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慧正資訊：眾所周知，熱塑性彈性體（TPE）具有優異的機械性能、耐磨性和低溫柔韌性，廣泛用于運動休閑、微電子、機械制造、汽車、電氣工程和醫療技術等領域。
大規模生產和加工的標準熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體通常相對較硬，其硬度一般處于邵氏硬度A 80至邵氏硬度D 45之間。采用此類彈性體制成的組件通常略帶粗糙的橡膠觸感。但是，對于消費者經常觸摸或直接戴在身上的物品來說，良好的觸感是一項至關重要的特性。
“但是，市面上柔軟TPU產品的數量非常有限。”瓦克有機硅塑料與涂料技術營銷人員Peter Randel博士表示，“柔軟TPU的生產難度很大。很多情況下，這類產品都含有增塑劑，而增塑劑會從TPU中遷移出來，污染其他物體。”
因此，塑料生產商和配混廠商正在想方設法生產出更加柔軟的TPU，使TPU具備消費者所需要的觸感，同時不明顯影響塑料的其他特性，并最終為TPU開辟全新的應用領域。為了實現這一目標，較為簡單的途徑之一是借助瓦克新型有機硅添加劑GENIOPLAST® Pellet 345？—— 瓦克在2019年國際塑料及橡膠展（2019年K展）上面向專業受眾推出了該產品。
絲般柔滑干爽
一款產品的外觀和觸感通常會對消費者的選購起到決定性影響。“如今，觸感柔軟的表面大受歡迎。” Randel解釋道，“有些表面摸上去絲般柔滑干爽，手感非常舒適。”除了汽車內飾用塑料需要手感柔滑的表面，消費者也希望更多應用能夠具備這種絲般柔滑的觸感，例如智能手機外殼和可穿戴設備。可穿戴設備是穿戴在人們身上的微型計算機，并與智能手機等設備相連，可記錄、整合和評估用戶的活動數據。常見的可穿戴設備包括活動追蹤器、健身腕帶和智能手表。
用戶通常將這類微型計算機作為配飾戴在手臂上。可穿戴設備的外殼和腕帶不僅要具備足夠的堅固度和彈性來保護昂貴的設備，同時還必須擁有消費者期望的時尚外觀和柔軟觸感。
彈性更大
為了滿足塑料行業的需求，瓦克決定開發一款有機硅添加劑，用以降低聚氨酯彈性體（TPU）的硬度和表面摩擦力，同時提升其彈性，從而使得改性后的TPU具備更加優異的功能和觸感，滿足消費者更高的期望。
眾所周知，有機硅添加劑具有減小摩擦力的效果，自20世紀70年代便開始應用于塑料行業。不過，將傳統有機硅作為添加劑大量用于TPE卻并非易事。
“有機硅通常為非極性材料，而聚氨酯則是極性材料。”瓦克有機硅博格豪森應用實驗室負責人Oliver Sch？fer博士解釋道。因此，這兩種材料并不相容。如果將有機硅和聚氨酯相混合，就會得到雙相聚合物混合料。有機硅會以柔軟的島狀分散在整個堅硬的聚氨酯基體內。由于二者不相容，我們很難將傳統有機硅添加至聚氨酯基體中 —— 這是有機硅添加劑在實際應用中的一大障礙。
因此，瓦克研究人員嘗試通過添加極性基團來提高有機硅與聚氨酯的相容性。這一方法基于以下設想：經過極性基團改性的有機硅應該能與聚氨酯產生更強烈的反應，從而在聚氨酯基體內實現更好的分散效果，有機硅與聚氨酯之間可以形成穩定的化學鍵。
有機硅共聚物
瓦克研究人員開發出了一種極性改性有機硅共聚物，該共聚物由柔軟、有彈性的有機硅片段和官能極性有機聚合物片段構成。共聚物片段的數量和分子量已根據最終產品的所需性能進行優化，同時確保有機硅共聚物易于加工。新型添加劑GENIOPLAST® Pellet 345由此開發而成。憑借該產品，瓦克化學股份有限公司進一步擴大了旗下熱塑性塑料配混用有機硅高性能添加劑產品組合。
“不同于傳統有機硅彈性體，我們的新型改性有機硅并不是化學交聯，而是物理交聯。”Sch？fer強調道。該款有機硅共聚物的分子相互接觸，各片段之間形成非共價鍵，將分子牢牢地結合在一起。不過，非共價鍵的結合要比化學交聯更弱，因而可以系統地通過加熱被破壞，但在冷卻后又會重新結合。得益于此，上述新型添加劑可以進行熱塑性加工。該添加劑在Sch？fer博士的應用實驗室內接受了廣泛的測試。除了測試添加劑的加工性能外，測試的重點是添加劑的功效：該添加劑能以所需要的方式改變塑料的技術性能嗎？它對觸覺特性有哪些影響？可能會有哪些副作用？測試結果證明，研究人員提出的方法具有可行性。
透射電子顯微鏡圖像顯示，該新型添加劑能夠均勻且精細地在整個聚氨酯基體內部分散 —— 這表明有機硅與聚氨酯基體的相容性得到了改善。該添加劑在聚氨酯基體中的粒徑為200至400納米。如果將傳統有機硅添加至熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）中，形成的有機硅顆粒會明顯更大。
“由于GENIOPLAST® Pellet 345與極性TPU基體高度相容并具有熱塑性，因此幾乎無需更多投入即可輕松加工。”Sch？fer解釋說。該有機硅添加劑和TPU均以粒料形式供貨，可以采用熱塑性塑料配混用傳統雙螺桿擠出機將其熔融在一起。與其他基于傳統有機硅的改性技術不同，瓦克新型有機硅產品在添加至聚氨酯基體中時，既不需要專用設備，也不需要特殊的工藝工程措施。
聚氨酯試件
為了測試新型添加劑的效果，瓦克技術人員制作了TPE試件，在試件中添加了不同劑量的GENIOPLAST® Pellet 345。測試所采用的聚氨酯均為商用TPU產品，硬度在邵氏A 70至90之間，拉伸強度在25至50兆帕之間。
測試結果表明，該添加劑的用量對于最終效果有極大的影響。添加少量（最多約10%）添加劑時，受影響的主要是聚氨酯的表面性能，對硬度、強度和彈性影響有限。例如，添加少量添加劑可減小聚氨酯表面的動摩擦系數（DCoF值），同時提高耐磨性和耐刮擦性。按照ISO 4649 A進行的耐磨性測試顯示，添加5%的GENIOPLAST® Pellet 345時，受磨損材料數量平均減少了約60%。
這些經過提升的表面性能可對智能手機外殼等許多應用產生正面影響。大部分用戶將手機放在口袋里，每天都要幾十次地掏出手機。如果保護殼的耐磨性和耐刮擦性極為出眾，其表面能長久保持良好的外觀。此外，如果表面摩擦力較低則可消除保護殼表面類似橡膠的質感，從而使其具有舒適的觸感。當添加劑用量達到約10%時，即可明顯改變聚氨酯的機械性能和硬度。添加的GENIOPLAST® Pellet 345越多，TPU便越柔軟。隨著添加量增加，TPU硬度幾乎呈線性下降。根據經驗，Sch？fer博士的實驗室團隊發現，添加量每增加10%，熱塑性聚氨酯彈性體的邵氏A硬度就會降低5度左右。
TPU的斷裂伸長率也會隨添加量的增加而上升，通常在添加量為10%至20%時達到最大值。延展性的增加意味著彈性更高 —— 這正是最終產品所需要的效果。例如，智能手機保護殼必須具有足夠的彈性，才能可靠地保護手機免受撞擊。
但是，應用工程師還發現，當添加量超過10%時，TPU的強度會降低 —— 這是無法避免的副作用，而且在其他同類技術中也同樣如此。如果GENIOPLAST® Pellet 345的添加量從10%增加至30%，則TPU的拉伸強度可能會降低一半。配混廠商可以通過采用抗撕裂強度合適的TPU產品作為基體來彌補拉伸強度的損失。采用相同硬度的柔軟TPU混合物進行的基準測試表明，使用瓦克新型添加劑時，拉伸強度的損失相對較小。“在所有情況下，采用GENIOPLAST® Pellet 345制成的TPU混合物的強度值都要大大高于測試中的參照產品。”Sch？fer說。對于塑料制品的外觀而言，除了耐刮擦性和耐磨性之外，耐污性也是一項重要因素。智能手機、可穿戴設備和其他移動消費電子設備及其連接線在使用過程中接觸的物質常常會令其表面變色。牛仔褲所使用的芥末黃和靛藍染料會留下特別頑固的污漬。
各大消費電子公司都進行了染色測試，并列出了各種物質的脫色效果。瓦克應用工程師們對這些公司列出的物質進行了測試，發現新型添加劑有助于緩解TPE被染色的情況。
瓦克新型添加劑不會改變聚氨酯基體的特性。因此，TPU可以保持其對各種極性熱塑性塑料的出色粘接性。同時，該添加劑也不會對化學穩定性或熱穩定性產生影響。
由于保持了良好的粘結性能，TPU和GENIOPLAST® Pellet 345的混合物可用作硬/軟組合的軟組分，例如牙刷手柄中的軟組分。“此類產品可以采用成本效益較高的雙組分注塑成型工藝生產，其中極性硬質熱塑性塑料為硬組分。”該添加劑的市場營銷負責人Randel解釋道。
長久保持迷人外觀
借助GENIOPLAST® Pellet 345，熱塑性彈性體生產商可以進一步鞏固其在快速增長的移動消費電子與微電子市場上的地位。“這些混合物可用于所有需要表面具有柔軟手感、長久保持迷人外觀的產品。”他補充說。其廣泛的應用包括耳機或充電線的護套、筆記本電腦、平板電腦和游戲機的外殼、工具把手、網球拍手柄以及滑雪桿的手柄部分。GENIOPLAST® Pellet 345與聚氨酯基體粘合良好，因此不會從塑料中遷移出來。在歐洲，該添加劑已獲得了用于食品接觸應用的批準。
瓦克研究人員和應用工程師介紹說，GENIOPLAST® Pellet 345原則上也可以用于熱塑性聚酰胺彈性體（TPA）和熱塑性共聚酯彈性體（TPC）的改性。目前，瓦克應用實驗室正在進行相關測試。“初步測試結果表明其具有廣闊的應用前景。”Sch？fer解釋道。
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