维普资讯 http://www.cqvip.com 第14卷第3期 现代塑料加工应用 Modem Plastics Processing and Applications 2002年6月 动态全硫化共混型热塑性弹性体的研究进展 田立斌 张金悦 (天津轻工业学院,300222) 摘要:阐述了动态全硫化共混型热塑性弹性体(TPV)的发展历史、微观形态结构及其形成机理、制备技术、主要的品种及其加工 和应用。 关键词: 共混 动态全硫化 热塑性弹性体 通过橡胶与树脂共混而制造共混型热塑性弹 性体(TPE)是橡塑并用技术的重大发展,其主要经 历了3个阶段,从简单的机械共混发展到动态部分 硫化共混,再发展到动态全硫化共混_1 J。特别是动 态全硫化技术的出现,使热塑性弹性体在理论上、加 工工艺上和性能上都有新的突破,引起了国内外的 广泛关注。本文收集了国内外的广泛资料,就动态 全硫化共混型热塑性弹性体(TPV)的发展历史、微 观形态结构及其形成机理、制备技术、主要的品种及 其加工应用作了深入阐述。 1 动态全硫化技术及其发展历史 强度和稳定的形态,这对加工极为有利;另一方面, 橡胶粒子的充分交联有利于提高TPV的强度、弹 性、耐热、耐油以及改善压缩永久变形等性能。这种 动态全硫化技术是由Coran等_5 J首先提出来的。 1975--1985年,他对橡塑共混动态全硫化体系进行 了深入的研究。1977年,Abdou等使用酚醛树脂类 硫化剂,采用动态全硫化法对EPDM/PP共混体系 进行了研究。到1981年,美国的Monsanto公司首 先用动态全硫化法工业化生产出EPDM/PP的 TPV,商品名为Santoprene_6 J。随后许多国家的类 似产品也开始生产。目前,国外就TPV已从理论研 究转向应用开发,重点趋向于开发低硬度品级、新制 备工艺、加工方法以及扩大生产规模和拓展应用范 围等[7l。 近年来,国内的很多学者也在进行TPV的研究 工作。尽管国家科委对TPV的应用开发非常重视, 动态全硫化是指在高温度场和高剪切场的混合 器中将橡胶和树脂熔融共混,在交联剂的作用下橡 胶原位硫化,并细微地分散于树脂中形成稳定的分 散体系_2]。根据橡胶组分的交联程度,动态硫化法 又有部分动态硫化和动态全硫化之分。 1962年, sSle 3i首先提出了动态部分硫化的 概念,后经美国的Uniroyal公司的Fisher_4 系统研 究后,该公司即于1972年建成了工业化生产装置。 动态部分硫化TPE的橡胶组分经硫化后有少量交 并将TPV的工业化生产列入了国家的“863”计划, 但迄今为止,TPV在我国仍处于研究开发阶段,尚 无任何TPV品种实现工业化生产_8 J。 2 TPV的微观形态结构及其形成机理 联结构存在,因此此种TPE的压缩永久变形和耐热 性比简单机械共混物要好。但是当橡胶组分含量大 于50份(质量份,下同)时,就会形成连续相,树脂成 如前所述,TPV材料在微观上呈现独特的海一 岛相态结构,即使橡胶含量较多,但充分交联了的橡 胶仍会以颗粒状分散于树脂基体中,呈分散相。但 是因配方和制备工艺不同,这种海一岛结构也可能 为分散相,因而TPE会随橡胶含量的增大而大大降 低热塑性流动性。因此,TPE中橡胶含量不能太 多,工业化的TPE硬度仍相当高,橡胶感不强。 动态全硫化制得的TPV则具有独特的相形态, 出现不同的情况。例如,在制备工艺一定的条件下, 橡塑比越高,橡胶粒子所占的体积越大,不同的橡胶 粒子间联系也就越紧密。当橡塑比高到一定程度 收稿日期:2001—12—02。 它使共混体系中的橡胶组分完全硫化成橡胶颗粒, 并且均匀分散在树脂基体中,即使橡胶含量大于50 份,组分仍呈分散相。TPV中由于橡胶相已充分交 联,一方面橡胶粒子在加工温度下仍能保持足够的 作者简介:田立斌,现为天津轻工业学院化工系高分子材料与 工程专业在读硕士研究生。研究方向为高分子材料共混与复合。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・56・ 现代塑料加工应用 第l4卷第3期 时,不同橡胶粒子间易发生聚集,体系中可能出现不 同结构层次的胶粒聚集网络。在配方相同的条件 下,若采用不同的混炼设备,TPV的形态结构也会 受到一定的影响。如由于双螺杆挤出机能提供较开 炼机和密炼机大得多的剪切力,因而相应TPV中的 式中:A,B为可求的实验常数。 S、V、F又与制备TPV中使用的混炼设备、橡 塑组分的选择与匹配以及共混工艺等因素有关,此 外硫化体系的选择和增容技术也是制备高性能 TPV的关键。以下就从这几个方面分而述之。 3.1 混炼设备 橡胶粒子就要小得多。除此外,树脂相的特性、填 料、软化剂、硫化体系等都对TPV的形态结构有 影,g E91。 用于制造TPV的共混设备主要有:开炼机、密 炼机和双螺杆挤出机。为使树脂熔融和橡胶产生硫 化,共混设备必须提供可控制的最佳温度场,也就是 既要保证物料在混炼中有足够的流动性,同时又要 TPV的海一岛相态结构形成机理【 J可概括如 下:TPV在制备过程中,共混体系中的橡胶在交联 剂的作用下发生硫化反应,由于硫化是在共混过程 避免不必要的氧化降解。另外由(1)式可知,剪切速 率(S)提高,分散相粒径可以大大减小。较开炼机 和密炼机而言,双螺杆挤出机的最大优点就是能够 中进行的,发生硫化的橡胶不能像静态硫化那样形 成整体的橡胶型网络结构,而会因机械剪切力的作 用使硫化形成的体型网络遭到破坏,使交联程度很 深的橡胶被打碎成非常小的粒子。但这些小粒子内 部仍是交联网络结构,橡胶分子链间因化学键的生 成而大大加强了作用力,相对滑移受到,橡胶组 分的流动性大大下降。同时橡胶粒子中交联的弹性 网络因剪切应力的作用而被迫呈伸直状态。而没有 提供可控制的最佳温度场以及更高的剪切、混合作 用,因此采用双螺杆挤出机制备的TPV具有更好的 综合性能。 3.2橡塑组分的选择与匹配 根据(1)式,体系表观粘度是影响分散相粒子半 径的重要因素。因此制备TPV时应选用较高粘度 的树脂。Coran等 J曾用9种树脂(如PC、PBT、 PMMA、 6 等)及11种橡胶(如BR、IIR、NR、CPE 发生硫化的塑相分子却有自由运动的性,分子 间能发生相对滑移,有很好的流动性。当温度降低, 剪切力消失时,交联分子进行弹性恢复,使橡胶粒子 发生收缩、凝聚,从而使本就因交联而导致其流动性 大大降低的橡胶以颗粒的形式冻结在树脂基体中, 呈分散相。这样就形成了以树脂为海相,以全硫化 等)进行了制备TPV的试验。试验表明,当橡胶与 树脂的表面能相当,橡胶的缠结密度高,树脂为结晶 态时,均可制得性能较好的TPV。另外,Patel[15]对 EPDM、EVA、NBR 3种橡胶与PP、PS、 及PA 4 橡胶粒子为岛相的海一岛结构。 G梁善杰等【11 J在研究动态硫化NBR/PVC的 基础上,还提出了TPV的结构模型。他指出,TPV 种树脂进行组合制备TPV。结果指出,力学性能与 弹性恢复随橡胶与树脂的临界表面能的相似性增大 而增大,也随树脂的结晶度增大而增大。由此看来, 要制得性能优良的TPV材料,应选用具有较高结晶 的结构呈现庞大的“协同网络”形式,在该“协同网 络”内,各种强弱不同的交联网络同时存在,各网络 之间有良好的协同作用,从而赋予TPV优异的性 能。该模型的提出,对发展TPV有重要的意义。 3 TPV的制备技术 度(Wc)的树脂(如PP、PE等),并尽量减小橡胶与 树脂的临界湿润表面张力之差(△), ),以增大两者 之间临界表面张力的相似性。 3.3共混工艺 制备TPV时,一般都采用母料法共混工艺,即 先将少量树脂与全部橡胶进行动态硫化制成母料, 然后再将母料与其余树脂共混。较一步法相比,一 方面,母料法能有效地部分抑制动态硫化中树脂的 Coran等【l2 J人指出,在TPV的制备中,分散相 粒子半径(R),即硫化橡胶颗粒的大小是影响材料 加工和力学性能的重要因素。因此,制备此类材料 的技术关键是形态结构的控制方法、条件和手段。 张中岳l J在研究EPDM/PP TPV的分散相粒径变 化规律时指出,分散相粒子半径(R)同剪切速率 (S)、体系表观粘度(V)及分散相体积分数(F)组成 的综合因子SV/F有如下关系: 尺一1=A・SV/F+B (1) 降解;另一方面,母料法能提高橡胶的交联程度,减 少交联橡胶颗粒粒径,提高其粒度均匀性和在树脂 中的分布均匀性,使TPV的综合性能提高[16]。 在制造较软品级的TPV时,由于要求其中橡胶 组分含量(F)较高,由(1)式可知,F的提高势必加 大分散相粒径尺,影响材料的性能。为此,可采用2 次共混法_1 ,即首先在橡塑比较小的情况下进行动 维普资讯 http://www.cqvip.com 田立斌等.动态全硫化共混型热塑性弹性体的研究进展 ・57・ 态硫化,然后再补加一定量橡胶进行第2次动态硫 化,以较少每次共混时的分散相体积分数(F),促进 橡胶相的分散。 3.4硫化体系 4主要的TPV品种及其加工、应用 4.1热塑性乙丙橡胶 热塑性乙丙橡胶中研究最多也是开发最成功的 是EPDM/PP TPV。这是因为EPDM和PP的分子 结构、极性、溶解度参数相近,二者相容性较好,不需 进行增容处理就能很好地共混。工业化的EPDM/ PP TPV由美国的Monsanto公司于1981年首先生 动态硫化技术的关键之一是硫化体系的选择。 谢忠麟[ ]指出,TPv常用的硫化体系主要有3大 类:硫磺/促进剂、过氧化物或过氧化物/助交联剂以 及烷基酚醛树脂。 硫磺硫化体系中硫磺的成本低廉,来源丰富,但 其硫化速度慢,硫化时间长,硫磺用量较多,易形成 不稳定的多硫键,且挤出物的外观质量不好,材料有 一产出来,其商品名为Santoprene。它共有7个硬度 品级(邵氏A型硬度55、64、73、80、87,邵氏D型硬 度40、50)[ 。荷兰DSM公司[23]于1987也推出了 EPDM/PP TPV。日本也实现了该产品的工业化生 定异味,不适合用作商业推广。 用过氧化物进行动态交联,所得的交联键为稳 产。此后有关EPDM/PP TPV的报道就层出不穷, 如美国的AES公司最新开发出了Santoprene 8000 定的C-一C网络结构,因此制品具有耐老化、耐热 油、抗压缩永久变形以及电绝缘性能好等许多优点。 但是它在橡胶中的交联反应按自由基机理进行,有 促进树脂裂解的作用[ ],因此加工过程中工艺较难 控制。 橡胶系列,它具有更易于着色、非吸湿性、更高流动 性、低杂质、低摩擦系数、低接触污染性等优点(1990 年Monsanto下属的化学公司将其工程用TPE部门 与艾克森化学公司合并,成立了AES公司,Santo— prene也成为了该公司的产品商标)。我国的殷敬 华[24]和朱玉俊[25]分别于1985年和1992年制备出 酚醛树脂硫化体系仅对双键起作用,对树脂的 影响较小[20],可兼顾加工和力学性能,具有综合优 势,交联效果较佳。 表l中列出文献[21]中一些TPV的硫化体系和 共混温度。 表1 几种TPV的硫化体系和共混温度 了EPDM/PP TPv,并申请了专利。 EPDM/PP TPV具有高强度、耐老化、耐油等 特点,除此外它还具有良好的加工流动性,因此可采 用注塑、挤出、吹塑及模压等方法加工成型。美国的 Monsanto公司开发的Santoprene的加工技术有:复 合胶管[26]、吹塑成型[27]、挤出发泡成型[28]及真空 片料成型[29 J。日本开发的EPDM/PP TPV成型加 工技术[3o]主要有:注射成型及挤出异型材。 EPDM/PP TPV的应用领域极为广泛。它可 共混物 (蓑鋈 ) 啪 P NBR/rg龙6、 66 Vamac/rg龙6、66 硫化体系 s l5器’ 18 90 SP 1045 1.3份, 防老剂124 2份 MgO1.1份 1‘ “ 1 ‘ 1Qn ”” 。 65/35 45/55 50/50 用于汽车中的净化空气通风管、车顶盖等部件,建筑 工业中的玻璃窗密封条、膨胀接头等,电子电气工业 中的矿山电缆、马达轴、电池壳、变压器外壳、终端接 头等。除此外它还可应用于医疗及机械领域。 4.2热塑性丁腈橡胶 PU/rg龙6、 66、610 HVA一2 1份, Luperso卜L101 0 5份 毳醚警 伲 。龙、6 666、 10 。 剂D 份,M酸 : 1 警’硫磺 份 0 秀1 4 70-180注:表中SP 1045为叔丁基苯酚甲醛树脂;HVA一2为间苯撑双 马来酰亚胺;Lupersol L一101为2,5一二甲基一2,5二(叔丁基过 氧)己烷;Vamac为乙烯/iN烯酸酯弹性体(美国Du Pont公司产品)。 热塑性丁腈橡胶中最常见的是NBR/PVC TPv和NBR/PP TPV。NBR与PVC的溶解度参 3.5增容技术 数相近,根据热力学相容原理,NBR/PVC体系能自 动相容。1985年,日本的Zeon公司首先实现了 NBR/PVC TPV的工业化生产,其商品名为Elas— 在制备树脂和橡胶不相容或相容性较差的 rrPV时,添加少量对橡胶和树脂有增容作用的相容 剂可获得综合性能优良的TPV材料[22]。例如,刘 拥政等 J在制备NBR/PP时分别用CPE、高氯化 CPE、MP(马来酸酐接枝PP)、CPP(氯化聚丙烯)作 为相容剂,发现CPP为相容剂的共混体系经过动态 全硫化后具有优良的耐热、耐油及其他综合性能。 tar。它共有普通、耐热、耐油、非抽出4种品级10 个牌号。Elastar的所有产品均可采用挤出、注塑、 吹塑等加工方法成型,具有弹性高、永久变性小、高 温下耐油、耐老化、耐臭氧、耐化学药品等优点[0 。 Elastar产品可广泛应用作汽车雨刮器、波纹 维普资讯 http://www.cqvip.com ・58・ 现代塑料加工应用 第14卷第3期 管、胶管、电线电缆、护套、弹性膜、垫件、缓冲件、密 封件等,特别适用对于耐热和耐油性能要求苛刻的 环境[32 3 粱善杰等.动态硫化法TPE的结构探讨 中国塑料,1991,5 (3):59 Coran A Y.Rubber Chemical Technology,1980,53:141 与NBR/PVC体系相比,NBR与PP的相容性 则很差,直接共混所得材料无实用价值。1983年, 美国的Coran等[ ]用相容剂法制成了具有工艺相 容性和优异耐热油性能的NBR/PP rrPV,这种商品 名为Geolast的材料中采用马来酸酐接枝聚丙烯 (MPP)为相容剂,并同时加入了胺类和液体的端羧 基NBR。此产品已在某些耐热油制品中应用并有 Zhang Zhongyue,Qiao Jinliang.Polym Eng Sci,1991,31:1 553 Coran A Y.Elastomerics,1985,117(10):19 Patel Kautschuk Gummi.Kunststoffe,1984,37(2):127 吴唯,李远.动态硫化EPDM/PP性能对共混工艺的依赖及其机 理研究.中国塑料,1999,13(1):22 EP,109 375 谢忠麟.动态硫化共混型热塑性弹性体的开发与应用.合成橡 胶工业,1990,13(3):151 Chang Stk Ha,Sung Chu Kim.J Appl Polym Sci,1987,37:317 取代传统NBR硫化胶的趋势。 除上述几种rrPV外,国内外处于研究开发中的 沈宁祥,袁晓燕等叔丁基酚醛树脂在PP/EPDM合金中的作用 研究.中国塑料,1997,11(3):29 Coran A Y.New Developments and Technology.Handbook of E— lastomers.1988.249 rrPV还有热塑性顺丁橡胶如BR/PP、BR佃PE,热 塑性天然橡胶如NR/PP,热塑性丁苯橡胶如SBR/ PVC、SRR/PP,热塑性氯丁橡胶如CR/PVC以及特 u H 悸 加 种共混型TPV[34]如CPE/FlA、CSM(氯磺化聚乙 烯)/FlA等。 参考文献 现代塑料 1 刘拥政等NBR/PP共混型热塑性弹性体材料的研究加工应用,1996,8(6):11 Coran A Y.Rubber Chemical Technology,1983,56(5):1045 勰 .橡胶译丛,1990,(6):∞ Legge N R热塑性弹性体的三十年进展 78 弘 殷敬华.乙丙橡胶/聚丙烯热塑性弹性体及制备方法.中国,ZL, 85 102 222 X.1988 朱玉俊.乙丙橡胶/聚烯烃热塑性弹性体及制备方法.中国,ZL, 91 09 976 X.1994 2王济奎等.动态硫化制备NBR/PVC合金及其在汽车上的应用. 工程塑料应用,1998,26(1):18 3 Gessler.USP,3 037 954,1962 4 Fisher.USP,3 758 643,1973 5 Coran A Y.USP,4 130 535,1978 6 Choudhury N R,Bhowmick A K.Strength of thermoplastic els—a Vander J P.The effcte of fumed silia icn RTV—l silicone rubber sealants.RubberWorld,1985.192(5):32 Rander C P.The appliaticon of santoprene by blow molding pro— cessig tnechnology.Rubber Plastic Views,1985,15(2):32 Menoogh J.FoamigTPE.RubbnerWorld,1986,195(3):12 Peteson D E,Weider B K.Vacuum thermoformig ofn thermoplastic tomers from rubberpolyolefin blends.Journal of Materials Science, vulcanizates.Plastic Engineerig,1986,42(9):n49 Chod R.STPE production and USe in the 1990s.Rubber World, 1990,25(1):161 7肖汉文,黄世强等.EPDM/PP热塑性弹性体的新进展.特种橡胶 制品,1999,20(4):23 1990,201(6):15 Legge N R.Thermoplastics elastomers three decades of progress 8孙亚娟,张美珍等.EPDM/PP热塑性动态硫化胶的进展.合成橡 胶工业,2001,24(1):46 Rubber Chemical Technology,1989,62(3):529 孙文源,刘彦驹.用动态硫化法制备丁腈橡胶僳氯乙烯共混型 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Keywords:blending;fully dynamic vulcanization;thermoplastic elastomer