用于消費類電子產品的熱塑性彈性體化合物

隨著應用于電子設備功能部件的軟質熱塑性彈性體（TPE）材料需求的不斷增加，眾多廠家已為此類應用推出其獨特的純TPE和化合物產品。因為這種材料需接觸諸如護膚油、防曬霜、護手霜等用于人體的化學品，因而強制性要求這種材料對護膚類化學品具有良好抗性。

用于這類應用的材料的要求是硬度范圍在50到80硬度A，具柔滑的表面，能耐受上文所述化學品，對諸如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和透明尼龍(PA12)等熱塑性工程塑料的附著力強，色牢度強，耐磨性好，并在使用標準注塑成型機時操作簡便。由于電子設備都長期暴露在陽光下，強制性要求具良好抗紫外線性能。此外，還要滿足針對消費類電子產品的ISO 10993-10（非皮膚刺激性證書）的要求。

眾所周知，基于苯乙烯嵌段共聚物(SBC)和TPE-S類的常規TPE化合物，由于對護膚類產品抵抗力差，并不能滿足這種要求。而純工程熱塑性彈性體，如熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)，熱塑性共聚酯彈性體(TPC)，既不具備足夠柔軟特性，也不具備良好的抗紫外線性能。在低硬度范圍內的液體硅橡膠(LSR)可提供很好的力學性能，且具優異的耐化學性。然而，由于與傳統的注射成型加工相比，其成型周期時間過長，LSR 并不是良好的產品。預交聯硅樹脂分散在TPU中的合金可能是一種選擇，但其性能與其它替代品相比相對較差。

為了滿足市場需求，凱柏膠寶（Kraiburg）TPE推出了一種新型合金材料稱為 Copec，是一系列按配方制造的工程合金材料，可適合各種二次成型加工應用，尤其是可滿足消費類電子產品的要求。Copec結合了TPE-S化合物的易加工性和純工程熱塑性彈性體TPUs或TPCs耐化學品性能的優勢。報道稱Copec的力學性能優于TPE-S，并與硅膠-TPU合金以及純TPU相媲美。而且，Copec的耐磨性優于TPE-S，與硅膠-TPU合金相近，但略差于純TPU。它也表明Copec具有對各種極性基材具極佳的粘性，且抗紫外線性能優于硅膠-TPU合金和高性能TPU。本研究報告了可應用于消費電子市場的新型TPE材料。

實驗

這項研究所用的材料使用雙螺桿擠出機制造，其螺桿直徑為50毫米并設定與特定產品相稱的長徑比率L/D）。螺桿轉速是1/600分鐘。化合物熔化溫度保持低于240℃。

成型試樣材料預先在80℃烘干至少兩個小時。采用配有一個直徑為40毫米、長徑比率L/D為20的標準聚烯烴纖維螺桿的注塑機來制備兩塊試樣（125×125×2毫米和70×70×6毫米）。工作條件為機筒溫度200℃，模具溫度35℃。注射速率38mm3/ 秒。

圖 1、VDI 2019試樣-硬樹脂顯示為白色，TPE顯示為黑色

對于粘附性試驗樣品，使用雙射成型機制造。150×60×2毫米硬基材（硬段）被首先注入，隨后將160×20×2毫米條狀TPE二次成型到硬段上（如圖1所示）。TPE的注塑使用螺桿直徑為40毫米和長徑比率L/D為20。料筒和熱流道溫度為 200℃；模具溫度為60℃。使用的注射速率為40 cm3/秒。硬度根據ISO 7619方法對三個2毫米樣品塊疊加進行測量。根據ASTM D792標準測量密度。根據DIN 53504測量力學性能。而耐磨性能則依ISO 4649方法測定，在一個40厘米帶研磨紙（粒度大小60）的長圓鼓并在恒定的接觸力（10N）下旋轉，轉速恒定在0.32 m/s，最后以TPE的重量損失來描述其耐磨性。

通過使用VDI 2019方法，將TPE剝離硬基體進行剝離試驗以測定其粘著力。測量時，從硬基體分離TPE的力必需超過160毫米的撕裂長度。

為測試耐化學腐蝕性，材料被浸于人造皮膚油脂，牛羊脂中14天。按ISO 1817 的規定對樣品曝露前后進行樣品的體積、拉伸強度和斷裂伸長率測定。

抗紫外線性能采用Atlas Ci4000型老化試驗機進行測試，按照ASTM D4459-06規定，使用以下參數：在55℃和55%的相對濕度下，采用波長為420 nm和強度為0.8/m2的光對熱塑性材料照射300小時。根據DIN EN ISO 11664-4使用Gretag  Macbeth CE 7000A顏色測量儀在樣品暴露前后進行測量樣品顏色。

對于抗劃性，采用Ericsson 430劃痕測試儀測定，在模制成型的試樣塊上進行格子圖型劃刮。Ericsson 430劃痕儀是評價聚合物表面的通用設備，并已用于汽車工業中。測試端是一個直徑為1毫米的球型，以10N負載劃刮表面。劃格圖型為20×20，其格距為2毫米，刮痕可通過視覺直觀地評價。

結果與討論

表1中給出了新材料KDP09和KDP27）的物理和力學性能，并將其與各種其它材料相比較。相較其它材料，這些材料顯示出顯著較高的拉伸強度，但低于純TPU。此外，新材料的耐磨性測試的重量損失也較其它材料低（除了純TPU以外）。但軟質的純TPU顯示出高粘性以及在注塑成型過程中的快速熱降解和最終成品部件的紫外穩定性差等弊端。

至于對極性材料的粘性，也就是工程熱塑性塑料的附著力問題，新材料的剝離強度比其它材料高得多，與Copec一樣高。通過2 K二次成型加工，發現新材料可與聚酰胺緊密貼合（尤其是對PA12）。這種新材料KDP27的剝離曲線如圖2所示。

圖 2、剝離試驗曲線

新材料對牛羊脂的耐受性略差于Copec，但比TPE-s好得多。新材料分別與Copec和TPE-S對照，在牛羊脂中浸泡后的體積、重量和拉伸性能變化如圖3和圖4所示。

圖 3、牛羊脂中浸泡后體積的變化

對于消費電子產品應用，附加性要求是暴露在陽光下的色牢度。如表1所示，發現暴光300小時后，Copec的UV穩定性△E低于1.5，而新材料比Copec高。純TPU和硅膠-TPU合金則表現出更高的△E。

圖 4、浸泡后的力學性能

對于消費電子產品應用，模制品表面的耐久性對產品的使用壽命至關重要。因此，抗劃性往往是必需的。為了模擬抗劃性能，采用在汽車工業中使用的Ericsson劃痕儀來測定。圖5顯示在模制成型的試樣塊上進行格子圖型劃刮測試情形。可觀察到這種新材料不會產生任何劃刮圖形，而硅樹脂合金則表現出明顯的劃格圖形，這表明新材料的表面比對照試驗材料具更高的抗劃性。

圖 5、抗劃性- Ericsson劃痕儀格子圖型測試

結論

以往的研究表明Copec可以填補TPU和TPE-S在硬度、耐磨性、耐化學藥品性和附著力性能的不足。本研究發現，這里所介紹的新產品可增強拉伸性能和耐磨性能;好的耐受牛羊脂和抗紫外線性能；出色的抗劃性（基于Ericsson格子圖型劃刮測試）；以及與PC、ABS、ASA、SAN、PA12、PA6和聚甲基丙烯酸甲酯良好的粘接性。基于這些特性，可以得出結論，連同Copec，本研究中采用的新材料均可以應用于消費電子設備。

表1、材料性能