکیباتی با سختی، مقاومت در برابر حرارت و ویژگی های پردازشی بهتر نسبت به SEBS تمیز تولید کند. مخلوط‌های PP/SEBS از جمله پرکاربردترین خانواده‌های ترکیبات TPE هستند که مسیری مقرون‌به‌صرفه به موادی با مقادیر سختی Shore A از 40 تا 90 و دمای انحراف گرمایی مناسب برای کاربردهای داخلی خودرو ارائه می‌دهند. SEBS همچنین با پلی استایرن برای افزایش سختی و استحکام و با پلی کربنات برای تولید ترکیبات شفاف و مقاوم در برابر ضربه برای کاربردهای نوری و الکترونیک مصرفی ترکیب می شود.

اکستنشن روغن

روغن معدنی سفید (روغن فرآیند پارافینیک) رایج ترین اکستندر مورد استفاده در فرمولاسیون SEBS است. روغن به طور انتخابی بلوک میانی پلی اتیلن-بوتیلن را پلاستیک می کند، سختی را کاهش می دهد، انعطاف پذیری در دمای پایین را بهبود می بخشد و هزینه ترکیب را کاهش می دهد بدون اینکه تأثیر قابل توجهی بر مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش یا پایداری حرارتی بگذارد. ترکیبات SEBS گسترش یافته با روغن با مقادیر سختی Shore A بین 10 تا 20 در کاربردهای بسیار نرم مانند محصولات کودک، پدهای ژل پزشکی و تجهیزات درمانی استفاده می شود. بارگیری روغن بسته به سطح نرمی هدف می تواند از 50 تا بیش از 200 قسمت در هر صد لاستیک (phr) باشد که به ترکیب کننده ها محدوده تنظیم سختی بسیار گسترده ای در یک سیستم پلیمری پایه تک می دهد.

افزودنی های کاربردی

فرمول‌های SEBS طیف وسیعی از افزودنی‌های کاربردی را برای برآوردن نیازهای کاربردی خاص ترکیب می‌کنند. بسته‌های تثبیت‌کننده UV - از جمله تثبیت‌کننده‌های نور آمین مانع (HALS) و جاذب‌های UV - طول عمر خدمات در فضای باز را فراتر از مقاومت فوق‌العاده ذاتی SEBS در برابر UV افزایش می‌دهند. افزودنی های بازدارنده شعله، به ویژه سیستم های بدون هالوژن مبتنی بر تری هیدرات آلومینیوم یا هیدروکسید منیزیم، ترکیباتی را تولید می کنند که مطابق با استانداردهای UL 94 V-0 و IEC 60332 برای کاربردهای عایق سیم و کابل باشد. عوامل ضد میکروبی در درجه های تماس پزشکی و غذایی برای کاهش کلونیزاسیون میکروبی سطحی گنجانده شده اند. افزودنی های آنتی استاتیک از تجمع بار استاتیک در بسته بندی قطعات الکترونیکی و برنامه های اتاق تمیز جلوگیری می کنند.

زمینه های کاربردی عمده SEBS در سراسر صنایع

ترکیبی از ویژگی‌های ذاتی SEBS و انعطاف‌پذیری فرمول‌بندی آن باعث پذیرش آن در طیف گسترده‌ای از بازارهای مصرف نهایی شده است. در هر بخش، SEBS به الزامات عملکردی می پردازد که مواد جایگزین نمی توانند به طور موثر یا اقتصادی آن را برآورده کنند.

پزشکی و بهداشت و درمان

SEBS یکی از مواد ترجیحی برای لوله های پزشکی، اجزای سرنگ، پورت های کیسه IV، ماسک های تنفسی و سطوح تماس با بیمار است. انطباق آن با استانداردهای زیست سازگاری کلاس VI و ISO 10993 USP، همراه با شفافیت، ضدعفونی‌پذیری توسط اشعه گاما و اکسید اتیلن، و آزادی از مهاجرت نرم‌کننده - یکی از نگرانی‌های PVC - آن را به جایگزینی فزاینده برای PVC و لاستیک لاتکس در طراحی محصولات بهداشتی تبدیل کرده است. ترکیبات SEBS درجه پزشکی بدون نرم کننده های فتالات، تثبیت کننده های فلزات سنگین یا سایر مواد نگران کننده تحت چارچوب های نظارتی مانند EU REACH و FDA 21 CFR فرموله می شوند.

خودرو

در کاربردهای خودرو، ترکیبات TPE مبتنی بر SEBS برای پروفیل‌های آب‌بندی بیرونی، پانل‌های تزئینی داخلی با لمس نرم، سطوح دستگیره بیش از حد قالب‌گیری شده روی دسته‌ها و کنترل‌ها، چکمه‌های گرد و غبار، اجزای لرزش‌گیر و مهر و موم‌های زیر کاپوت که نیاز به مقاومت در برابر دمای عملیاتی بالا دارند، استفاده می‌شوند. توانایی این ماده برای قالب‌گیری مستقیم روی بسترهای پلی پروپیلن - دستیابی به چسبندگی قوی بدون پرایمر - آن را برای قالب‌گیری تزریقی دو جزئی اجزای تزئینی داخلی که هم به یک بستر ساختاری سفت و هم به یک لایه سطحی نرم و لمسی نیاز دارند، کارآمد می‌کند.

محصولات مصرفی و مراقبت شخصی

دسته‌های مسواک، دسته‌های تیغ، دستگیره‌های ظروف آشپزخانه، دستگیره‌های تجهیزات ورزشی، پستانک‌های کودک، اسباب‌بازی‌های دندان درآوردن و محفظه دستگاه‌های مراقبت شخصی از جمله فهرست گسترده‌ای از کاربردهای محصولات مصرفی با استفاده از SEBS هستند. نرمی، جذابیت لمسی، تطبیق پذیری رنگ و انطباق با مواد غذایی و مقررات ایمنی اسباب بازی - از جمله EN 71 در اروپا و ASTM F963 در آمریکای شمالی - آن را به عنوان مشخصات استاندارد برای کاربردهای مصرف کننده با لمس نرم و تماس با پوست قرار می دهد که در آن هزینه بالاتر سیلیکون قابل توجیه نیست.

عایق سیم و کابل

ترکیبات مبتنی بر SEBS به عنوان مواد عایق و پوشش برای کابل‌های برق، کابل‌های داده و کابل‌های ویژه در کاربردهایی که نیاز به عملکرد بدون هالوژن، مقاوم در برابر شعله و مقاوم در برابر UV دارند، استفاده می‌شوند. انعطاف‌پذیری این ماده در دماهای پایین، آن را برای کابل‌های مورد استفاده در تاسیسات فضای باز با آب و هوای سرد مناسب می‌کند و سازگاری آن با سیستم‌های بازدارنده شعله بدون هالوژن، از انطباق با دستورالعمل‌های محیطی مانند EU RoHS و WEEE که مواد هالوژنه را در محصولات الکتریکی و الکترونیکی محدود می‌کنند، پشتیبانی می‌کند.

چسب ها، درزگیرها و پوشش ها

SEBS یک پلیمر پایه کلیدی در چسب‌های حساس به فشار ذوب داغ (HMPSA) است، که در آن مقاومت بالا در برابر پیری آن در مقایسه با SBS مستقیماً به محصولات چسب با ماندگاری طولانی‌تر و عملکرد بهتر در فضای باز تبدیل می‌شود. چسب های مبتنی بر SEBS در برچسب ها، نوارها، ساخت محصولات بهداشتی و کاربردهای بسته بندی استفاده می شوند. در فرمول‌های درزگیر، SEBS به محصولاتی که برای لعاب‌کاری، سقف‌ها و آب‌بندی درزهای ساختمانی خارجی استفاده می‌شوند، خاصیت ارتجاعی و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش دارد.

روش های پردازش و ملاحظات طراحی برای SEBS

SEBS و ترکیبات آن را می توان با استفاده از تمام فناوری های اصلی پردازش ترموپلاستیک پردازش کرد، که یک مزیت عملی قابل توجه برای تولیدکنندگانی است که در حال حاضر زیرساخت های قالب گیری تزریقی یا اکستروژن را در اختیار دارند. هر روش پردازش الزامات خاصی را تحمیل می کند که باید در هنگام انتخاب مواد و طراحی قالب یا قالب در نظر گرفته شود.

• قالب گیری تزریقی: ترکیبات SEBS معمولاً در دمای مذاب 180 درجه سانتیگراد تا 230 درجه سانتیگراد بسته به درجه سختی و فرمولاسیون پردازش می شوند. دمای قالب بین 20 تا 40 درجه سانتیگراد معمولی است. ویسکوزیته مذاب بالای این ماده در نرخ های برشی کم نیازمند طراحی دقیق دروازه و فشار تزریق کافی برای اطمینان از پر شدن کامل حفره بدون شات های کوتاه یا نقص خط بافتنی در هندسه های پیچیده است.
• اکستروژن: اکستروژن پروفیل و اکستروژن لوله از ترکیبات SEBS از دمای مذاب 170 درجه سانتیگراد تا 220 درجه سانتیگراد با اکسترودرهای تک پیچ مجهز به پیچ های مانع یا مخلوط کن استفاده می کند. طراحی قالب باید متورم شدن قابل توجه قالب نسبت به پلی اولفین های کالا را در نظر بگیرد، که نیاز به کاهش ابعاد شکاف قالب نسبت به سطح مقطع اکسترود مورد نظر دارد.
• قالب گیری دو جزئی: ترکیبات SEBS مستقیماً به بسترهای پلی پروپیلن و پلی اتیلن در طول قالب‌گیری بیش از حد بدون نیاز به تقویت‌کننده‌های چسبندگی می‌پیوندند، مشروط بر اینکه سطح بستر تمیز باشد و پارامترهای فرآیند بهینه شده باشند تا امکان همجوشی سطحی کافی فراهم شود. چسبندگی به پلاستیک‌های مهندسی مانند ABS، PC و نایلون کمتر است و ممکن است نیاز به استفاده از ترکیبات لایه‌ای تقویت‌کننده چسبندگی یا عملیات سطحی زیرلایه داشته باشد.
• پردازش راه حل: SEBS به آسانی در حلال‌های معطر مانند تولوئن و زایلن و در حلال‌های آلیفاتیک مانند سیکلوهگزان حل می‌شود و کاربردهای پوشش بر پایه محلول، غوطه‌وری و پخش چسب را ممکن می‌سازد. ویسکوزیته محلول با تنظیم غلظت SEBS، انتخاب حلال و دما کنترل می شود و اجازه می دهد پلیمر پایه یکسان در طیف وسیعی از ضخامت پوشش و الزامات پوشش استفاده شود.

خشک کردن گلوله های ترکیبی SEBS قبل از پردازش برای گریدهای حاوی افزودنی ها یا پرکننده های رطوبت سنجی توصیه می شود، اگرچه SEBS تمیز خود حساسیت به رطوبت پایینی دارد. پیش خشک کردن در دمای 70 درجه سانتی گراد تا 80 درجه سانتی گراد به مدت 2 تا 4 ساعت در خشک کن رطوبت گیر یک روش استاندارد برای ترکیبات درجه پزشکی و نوری است که در آن نقص سطح ناشی از تبخیر رطوبت در طول پردازش غیرقابل قبول است. نگهداری مناسب SEBS در ظروف در بسته به دور از اشعه ماوراء بنفش، گرما و آلودگی، خواص و قابلیت پردازش آن را برای مدت طولانی حفظ می کند و از مدیریت موجودی کارآمد در محیط های تولیدی پشتیبانی می کند.