چه چیزی باعث می‌شود کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین هیدروژنه (SEBS) در بسیاری از صنایع بهترین انتخاب باشد؟

کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین هیدروژنه که به طور جهانی با مخفف آن SEBS شناخته می شود، یک موقعیت متمایز در چشم انداز الاستومر گرمانرم را اشغال می کند. این عملکرد نرم، الاستیک و لاستیک مانندی را ارائه می دهد که بسیاری از برنامه ها به آن نیاز دارند، در حالی که قابل پردازش در تجهیزات گرمانرم استاندارد و قابل بازیافت در پایان عمر هستند - مزایایی که لاستیک ولکانیزه معمولی نمی تواند ارائه دهد. مرحله هیدروژناسیون که SEBS را تعریف می کند - اشباع کردن پیوندهای دوگانه در بلوک میانی پیش ساز SBS آن - صرفاً یک کنجکاوی پردازش نیست. این ماده به طور اساسی پایداری حرارتی، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و دوام شیمیایی مواد را تغییر می دهد و برنامه هایی را باز می کند که SBS نمی تواند به آنها دسترسی پیدا کند. درک SEBS از معماری مولکولی آن به بیرون، پایه ای را برای انتخاب صحیح، پردازش کارآمد و ترکیب موثر آن برای اهداف عملکرد خاص فراهم می کند.

معماری مولکولی: چرا ساختار بلوک همه چیز را تعیین می کند؟

SEBS یک کوپلیمر سه بلوکی با ساختار کلی پلی استایرن - پلی (اتیلن- بوتیلن) - پلی استایرن یا S-EB-S است. دو بلوک انتهایی از پلی استایرن، یک پلیمر سخت و شیشه ای در دمای اتاق با دمای انتقال شیشه ای (Tg) در حدود 100 درجه سانتیگراد تشکیل شده اند. بلوک میانی محصول هیدروژنه بخش پلی بوتادین در پیش ساز SBS است: هیدروژناسیون پیوندهای دوگانه کربن-کربن غیر اشباع در پلی بوتادین را به واحدهای اتیلن-بوتیلن اشباع تبدیل می کند و یک بخش نرم و انعطاف پذیر تولید می کند که بسیار پایین تر از دمای اتاق به صورت لاستیکی باقی می ماند، با Tg 60- درجه سانتی گراد بسته به دمای اتاق. نسبت اتیلن به بوتیلن در بلوک میانی

خواص فیزیکی SEBS از جداسازی میکروفاز این بلوک های شیمیایی ناسازگار پدیدار می شود. در مقیاس نانومتری، بلوک‌های انتهایی پلی استایرن در حوزه‌های مجزا - کره‌ها، استوانه‌ها یا لاملاها بسته به محتوای استایرن و وزن مولکولی - در یک ماتریس پیوسته از بلوک میانی اتیلن-بوتیلن نرم جاسازی شده‌اند. این حوزه‌های پلی‌استایرن به‌عنوان پیوندهای متقاطع فیزیکی عمل می‌کنند و شبکه زنجیره‌های بلوک میانی نرم را به گونه‌ای که از نظر حرارتی قابل برگشت است، لنگر می‌اندازند: زیر Tg دامنه‌های پلی استایرن، پیوندهای عرضی سفت و سخت هستند و شبکه به‌طور الاستیکی رفتار می‌کند. بالاتر از آن دما، دامنه‌ها نرم می‌شوند، شبکه ساختار خود را از دست می‌دهد، و مواد جریان می‌یابند - امکان پردازش مذاب را فراهم می‌کند. این اساس فیزیکی رفتار الاستومر ترموپلاستیک است، و در SEBS اشباع کامل بلوک میانی، این معماری را به طور قابل توجهی از نظر حرارتی و اکسیداتیو پایدارتر از پیش ساز SBS آن می کند.

محتوای استایرن SEBS - که معمولاً از 13٪ تا 35٪ وزنی متغیر است - یکی از مهم ترین پارامترهای ترکیبی است. محتوای استایرن کمتر، نمرات نرم تر و قابل انبساط بیشتری را با ازدیاد طول بیشتر در هنگام شکست تولید می کند. محتوای استایرن بیشتر باعث تولید نمرات سخت تر با استحکام کششی بیشتر و دمای سرویس بالاتر می شود. وزن مولکولی بلوک میانی و بلوک انتهایی بیشتر تعادل بین ویسکوزیته مذاب (و در نتیجه پردازش پذیری) و خواص مکانیکی را کنترل می کند. اکثر گریدهای تجاری SEBS در فرم تمیز خود در محدوده سختی Shore A بین 35 تا 90 قرار می‌گیرند، که وقتی با روغن‌ها و پرکننده‌ها ترکیب می‌شوند، به طور قابل‌توجهی گسترش می‌یابند.

چگونه هیدروژناسیون عملکرد را در مقایسه با SBS تغییر می دهد

تمایز بین SEBS و پیش‌ساز غیرهیدروژنه آن SBS صرفاً یک موضوع نیست - این یک تغییر کیفی در چندین بعد عملکرد کلیدی است که تعیین می‌کند هر ماده چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد. پیوندهای دوگانه باقیمانده در بلوک میانی پلی بوتادین SBS، مکان‌هایی هستند که در برابر اکسیداسیون حرارتی، حمله ازن و تخریب UV آسیب‌پذیر هستند. این مکانیسم‌ها به تدریج زنجیره‌های بلوک میانی را می‌شکنند و باعث می‌شوند که مواد سخت شوند، ترک بخورند و در نهایت تحت شرایط جوی متلاشی شوند. بنابراین SBS محدود به کاربردهای داخلی یا کاربردهای کوتاه مدت است که در آن قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و ازن نگران کننده نیست.

هیدروژناسیون این مکان های آسیب پذیر را از بین می برد. بلوک میانی اتیلن-بوتیلن اشباع شده در برابر ترک های ازن، تخریب اشعه ماوراء بنفش و اکسیداسیون حرارتی به طور چشمگیری بهتر از پلی بوتادین مقاومت می کند. فرمول‌های SEBS با بسته‌های تثبیت‌کننده UV مناسب می‌توانند عمر خدمات در فضای باز را که در سال‌ها به جای هفته‌ها اندازه‌گیری می‌شود، به دست آورند - پیش نیازی برای اجزای بیرونی خودرو، پروفایل‌های آب بندی ساختمانی و کالاهای مصرفی در فضای باز. پایداری حرارتی نیز به طور قابل توجهی بهبود یافته است: SEBS خواص کششی معنی‌دار و بازیابی الاستیک را در دماهای 20 تا 30 درجه سانتی‌گراد بالاتر از درجه‌های SBS قابل مقایسه حفظ می‌کند و پنجره دمای قابل استفاده سرویس را به طور قابل توجهی گسترش می‌دهد.

خواص فیزیکی و مکانیکی کلیدی SEBS

جدول زیر محدوده ویژگی‌های معمولی برای نمرات SEBS پر نشده و تمدید نشده در سطوح سختی تجاری رایج را خلاصه می‌کند و یک مرجع عملی برای انتخاب مواد اولیه ارائه می‌کند.

یکی از ویژگی هایی که در آن SEBS به طور قابل توجهی ضعیف تر از لاستیک ولکانیزه معمولی است، مجموعه فشرده سازی است - تغییر شکل دائمی که پس از فشرده شدن یک ماده برای مدت طولانی باقی می ماند. مقادیر مجموعه فشرده سازی SEBS به طور قابل توجهی بالاتر از مقادیر EPDM ولکانیزه یا لاستیک سیلیکونی است، که استفاده از آن را در کاربردهای آب بندی استاتیک که در آن حفظ نیروی آب بندی طولانی مدت حیاتی است، محدود می کند. کاربردهای آب بندی پویا، که در آن آب بند به طور دوره ای آزاد می شود و دوباره درگیر می شود، بخشنده تر هستند. فرمول‌سازها این محدودیت را با ترکیب سیستم‌های قابل اتصال متقابل - یا از طریق اتصال عرضی تشعشعی پس از تشکیل یا از طریق ترکیب واکنشی - برطرف می‌کنند که می‌تواند مجموعه فشرده‌سازی را به مقادیر نزدیک به لاستیک معمولی کاهش دهد.

ترکیب SEBS: اکستنشن روغن، پرکننده ها و ترکیب پلیمری

SEBS منظم به ندرت بدون تغییر استفاده می شود. ارزش تجاری SEBS به عنوان یک پلیمر پایه اساساً در سازگاری آن با طیف وسیعی از اصلاح‌کننده‌ها - روغن‌های معدنی سفید، پلی پروپیلن، پلی اتیلن و پرکننده‌های مختلف - است که به فرمول‌سازها اجازه می‌دهد سختی، جریان، هزینه و ویژگی‌های عملکردی را در طیف بسیار وسیعی تنظیم کنند.

اکستنشن روغن

روغن معدنی سفید (پارافینیک یا نفتنیک) رایج ترین اصلاح کننده مورد استفاده با SEBS است. روغن به طور انتخابی بلوک میانی اتیلن-بوتیلن را متورم می‌کند، ترکیب را نرم می‌کند و سختی آن را کاهش می‌دهد بدون اینکه به یکپارچگی حوزه‌های پلی استایرن که شبکه اتصال متقابل فیزیکی را فراهم می‌کنند، آسیبی وارد کند. سطوح بارگیری روغن از 30 تا 200 قسمت در هر صد لاستیک (phr) به طور معمول استفاده می شود و سختی Shore A را از محدوده 60-70 پلیمر تمیز به مقادیر 10-30 Shore A برای کاربردهای پزشکی یا مراقبت شخصی بسیار نرم کاهش می دهد. روغن همچنین به طور قابل ملاحظه ای ویسکوزیته مذاب را کاهش می دهد و جریان را در قالب گیری تزریقی و اکستروژن بهبود می بخشد. معیار انتخاب بحرانی نوع روغن است: روغن های نفتنیک و پارافینیک با بلوک میانی EB سازگار هستند. روغن های معطر بلوک های انتهایی پلی استایرن را متورم و نرم می کنند که خواص مکانیکی و عملکرد حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

ترکیب پلی پروپیلن و پلی اتیلن

اختلاط SEBS با پلی پروپیلن (PP) یا پلی اتیلن (PE) در بارگذاری 10 تا 40 درصد، ترکیب را سفت می کند، مقاومت حرارتی را بهبود می بخشد و با افزایش مقاومت مذاب و کاهش چسبندگی که می تواند باعث چسبیدن ترکیبات SEBS خالص به سطوح قالب یا پیچ های اکسترودر شود، فرآیند پذیری را به طور چشمگیری بهبود می بخشد. PP پلیمر سفت کننده ترجیحی است زیرا دمای سرویس بالاتر آن مکمل حد سرویس بالای SEBS است. همچنین مقاومت ترکیب را در برابر خزش تحت بار پایدار بهبود می بخشد. مخلوط‌های SEBS/PP به‌دست‌آمده بسته به ترکیب، مورفولوژی فاز پیوسته یا پراکنده را نشان می‌دهند، با PP که به استحکام کمک می‌کند و SEBS بازیابی الاستیک را فراهم می‌کند. این ترکیبات اساس بسیاری از ترکیبات تجاری TPE-S هستند که در قطعات لمسی نرم خودرو، دسته ابزار و کاربردهای بیش از حد قالب گیری استفاده می شوند.

پرکننده ها

کربنات کلسیم، تالک، سیلیس و کربن سیاه برای کاهش هزینه، تنظیم وزن مخصوص و در برخی موارد اصلاح ویژگی عملکردی در ترکیبات SEBS گنجانده شده است. کربنات کلسیم در بارگیری 20 تا 50 درصد هزینه ترکیب را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و کمترین تأثیر را بر نرمی یا پردازش پذیری دارد. بارگیری سیلیس در 10 تا 30 درصد استحکام پارگی و مقاومت در برابر سایش را بهبود می بخشد، خواص مربوط به کاربردهای زیره میانی و زیره کفش. کربن سیاه غربالگری UV و عملکرد ضد الکتریسیته ساکن را فراهم می کند اما ترکیب را به رنگ سیاه محدود می کند. برخلاف لاستیک، SEBS برای دستیابی به خواص مکانیکی کافی نیازی به پرکننده‌های تقویت‌کننده ندارد - افزودنی‌های پرکننده به جای هر گونه نیاز ساختاری، بر اساس نیازهای هزینه و عملکرد انجام می‌شوند.

روش های پردازش و ملاحظات عملی

SEBS و ترکیبات آن بر روی تجهیزات گرمانرم معمولی - ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی، اکسترودرها و تجهیزات قالب‌گیری دمشی - بدون نیاز به کوره‌های ولکانیزاسیون، قالب‌هایی با گرمایش بخار یا زیرساخت‌های پخت مورد نیاز برای پردازش لاستیک پردازش می‌شوند. این نشان دهنده مزیت هزینه پردازش قابل توجهی نسبت به لاستیک ترموست است. با این حال، SEBS دارای ویژگی های پردازش خاصی است که برای دستیابی به کیفیت قطعه خوب باید رعایت شود.

• دمای ذوب: ترکیبات SEBS بسته به فرمولاسیون به دمای ذوب 180-240 درجه سانتیگراد نیاز دارند. بیش از 250 درجه سانتیگراد برای زمان های طولانی مدت می تواند باعث تخریب حرارتی بلوک های انتهایی پلی استایرن و تغییر رنگ شود. گریدهای تمیز SEBS بدون ترکیب PP، ویسکوزیته مذاب نسبتاً بالایی دارند و ممکن است برای دستیابی به جریان کافی، به ویژه در قطعات قالب‌گیری شده با دیواره نازک، به دمای پردازش در انتهای بالایی این محدوده نیاز داشته باشند.
• خشک کردن: SEBS به خودی خود بسیار رطوبت سنجی نیست، اما ترکیبات حاوی روغن یا پرکننده می توانند رطوبت کافی را در طول ذخیره سازی جذب کنند و باعث ایجاد عیوب سطحی (علامت های لکه گیری، حفره ها) در قطعات قالب گیری تزریقی شوند. برای ترکیباتی که در معرض شرایط مرطوب قرار گرفته اند، پیش خشک کردن در دمای 70 تا 80 درجه سانتی گراد به مدت 2 تا 4 ساعت توصیه می شود.
• طراحی پیچ: یک پیچ همه منظوره با نسبت تراکم 2.5:1 تا 3:1 برای اکثر ترکیبات SEBS مناسب است. اگر گلوله‌ها چسبنده باشند، ترکیبات بسیار نرم و با محتوای روغن بالا می‌توانند پل زدن ناحیه تغذیه را نشان دهند - سرد کردن گلوگاه تغذیه اکسترودر یا بشکه قالب‌گیری تزریقی تا دمای زیر 30 درجه سانتی‌گراد و استفاده از گلوله‌های ضد بلوک این مشکل را کاهش می‌دهد.
• سازگاری بیش از حد قالب گیری: ترکیبات SEBS به دلیل سازگاری شیمیایی بین سطح میانی بلوک EB و سطوح پلی اولفین، به خوبی بر روی بسترهای PP و PE قالب گیری می کنند. چسبندگی به ABS، PC و نایلون بدون افزودن سازگارکننده خاص یا عملیات سطحی زیرلایه ضعیف است. این امر SEBS را به گزینه ای طبیعی برای قالب گیری بیش از حد برای دستگیره ها، درپوش ها و محفظه های پلی الفین تبدیل می کند، اما استفاده از آن را در قطعات چند جزئی با زیرلایه های ترموپلاستیک مهندسی محدود می کند.

زمینه های کاربردی اصلی و چرایی SEBS مشخص شده است

ترکیب SEBS از مقاومت در برابر هوا، گزینه‌های سازگاری زیستی، محدوده سختی گسترده و قابلیت پردازش ترموپلاستیک، آن را در مجموعه‌ای از بازارهای بسیار گسترده قرار می‌دهد. در زیر بخش‌های اصلی برنامه و الزامات عملکرد خاصی که SEBS در هر کدام برآورده می‌کند، آمده است.

• تجهیزات پزشکی و بهداشتی: گریدهای SEBS با کلاس VI و ISO 10993 USP برای لوله‌ها، درپوش‌ها، دستگیره‌های ابزار جراحی، اجزای کاتتر و محفظه دستگاه‌های پوشیدنی استفاده می‌شوند. سازگاری زیستی SEBS، مقاومت در برابر روش‌های استریل‌سازی استاندارد (گاما، EtO - البته نه اتوکلاو بخار در دمای 121 درجه سانتی‌گراد برای چرخه‌های طولانی‌مدت)، و آزادی از نرم‌کننده‌ها، آن را به جایگزینی مطلوب برای PVC در کاربردهای تماسی تبدیل کرده است. عدم وجود نرم کننده های فتالات، که در PVC انعطاف پذیر وجود دارند و با محدودیت های نظارتی فزاینده در سطح جهانی مواجه هستند، یک محرک انتخاب قابل توجه است.
• نمای داخلی و خارجی خودرو: پوسته های صفحه ابزار با لمس نرم، آب بند، مهر و موم های بدنه، بوش های ارتعاشی و پایه های لرزشگیر از ترکیبات SEBS، به ویژه ترکیبات SEBS/PP استفاده می کنند که مقاومت حرارتی مورد نیاز برای محیط های داخلی خودرو (سرویس طولانی مدت در دمای 85 تا 100 درجه سانتی گراد) را با نرمی لمسی و مقاومت در برابر خراش ترکیب می کنند. کاربردهای بیرونی از پایداری اشعه ماوراء بنفش SEBS پس از افزودن تثبیت کننده مناسب بهره می برند.
• کالاهای مصرفی و مراقبت شخصی: دسته‌های مسواک، درج‌های تیغ، اجزای بسته‌بندی لوازم آرایشی و دستگیره‌های ابزار خانگی از ترکیبات نرم SEBS برای راحتی لمسی، رنگ‌پذیری و مقاومت شیمیایی در برابر سورفکتانت‌ها، الکل‌ها و عطرهای موجود در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌کنند. SEBS غیر سمی، عاری از BPA و فتالات است و در شرایط استفاده معمولی هیچ ماده قابل استخراجی تولید نمی کند که نگران کننده سم شناسی باشد.
• چسب ها و درزگیرها: SEBS یک پلیمر پایه اولیه در چسب های حساس به فشار ذوب داغ (HMPSAs) برای برچسب ها، نوارها و فیلم های محافظ است. سازگاری آن با رزین‌های چسبنده (رزین‌های هیدروکربن هیدروژنه و استرهای رزین) و رقیق‌کننده‌های روغن معدنی به فرمول‌سازان اجازه می‌دهد تا چسب‌هایی با استحکام پوستی دقیق، چسبندگی و مقاومت برشی در طیف وسیعی از دمای خدمات تولید کنند. بلوک میانی هیدروژنه همچنین پایداری فوق‌العاده‌ای در لایه‌های چسبنده در برابر نور UV ایجاد می‌کند که در طول عمر محصول در معرض نور قرار می‌گیرند.
• روکش سیم و کابل: ترکیبات مبتنی بر SEBS به عنوان روکش کابل های انعطاف پذیر و پایدار در برابر اشعه ماوراء بنفش برای کابل های برق، داده و کنترل در فضای باز استفاده می شود. ترکیب بدون هالوژن آنها الزامات کم دود و هالوژن صفر (LSZH) را برای نصب در فضاهای محدود مانند تونل ها و ساختمان های عمومی برآورده می کند، جایی که مواد کابلی هالوژنه گازهای احتراق سمی در یک رویداد آتش سوزی تولید می کنند.

وضعیت نظارتی و ملاحظات پایداری

SEBS موقعیت نظارتی مطلوبی را در چارچوب های متعدد اشغال می کند. این ماده در 21 مقررات CFR FDA برای کاربردهای تماس با مواد غذایی در صورت ترکیب مناسب ذکر شده است، و امکان استفاده از آن را در مهر و موم بسته بندی مواد غذایی، درب ها و واشرها بدون پیچیدگی نظارتی مرتبط با سیستم های ولکانیزاسیون PVC یا لاستیکی می دهد. سازمان ایمنی غذای اروپا (EFSA) به طور مشابه، ترکیبات مبتنی بر SEBS را برای کاربردهای تماس با مواد غذایی تحت مقررات (EC) شماره 10/2011 در مورد مواد پلاستیکی در نظر گرفته شده برای تماس با غذا به رسمیت می شناسد.

از منظر پایداری، SEBS مزایای واقعی نسبت به لاستیک گرماسخت ارائه می‌کند: کاملاً ترموپلاستیک است و می‌توان آن را مجدداً آسیاب کرد و در پایان عمر دوباره پردازش کرد، ضایعات تولیدی قابل بازیافت است و نیازی به مرحله ولکانیزاسیون پر انرژی که پردازش لاستیک گرماسخت نیاز دارد، ندارد. عدم وجود محصولات جانبی ولکانیزه گوگرد و کمک های پردازش (شتاب دهنده ها، فعال کننده ها) قابلیت بازیافت محصولات حاوی SEBS را در مقایسه با معادل های لاستیکی ساده می کند. از آنجایی که فشار نظارتی و مصرف کننده بر روی پلیمرهای هالوژنه، مواد حاوی فتالات و ترموست های غیرقابل بازیافت در سطح جهانی تشدید می شود، شیمی تمیز و قابلیت بازیافت ترموپلاستیک SEBS آن را به عنوان یک پلت فرم مواد با مسیر نظارتی و پایداری طولانی مدت مطلوب قرار می دهد.