TPE ها (ترموپلاستیک الاستومرها) در حال تبدیل شدن به متنوع‌ترین و پرکاربردترین گروه پلیمرها هستند. این پلیمرهای خاص به دلیل ترکیب ویژگی‌های الاستومری و ترموپلاستیکی، در صنایع مختلف جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. با این حال، تنوع بالای گریدهای TPE گاهی باعث می‌شود انتخاب نوع مناسب برای یک کاربرد خاص، چالش‌برانگیز باشد. این مواد از نظر ساختار شیمیایی و روش تولید به دو دسته اصلی TPE‌های آلیاژی و TPE‌های بلوکی تقسیم می‌شوند که هر یک دارای خواص، ترکیبات و کاربردهای منحصر‌به‌فردی هستند.

منشأ واژه TPE و مفهوم ساختاری آن

اصطلاح TPE مخفف عبارت “Thermoplastic Elastomer” است و از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود:

• ترمو (Thermo): به معنی گرما؛ بیانگر قابلیت ذوب‌شدن و شکل‌پذیری ماده با اعمال حرارت است.

• پلاستیک (Plastic): اشاره به ویژگی فرآیندپذیری، قالب‌گیری و شکل‌دهی همانند پلیمرهای معمول ترموپلاستیکی دارد.

• الاستومر (Elastomer): بیانگر خاصیت ارتجاعی، انعطاف‌پذیری و قابلیت بازگشت به شکل اولیه پس از حذف نیرو است.

این ترکیب سه‌گانه در واقع معرف یک ماده هیبریدی با توانایی‌هایی منحصربه‌فرد است؛ موادی که هم قابلیت کشسانی بالا دارند و هم می‌توانند با روش‌های صنعتی رایج تولید پلیمرها فرآیند شوند.

ضرورت توسعه ترمو پلاستیک الاستومر ها در صنعت پلیمر

پیش از توسعه ترمو پلاستیک الاستومر ها در دهه‌های اخیر، تولید قطعات انعطاف‌پذیر عمدتاً به کمک الاستومرهایی چون لاستیک طبیعی یا مصنوعی (مانند EPDM، SBR و NBR) یا PVC انجام می‌گرفت. با این حال، رابرها نیازمند فرآیند پخت (Curing یا Vulcanization) هستند که زمان‌بر، پرهزینه و غیرقابل بازیافت است. همچنین PVC نیز با وجود خاصیت فرآیندپذیری مناسب، از نظر زیست‌محیطی، انعطاف‌پذیری محدود و هزینه بالا، گزینه‌ای مطلوب برای همه‌ی کاربردها محسوب نمی‌شود.

به‌همین دلیل، توسعه‌ی موادی که ویژگی‌های مکانیکی مناسب را با سهولت فرآیندی ترکیب کنند، به‌عنوان ضرورتی اساسی در صنعت پلیمر مطرح شد. پاسخ این نیاز، مواد TPE بودند که علاوه بر دارا بودن رفتار الاستومری، به آسانی و بارها قابل ذوب، فرآیند و بازیافت هستند.

خصوصیات کلیدی TPE ها

ترمو پلاستیک الاستومر ها از نظر عملکرد مکانیکی و فرآیندی، ویژگی‌هایی را به‌طور همزمان در اختیار می‌گذارند که در مواد دیگر به‌صورت مجزا دیده می‌شوند. مهم‌ترین خصوصیات این مواد عبارتند از:

• انعطاف‌پذیری بالا با خاصیت بازگشت‌پذیری بعد از تغییر شکل

• قابلیت شکل‌دهی مجدد با حرارت (گرمانرم بودن)

• عدم نیاز به فرآیند پخت و زمان کوتاه تولید

• بازیافت‌پذیری کامل و کاهش ضایعات تولید

• مقاومت در برابر پارگی، سایش و ضربه

• مقاومت شیمیایی مناسب در برابر روغن‌ها، اسیدها و بازها

• قابلیت اتصال حرارتی به پلیمرهای دیگر (Overmolding)

این خصوصیات باعث شده که ترمو پلاستیک الاستومر ها به موادی ایده‌آل برای قطعات کاربردی در طیف وسیعی از صنایع بدل شوند.

دسته‌بندی ساختاری TPE ها

ترمو پلاستیک الاستومر ها براساس نحوه تولید و ساختار شیمیایی به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: ترمو پلاستیک الاستومر های آلیاژی و ترمو پلاستیک الاستومر های سنتزی یا بلوکی.

TPE های آلیاژی (TPE Blends/Alloys)

در این گروه، ترموپلاستیک‌ها و رابرها به‌صورت فیزیکی و در حالت مذاب در دستگاه اکسترودر مخلوط می‌شوند. نتیجه این فرآیند، یک آلیاژ دو فازی است که در آن، پلیمر سخت، وظیفه استحکام و فرم‌دهی را بر عهده دارد و پلیمر نرم، خاصیت انعطاف‌پذیری و ارتجاعی ماده را تأمین می‌کند. دو نوع پرکاربرد این دسته عبارتند از:

• TPE-O (پایه پلی‌الفین): ترکیب پلی‌الفین‌هایی مانند پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن با الاستومرهایی چون EPDM. دارای مقاومت شیمیایی خوب، انعطاف‌پذیری مطلوب و قیمت مناسب است. از این نوع در تولید قطعات خودرو و لوازم پزشکی استفاده می‌شود.

• TPE-V (آلیاژهای ولکانیزه شده): در این دسته، فاز رابری در حین فرآیند تولید، به‌صورت کنترل‌شده پخت می‌شود. این ولکانیزاسیون باعث افزایش دوام مکانیکی، حفظ شکل‌پذیری در دمای بالا و مانایی فشاری بهتر نسبت به TPE-O می‌شود. برای قطعات خودرو، لوله‌ها و تجهیزات مقاوم به فشار کاربرد دارد.

TPE های سنتزی یا بلوکی (Block Copolymers)

در این ساختارها، مونومرهای مختلف (سخت و نرم) طی فرآیند پلیمریزاسیون به‌صورت شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند. ساختار مولکولی این مواد دارای بخش‌هایی با چیدمان منظم است که به آن‌ها خواص منحصر‌به‌فردی از جمله استحکام یکنواخت، انعطاف‌پذیری و دوام می‌بخشد.

انواع اصلی این گروه عبارتند از:

• SBS و SEBS (Styrenic Block Copolymers): پرکاربردترین ترمو پلاستیک الاستومر های بلوکی هستند که از پلی‌استایرن (بخش سخت) و بوتادین یا اتیلن-بوتیلن (بخش نرم) ساخته شده‌اند. دارای فرآیندپذیری عالی و بازیافت‌پذیر هستند. برای قطعات الکترونیکی، ابزار پزشکی، دسته ابزار و بسته‌بندی کاربرد دارند.

• TPU (ترموپلاستیک یورتان): از واکنش ایزوسیانات‌ها با پلی‌ال‌ها تولید می‌شوند و دارای استحکام کششی بالا، مقاومت در برابر ضربه، ساییدگی و پارگی هستند. در ساخت کفش، تجهیزات ورزشی و پوشش‌های صنعتی استفاده می‌شوند.

• TPE-A (آمیدی): دارای گروه‌های آمیدی هستند که مقاومت در برابر دما، مواد شیمیایی و سایش را به‌شدت افزایش می‌دهند. مناسب برای کاربردهای صنعتی سنگین و قطعات خودرو.

• TPE-E (استری): با دارا بودن پیوندهای استری در ساختار مولکولی، در برابر حرارت و مواد خورنده مقاوم‌اند و در صنایع پزشکی، هوافضا و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• COPA (پلی‌آمیدهای ترموپلاستیک): دارای ویژگی‌هایی مشابه با TPE-A بوده ولی با ساختار متفاوت، کاربردهایی با نیاز به سختی و چقرمگی بالا دارند.

فرآیندهای شکل‌دهی TPE ها

ترمو پلاستیک الاستومر ها به دلیل ساختار گرمانرم خود، قابلیت فرآیند با روش‌های رایج صنعت پلاستیک را دارند. از مهم‌ترین روش‌های تولید قطعات با TPE می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قالب‌گیری تزریقی (Injection Molding): پرکاربردترین روش، با قابلیت تولید سریع و دقیق قطعات پیچیده.

• اکستروژن (Extrusion): برای تولید قطعات پیوسته مانند درزگیر، نوار، پروفیل و شیلنگ استفاده می‌شود.

• ترموفرمینگ (Thermoforming): مناسب برای ساخت ورق‌ها و بسته‌بندی‌های حرارتی شکل.

• Melt Calendaring و Heat Welding: برای تولید فیلم‌ها و اتصالات حرارتی با پلیمرهای دیگر.

• چاپ سه‌بعدی (3D Printing): TPE های خاص با سختی پایین در تولید قطعات سفارشی و انعطاف‌پذیر به‌کار می‌روند.

کاربردهای صنعتی و مصرفی TPE ها

به دلیل تنوع ساختاری و ویژگی‌های فیزیکی منحصربه‌فرد، ترمو پلاستیک الاستومر ها در صنایع مختلف جایگاه ممتازی پیدا کرده‌اند. برخی از مهم‌ترین کاربردها عبارتند از:

• صنعت خودرو: درزگیر درب و پنجره، روکش فرمان، ضربه‌گیر، سپر، روکش کابل و لوله‌های نرم.

• پزشکی: تیوب‌ها، قطعات تزریقی، گیره‌ها، درپوش‌ها، دستگیره‌ها و تجهیزات قابل استریلیزه.

• بسته‌بندی مواد غذایی: فیلم‌ها و ورق‌های شفاف، درپوش‌های نرم، واشرهای درب بطری.

• لوازم خانگی و الکترونیک: کلیدها، روکش کابل، دسته ابزار، روکش اتصالات.

• کفش و پوشاک: زیره کفش‌های ورزشی، بندهای کشی، مواد جذب شوک.

• محصولات صنعتی: تسمه‌ها، قطعات اتصال، لوله‌های مقاوم به ضربه.

نتیجه‌گیری

ترمو پلاستیک الاستومر ها، با بهره‌گیری از مزایای ترکیبی ترموپلاستیک‌ها و الاستومرها، پلیمرهایی نوآورانه برای کاربردهای پیچیده صنعتی هستند. شناخت دقیق انواع، ساختارها و خواص آن‌ها به مهندسان و طراحان این امکان را می‌دهد که موادی مقرون‌به‌صرفه، با عملکرد بالا و سازگار با محیط زیست را انتخاب کنند. آینده صنعت پلیمر به‌شدت به گسترش و بهبود فرمولاسیون‌های TPE وابسته است و انتظار می‌رود کاربردهای آن‌ها در سال‌های آینده رشد چشمگیری داشته باشد.