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熱塑性聚酯彈性體綠色製程及應用

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熱塑性聚酯彈性體(TPEE)是由短的剛硬鏈段(結晶相)和長的軟鏈段所構成的嵌段式共聚高分子,因特殊的化學結構,使得TPEE同時具有橡膠的彈性、柔軟性和熱塑性樹脂的剛硬性和易加工性。其化學與物理性質由高分子的軟硬鏈段結構和組成決定,彈性與強度介於塑料和橡膠之間。硬鏈段比例增加,可增強剛硬性及化學穩定性;軟鏈段比例增加,則是提升柔軟性和低溫的性能表現。TPEE具有良好的機械強度,如高的拉伸、撕裂、衝擊強度和抗磨損、潛變、疲勞特性以及耐化學、油、氣候,並且在低溫具有好的彈性,因此被廣泛的應用在車用元件、通訊電纜、工業與運動休閒製品、鐵路減震墊片、防水透濕薄膜、生醫材料和高分子改質劑等。TPEE除了具備可回收再利用的環保特性,還能透過從聚酯(PET)廢料,以化學回收法得到其單體或低聚物做為原料來源,實現將廢棄PET轉化成高值化新產品的循環方式。

背景說明

傳統的熱塑性樹脂與橡膠是兩種性質截然不同的材料。前者在本質上是屬於較硬的材料,可採用多種加工方式進行成型,例如擠出、注射、吹塑、熱塑等;後者則屬質軟,具彈性佳的特性,但需經過硫化等多道複雜的程序對其進行加工生產。而熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyester Elastomers; TPEEs)則是集結兩者優勢為一體的新型高分子材料,由具有高硬度、高熔點的玻璃型或結晶型聚酯硬鏈段和具有柔軟性、低玻璃轉移溫度的長鏈、非結晶型聚醚或聚酯軟鏈段,所組成的多嵌段共聚高分子;其結合化學交聯型橡膠彈性體的彈性回復、對能量吸收、低溫良好的柔軟性和熱塑性樹脂優異的機械強度(Mechanical Strength)和易加工特性。
 
物性簡介
典型的熱塑性聚酯彈性體,其結構組成是以聚對苯二甲酸丁二酯(Poly(Butylene Terephthalate); PBT)做為硬鏈段,並連結提供柔軟性的聚四氫喃(Poly(Tetramethylene Oxide); PTMEG)做為軟鏈段部分。在微觀結構(圖一),結晶態的PBT鏈段會分散在由軟鏈段PTMEG和硬鏈段非結晶態PBT所組成的無定型區域(Amorphous Domains)內,形成微相分離的結構。結晶態硬鏈段所形成的區域,是結構中的物理交聯點,提供材料形變時的尺寸安定支撐點,其比例越高,材料的硬度、機械強度、耐熱與耐溶劑性等性質就越好;而材料的彈性及低溫撓曲性則是受無定型軟鏈段的比例決定。
 
TPEE市場與應用
根據美國Freedonia的統計,2016全球TPEE市場需求約為28.4萬噸;而Grand View Research, Inc.的報告指出,其市場規模估計為8.452億美元,預計到了2025年將達到14.9億美元。帶動整體需求與規模提升的主因是TPEE本身具有優異的性質,且彈性體的製程簡單以及輕量化的優勢,逐漸取代熱固型材料和金屬的應用,預期未來合膠與加工技術的進步,也會是提升的因素之一。
 
作者:林哲增/工研院材化所
本文節錄自《工業材料》雜誌395期,加入會員可下載本篇全文
 

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