在當(dāng)今材料科學(xué)快速發(fā)展的時(shí)代，熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer，簡(jiǎn)稱(chēng)TPE)作為一種兼具橡膠彈性和塑料加工性能的高分子材料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、醫(yī)療器械、電子電器、玩具、日用品等眾多領(lǐng)域。TPE材料憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，如柔軟觸感、良好的回彈性、可回收利用以及加工便捷性等，深受市場(chǎng)青睞。許多使用TPE材料或?qū)ζ溆兴P(guān)注的人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移或在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，TPE材料似乎呈現(xiàn)出越來(lái)越軟的特性。這一現(xiàn)象背后究竟隱藏著怎樣的科學(xué)原理?又受到哪些因素的影響?本文將深入剖析TPE材料變軟背后的復(fù)雜機(jī)制，并探討這一趨勢(shì)對(duì)相關(guān)行業(yè)的影響。

TPE材料的基本特性與結(jié)構(gòu)組成

TPE材料的定義與分類(lèi)

TPE是一類(lèi)在常溫下顯示橡膠彈性，高溫下又能塑化成型的高分子材料。根據(jù)其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的不同，TPE主要分為苯乙烯類(lèi)（如SBS、SEBS）、烯烴類(lèi)（如TPV、TPO）、雙烯類(lèi)（如TPB、TPI）、氯乙烯類(lèi)（如TPVC、TCPE）、氨酯類(lèi)（如TPU）、酯類(lèi)（如TPEE）、酰胺類(lèi)（如TPAE）、有機(jī)氟類(lèi)（如TPF）、有機(jī)硅類(lèi)和乙烯類(lèi)等。不同類(lèi)型的TPE材料在性能上各有特點(diǎn)，但共同的特點(diǎn)是都具備橡膠的彈性和塑料的熱塑性。

TPE材料的分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系

TPE材料之所以具有獨(dú)特的性能，與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。以苯乙烯類(lèi)TPE（SBS/SEBS）為例，其分子鏈由硬段（聚苯乙烯鏈段）和軟段（聚丁二烯或氫化聚丁二烯鏈段）組成。硬段在常溫下能夠形成物理交聯(lián)點(diǎn)，起到類(lèi)似硫化橡膠中化學(xué)交聯(lián)鍵的作用，賦予材料一定的強(qiáng)度和剛性；而軟段則賦予材料良好的彈性和柔韌性。這種兩相分離的結(jié)構(gòu)使得TPE材料在加熱時(shí)硬段熔融，材料可以像塑料一樣進(jìn)行熱塑性加工；而在冷卻后，硬段重新結(jié)晶形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使材料恢復(fù)橡膠彈性。

導(dǎo)致TPE材料變軟的因素剖析

溫度因素

短期高溫暴露

TPE材料對(duì)溫度較為敏感，當(dāng)材料處于較高溫度環(huán)境時(shí)，分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力會(huì)顯著增強(qiáng)。在短期內(nèi)，高溫會(huì)使TPE材料中的軟段分子鏈更加活躍，分子間的相互作用力減弱，導(dǎo)致材料的硬度降低，感覺(jué)變軟。在一些需要高溫消毒的醫(yī)療器械應(yīng)用中，TPE材料制成的部件在經(jīng)過(guò)高溫蒸汽消毒后，可能會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性的軟化現(xiàn)象。不過(guò)，這種軟化通常是可逆的，當(dāng)材料冷卻至常溫后，其性能會(huì)逐漸恢復(fù)。

長(zhǎng)期高溫老化

如果TPE材料長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，除了分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇外，還可能發(fā)生一系列的化學(xué)變化，如氧化、降解等。這些化學(xué)變化會(huì)破壞TPE材料的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致分子鏈斷裂、交聯(lián)密度降低等，從而使材料的硬度和強(qiáng)度持續(xù)下降，變得越來(lái)越軟。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)使用的TPE密封件，長(zhǎng)期受到發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫影響，可能會(huì)出現(xiàn)老化變軟的情況，進(jìn)而影響密封性能。

時(shí)間因素（老化作用）

熱氧老化

TPE材料在空氣中使用或儲(chǔ)存時(shí)，不可避免地會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，即熱氧老化。在熱和氧的共同作用下，TPE分子鏈中的不飽和鍵（如SBS中的聚丁二烯鏈段中的雙鍵）容易被氧化，生成過(guò)氧化物、自由基等活性中間體。這些活性中間體會(huì)進(jìn)一步引發(fā)分子鏈的斷裂和交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，分子鏈斷裂會(huì)使材料的分子量降低，分子間作用力減弱，從而使材料變軟；而交聯(lián)反應(yīng)雖然會(huì)增加材料的剛性，但在熱氧老化的復(fù)雜過(guò)程中，分子鏈斷裂的影響往往更為顯著，最終導(dǎo)致材料整體變軟。

光老化

除了熱氧老化外，光老化也是導(dǎo)致TPE材料變軟的重要因素之一。當(dāng)TPE材料暴露在陽(yáng)光或紫外線(xiàn)下時(shí)，紫外線(xiàn)的高能量會(huì)破壞分子鏈中的化學(xué)鍵，引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。這些光化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致分子鏈的斷裂和降解，使材料的性能逐漸下降。戶(hù)外使用的TPE玩具或日用品，在長(zhǎng)期受到陽(yáng)光照射后，會(huì)出現(xiàn)變軟、變色、表面開(kāi)裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命和外觀質(zhì)量。

化學(xué)物質(zhì)作用

溶劑作用

某些有機(jī)溶劑對(duì)TPE材料具有良好的溶解性或溶脹性。當(dāng)TPE材料與這些溶劑接觸時(shí)，溶劑分子會(huì)滲透到材料內(nèi)部，使分子鏈之間的距離增大，分子間作用力減弱，從而導(dǎo)致材料變軟。在一些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如果TPE材料制成的零部件接觸到含有有機(jī)溶劑的清洗劑或潤(rùn)滑劑，就可能會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。這種軟化程度取決于溶劑的種類(lèi)、濃度以及接觸時(shí)間等因素。

油類(lèi)物質(zhì)作用

油類(lèi)物質(zhì)對(duì)TPE材料的影響也較為常見(jiàn)。在汽車(chē)、機(jī)械等領(lǐng)域，TPE密封件常常會(huì)與各種潤(rùn)滑油、液壓油等油類(lèi)物質(zhì)接觸。油類(lèi)物質(zhì)會(huì)滲透到TPE材料內(nèi)部，對(duì)分子鏈起到潤(rùn)滑作用，降低分子間的摩擦力，從而使材料的硬度和強(qiáng)度下降，變軟。不同類(lèi)型的油類(lèi)物質(zhì)對(duì)TPE材料的影響程度不同，芳香烴類(lèi)油對(duì)TPE材料的溶脹作用更為明顯。

加工工藝影響

注塑工藝參數(shù)

在TPE材料的注塑加工過(guò)程中，工藝參數(shù)的設(shè)置對(duì)產(chǎn)品的最終性能有著重要影響。注塑溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料在模具內(nèi)過(guò)度熱降解，使分子鏈斷裂，從而使產(chǎn)品的硬度降低，感覺(jué)變軟。注塑壓力、注塑速度等參數(shù)也會(huì)影響產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能。如果注塑壓力不足或注塑速度過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部存在氣泡、孔洞等缺陷，降低產(chǎn)品的致密度，進(jìn)而影響其硬度和強(qiáng)度。

硫化程度（對(duì)于部分可硫化TPE）

部分TPE材料可以通過(guò)硫化工藝進(jìn)一步提高其性能。硫化程度會(huì)影響TPE材料中交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的密度和結(jié)構(gòu)。如果硫化不足，材料中的交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量較少，交聯(lián)密度較低，材料的硬度和強(qiáng)度就會(huì)相對(duì)較低，表現(xiàn)出較軟的特性。相反，適當(dāng)?shù)牧蚧梢蕴岣卟牧系慕宦?lián)密度，增強(qiáng)分子鏈之間的相互作用力，從而提高材料的硬度和強(qiáng)度。

材料配方調(diào)整

增塑劑添加

增塑劑是一種能夠增加高分子材料塑性的添加劑。在TPE材料的配方中添加適量的增塑劑，可以降低分子鏈之間的相互作用力，使分子鏈更容易運(yùn)動(dòng)，從而使材料變軟。增塑劑的種類(lèi)和添加量對(duì)TPE材料的硬度有著顯著影響。常見(jiàn)的增塑劑有鄰苯二甲酸酯類(lèi)、脂肪族二元酸酯類(lèi)等。不過(guò)，增塑劑的添加也需要適度，過(guò)量添加可能會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降、耐熱性變差等問(wèn)題。

橡膠相與塑料相比例

如前文所述，TPE材料的分子結(jié)構(gòu)由硬段和軟段組成。在材料配方設(shè)計(jì)時(shí)，橡膠相（軟段）與塑料相（硬段）的比例會(huì)直接影響材料的硬度。如果增加橡膠相的比例，減少塑料相的比例，材料的柔軟性會(huì)增加，硬度會(huì)降低。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整橡膠相與塑料相的比例，可以制備出不同硬度的TPE材料，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

TPE材料變軟對(duì)相關(guān)行業(yè)的影響

積極影響

提升產(chǎn)品舒適度

在一些需要與人體直接接觸的產(chǎn)品中，如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械手柄、玩具等，TPE材料適當(dāng)變軟可以提升產(chǎn)品的舒適度。柔軟的觸感能夠減少對(duì)人體的刺激，提高用戶(hù)的使用體驗(yàn)。智能手環(huán)的表帶采用稍軟的TPE材料，佩戴起來(lái)會(huì)更加舒適，不會(huì)對(duì)皮膚造成過(guò)大的壓力。

改善密封性能

在密封件領(lǐng)域，TPE材料變軟可能會(huì)在一定程度上改善密封性能。較軟的材料能夠更好地填充密封間隙，提高密封的嚴(yán)密性，防止泄漏。在一些對(duì)密封要求較高的管道連接處，使用適當(dāng)軟化的TPE密封圈可以更有效地阻止介質(zhì)泄漏。

消極影響

力學(xué)性能下降

TPE材料變軟往往伴隨著力學(xué)性能的下降，如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性等降低。這可能會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。在汽車(chē)零部件中，如果TPE制成的懸掛襯套因變軟而導(dǎo)致強(qiáng)度不足，可能會(huì)影響汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性和安全性。

尺寸穩(wěn)定性變差

材料變軟后，其尺寸穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。在溫度變化或受到外力作用時(shí)，較軟的TPE材料更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸精度下降。這對(duì)于一些對(duì)尺寸精度要求較高的產(chǎn)品，如電子設(shè)備中的精密零部件，可能會(huì)造成嚴(yán)重的問(wèn)題。

外觀質(zhì)量受損

TPE材料變軟后，表面容易出現(xiàn)劃痕、凹陷等缺陷，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。在一些對(duì)外觀要求較高的消費(fèi)品領(lǐng)域，如高端玩具、美容儀器等，這可能會(huì)降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

應(yīng)對(duì)TPE材料變軟的策略與措施

材料選擇與配方優(yōu)化

選用耐老化性能好的TPE基材

在選擇TPE材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用具有良好耐熱氧老化、光老化性能的基材。氫化苯乙烯類(lèi)TPE（SEBS）相比未氫化的SBS，具有更好的耐老化性能，因?yàn)闅浠^(guò)程去除了分子鏈中的不飽和雙鍵，減少了氧化反應(yīng)的可能性。

優(yōu)化配方設(shè)計(jì)

通過(guò)合理調(diào)整材料配方，可以改善TPE材料的耐老化性能和硬度穩(wěn)定性。添加適量的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑等助劑，可以有效延緩材料的老化過(guò)程；合理控制增塑劑的添加量，避免因增塑劑遷移或揮發(fā)導(dǎo)致材料變軟。

加工工藝改進(jìn)

嚴(yán)格控制加工工藝參數(shù)

在TPE材料的加工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制注塑溫度、壓力、速度等工藝參數(shù)，確保材料在加工過(guò)程中不發(fā)生過(guò)度熱降解或出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的冷卻效率，減少產(chǎn)品在模具內(nèi)的停留時(shí)間，也有助于提高產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性。

采用后處理工藝

對(duì)于一些對(duì)性能要求較高的產(chǎn)品，可以采用后處理工藝來(lái)提高TPE材料的性能。通過(guò)熱處理可以使材料內(nèi)部的分子鏈進(jìn)一步取向和結(jié)晶，提高材料的硬度和強(qiáng)度；表面涂層處理可以增強(qiáng)材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐候性。

使用環(huán)境控制

避免高溫、高濕和強(qiáng)光環(huán)境

在使用TPE材料制成的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡量避免將其置于高溫、高濕和強(qiáng)光的環(huán)境中。如果無(wú)法避免，可以采取一些防護(hù)措施，如增加隔熱層、使用遮光罩等，以減少環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響。

定期維護(hù)與檢測(cè)

對(duì)于一些長(zhǎng)期使用的TPE產(chǎn)品，應(yīng)建立定期維護(hù)與檢測(cè)制度。通過(guò)定期檢查產(chǎn)品的硬度、強(qiáng)度、尺寸等性能指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)材料變軟等問(wèn)題，并采取相應(yīng)的維修或更換措施，確保產(chǎn)品的安全可靠運(yùn)行。

結(jié)論

TPE材料變軟是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，受到溫度、時(shí)間、化學(xué)物質(zhì)、加工工藝和材料配方等多種因素的綜合影響。雖然TPE材料變軟在某些情況下可能帶來(lái)一些積極的影響，如提升產(chǎn)品舒適度和改善密封性能，但更多時(shí)候會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能下降、尺寸穩(wěn)定性變差和外觀質(zhì)量受損等消極后果。為了應(yīng)對(duì)TPE材料變軟的問(wèn)題，需要從材料選擇與配方優(yōu)化、加工工藝改進(jìn)和使用環(huán)境控制等多個(gè)方面入手，采取有效的策略和措施。隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信未來(lái)能夠開(kāi)發(fā)出性能更加穩(wěn)定、耐老化性能更好的TPE材料，以滿(mǎn)足不同行業(yè)對(duì)材料性能的嚴(yán)格要求，推動(dòng)TPE材料在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。