Hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer (SEPS): Műszaki útmutató

Mi van Hidrogénezett sztirol-izoprén blokk kopolimer

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer (SEPS) egy hőre lágyuló elasztomer, amelyet sztirol-izoprén-sztirol (SIS) blokk-kopolimer szelektív hidrogénezésével állítanak elő. A hidrogénezési folyamat telíti az izoprén középső blokk kettős kötéseit, így a telítetlen poliizoprén szegmensek telített etilén-propilén gumiszerű szerkezetté alakulnak. Az eredmény egy olyan polimer, amely megőrzi SIS-prekurzorának rugalmas, gumiszerű viselkedését, miközben lényegesen jobban ellenáll az oxidációnak, az UV-lebomlásnak és a termikus öregedésnek – olyan tulajdonságokat, amelyeket a telítetlen izoprén középső blokk nem tud biztosítani.

A SEPS a hidrogénezett sztirol blokk-kopolimerek (HSBC) szélesebb családjába tartozik, amely magában foglalja a SEBS-t (hidrogénezett sztirol-butadién-sztirol) és a SIBS-t (sztirol-izobutilén-sztirol) is. A család minden tagja ugyanazt az alapvető háromblokk-architektúrát osztja – két merev polisztirol végtömb, amelyek egy puha, elasztomer középső blokkot rögzítenek –, de különbözik a középső blokk kémiájában, ami a mechanikai viselkedésben, az olajkompatibilitásban, a gázáteresztő képességben és a feldolgozási jellemzőkben mutat különbségeket. A SEPS sajátos helyet foglal el ebben a családban, olyan tulajdonságokat kínálva, amelyeket az SEBS nem képes teljes mértékben megismételni, különösen olyan alkalmazásokban, amelyeknél puhább, rugalmasabb elasztomerre van szükség alacsony hőmérsékleten, vagy jobban kompatibilis bizonyos ásványolaj-rendszerekkel.

A molekuláris építészet és a hidrogénezés szerepe

Annak megértéséhez, hogy a hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer miért viselkedik úgy, ahogyan viselkedik, világos képet kell kapnia molekulaszerkezetéről, és arról, hogy a hidrogénezési lépés valójában mit változtat meg.

Blokk-kopolimer építészet

A SEPS-t S-EP-S elnevezésű lineáris háromblokk-konfigurációban állítják elő, ahol az S a polisztirol végblokkokat, az EP pedig a hidrogénezett poliizoprén (etilén-propilén) középső blokkot jelenti. A polisztirol végtömbök kemény, üveges szegmensek, amelyek üvegesedési hőmérséklete (Tg) körülbelül 100 Celsius fok. Ez alatt a Tg alatti üzemi hőmérsékleten a polisztirol domének fizikai keresztkötésekként működnek, és merev, mikrofázisokkal elválasztott doménekké aggregálódnak, amelyek rögzítik a lágy középső blokkláncokat, és biztosítják a rugalmas helyreállításért felelős hálózati struktúrát.

Az etilén-propilén középső blokk üvegesedési hőmérséklete jóval mínusz 60 Celsius-fok alatt van, ami azt jelenti, hogy puha és rugalmas marad gyakorlatilag az ipari és fogyasztói alkalmazásokban előforduló üzemi hőmérsékletek teljes tartományában. Ez a középső blokk az a szegmens, amely az anyag gumiszerű nyúlásáért, alacsony modulusáért és energiaelnyelési jellemzőiért felelős.

Mivel a fizikai térhálósítások termikusan reverzibilisek – a polisztirol domének meglágyulnak és Tg-jük felett áramlanak –, a SEPS hőre lágyuló műanyaghoz hasonlóan olvadékban feldolgozható, és újrahasznosítható a hagyományos vulkanizált gumikat korlátozó kémiai térhálósítási korlátok nélkül.

Mit változtat a hidrogénezés

A kiindulási SIS kopolimer szén-szén kettős kötéseket (telítetlenséget) tartalmaz a középső blokk minden izoprén ismétlődő egységében. Ezek a kettős kötések reaktív helyek, amelyek érzékenyek az oxigén (oxidatív lebomlás), az ózon (ozonolízis) és az ultraibolya sugárzás támadására – a telítetlen elasztomerek három elsődleges környezeti lebomlási útvonala. A hidrogénezés megszünteti ezeket a kettős kötéseket azáltal, hogy hidrogént adnak az egyes telítetlen kötésekhez, emelt hőmérsékleten és nyomáson, átmenetifém-katalizátor jelenlétében.

A kereskedelmi célú hidrogénezés általában nagyobb, mint a középső blokk kettős kötéseinek 95%-os telítettsége, miközben a polisztirol végtömbök nagyrészt érintetlenek maradnak. Az eredmény egy középblokk kémia, amely nagyon hasonlít az amorf etilén-propilén gumihoz (EPR) – egy olyan anyaghoz, amely jól bevált tartóssággal rendelkezik kültéri, autóipari és orvosi alkalmazásokban –, amely tartósan a hőre lágyuló elasztomer háromblokk-architektúrájába van beoltva.

Ennek a szerkezeti változásnak a gyakorlati következményei közé tartozik a jelentősen megnövekedett ellenállás a termikus oxidatív öregedéssel szemben, az ózonrepedés kockázatának kiküszöbölése, valamint az UV-sugárzásnak kitett alkalmazásokban a nagymértékben meghosszabbított élettartam a nem hidrogénezett SIS-hez képest.

Főbb fizikai és mechanikai tulajdonságok

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer tulajdonságprofilját a blokk felépítése, sztiroltartalma, középblokk molekulatömege és az elért hidrogénezés mértéke határozza meg. Ezeket a változókat a polimerizáció és a hidrogénezés során be lehet állítani, hogy az anyagot az adott végfelhasználáshoz igazítsák.

Mechanikai tulajdonságok

A tiszta vagy enyhén nyújtott formában használt SEPS minőségek szakítószilárdsága 15-35 MPa, szakadási nyúlása 400-1000%, keménységi értéke (Shore A) pedig jellemzően 20 és 70 között van a sztiroltartalomtól és a készítménytől függően. Az alacsonyabb sztiroltartalmú minőségek lágyabb, jobban nyújtható anyagokat eredményeznek; a magasabb sztirol tartalmú minőségek nagyobb merevséget és szakítószilárdságot kínálnak az alacsony hőmérsékletű rugalmasság csökkenése árán.

A kompressziós készlet – az anyag tartós deformációjának mértéke tartós nyomóterhelés hatására – fontos specifikációs paraméter a tömítési és tömítési alkalmazásokhoz. A SEPS jó nyomásállóságot mutat, különösen mérsékelt hőmérsékleten, bár általában valamivel gyengébb, mint a kémiailag térhálósított gumiké hosszú távú, magas hőmérsékletű tömörítés esetén.

Termikus tulajdonságok

A SEPS felső üzemi hőmérsékletét a polisztirol domének üvegesedési hőmérséklete szabályozza, jellemzően 80-90 Celsius fok alá korlátozva a folyamatos használatot. kitöltetlen, tömörítetlen formában. E tartomány felett a fizikai keresztkötési hálózat gyengül, ami terhelés alatti maradandó deformációhoz vezet. Erősítő gyantákkal vagy magas sztiroltartalmú gyantákkal történő összekeverés egyes készítményekben meghosszabbíthatja ezt a felső határt. A legalacsonyabb szinten a SEPS jóval mínusz 50 Celsius-fok alatt is működőképes marad, sok alacsony hőmérsékletű rugalmassági követelményben felülmúlva a SEBS-t az EP középső blokk alacsonyabb Tg-je miatt.

Olaj és lágyító kompatibilitás

A SEPS egyik gyakorlati szempontból legjelentősebb tulajdonsága a nafténes és paraffinos ásványi olajokkal való kiváló kompatibilitása. Az EP középső blokk szelektíven megduzzad ezekben az olajokban, lehetővé téve nagy mennyiségű extenzív olaj bedolgozását a SEPS-alapú vegyületekbe fázisszétválás vagy a mechanikai integritás jelentős elvesztése nélkül. Ezt az olajhosszabbító képességet széles körben kiaknázzák a forró olvadékragasztó készítményekben, ahol az ásványolaj hozzáadása csökkenti a viszkozitást és módosítja a nyitott időt és a kohéziós szilárdságot, hogy megfeleljen az alkalmazás-specifikus követelményeknek.

A SEPS nem ellenáll az aromás oldószereknek és a szénhidrogén üzemanyagoknak – ezek túlzott duzzanatot és tulajdonságromlást okoznak. Az üzemanyaggal vagy aromás oldószerekkel szembeni ellenállást igénylő alkalmazásokhoz az SIBS vagy a speciális fluorelasztomerek a megfelelőbb választás.

Feldolgozási módszerek és kompaundálás

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer hőre lágyuló, és a legtöbb szabványos polimerfeldolgozási technikával feldolgozható anélkül, hogy vulkanizálásra vagy kémiai térhálósításra lenne szükség. Ez a feldolgozhatósági előny a hagyományos gumival szemben az egyik elsődleges mozgatórugója a SEPS alkalmazásának olyan alkalmazásokban, ahol a gyártási hatékonyság mellett az elasztomer teljesítményre is szükség van.

Hot Melt feldolgozás

A SEPS-t széles körben feldolgozzák forró olvadékként, akár tisztán, akár tapadós gyantákkal, ásványolaj-hosszabbítókkal és stabilizátorokkal kombinálva. A melegen olvadó ragasztós alkalmazásoknál a polimert jellemzően 150 és 180 Celsius fok közötti hőmérsékleten olvasztják meg, és hornyos szerszámbevonattal, tekercsbevonattal vagy forró olvadék spray-vel hordják fel. Az olajjal nyújtott SEPS készítmények alacsony olvadékviszkozitása ezeken a hőmérsékleteken lehetővé teszi a nagy sebességű bevonási műveleteket, amelyek kivitelezhetetlenek lennének a nagyobb viszkozitású SEBS-alapú rendszerekben.

Extrudálás és fröccsöntés

Az összetett SEPS minőségek feldolgozhatók egycsavaros vagy kétcsigás extrudálással és fröccsöntéssel. A feldolgozási hőmérséklet jellemzően 180 és 220 Celsius fok közötti tartományban van, a felső határt a polisztirol domén termikus lebomlása és esetleges elszíneződése korlátozza. A SEPS-vegyületek érzékenyebbek a nyírásra és a hőmérsékletre, mint a SEBS-vegyületek, mivel az EP középső blokk alacsonyabb hőstabilitással rendelkezik hosszabb feldolgozási hőmérsékleteken, ami gondos csavartervezést és tartózkodási idő szabályozását igényel nagy áteresztőképességű műveleteknél.

Megoldás feldolgozása

A SEPS könnyen oldódik apoláris oldószerekben, beleértve a toluolt, xilolt, ciklohexánt és alifás ásványi alkoholokat. Az oldatból öntött fóliákat, bevonatokat és ragasztórendszereket úgy állítják elő, hogy a SEPS-t oldószerben feloldják, az oldatot egy szubsztrátumra visszük fel, és hagyják az oldószert elpárologni. Ezt a megközelítést orvosi tapasz ragasztókban, leválasztó bevonatokban és speciális fóliákban alkalmazzák, ahol az olvadékfeldolgozási hőmérséklet károsítaná a hordozót vagy a hatóanyagokat.

Összeállítási alapelvek

A tiszta SEPS-t ritkán használják ipari alkalmazásokban kompaundálás nélkül. A standard kompaund összetevők és funkcióik a következők:

• Ásványi olaj (nafténes vagy paraffinos) : Szelektíven megduzzasztja és lágyítja az EP középső blokkot, csökkenti a keménységet és a modulust, csökkenti az olvadék viszkozitását a feldolgozáshoz, és gazdaságosan meghosszabbítja a polimert. A tipikus adagolási szintek 50 és 300 rész/100 gumi (phr) között mozognak a cél lágyságától és az alkalmazástól függően.
• Ragadós gyanták (hidrogénezett szénhidrogén gyanták, gyanta észterek) : Társítsa a középső vagy végblokk fázishoz a tapadás növelése, a leválási tapadás javítása és a ragasztókészítmények nyitott idő profiljának módosítása. A középső tömböt társító gyanták lágyítják a keveréket és javítják a nedvesedést; A végtömbhöz kapcsolódó gyanták növelik a kohéziós szilárdságot és a felső üzemi hőmérsékletet.
• Polipropilén vagy polietilén : SEPS-alapú TPE-vegyületekhez adva növeli a keménységet, a merevséget és a felső használati hőmérsékletet, miközben megtartja a hőre lágyuló feldolgozhatóságot. A PP az elterjedtebb választás magasabb olvadáspontja és magasabb hőmérsékleten a polisztirol végtömbökkel való jobb kompatibilitása miatt.
• Töltőanyagok (kalcium-karbonát, szilícium-dioxid, talkum) : Elsősorban a költségek csökkentése, valamint a merevség és a felületi minőség módosítása érdekében került hozzáadásra. A vulkanizált gumikkal ellentétben az erősítő töltőanyagok nem biztosítanak ugyanolyan mértékű mechanikai tulajdonságjavítást a SEPS vegyületekben, mivel a töltőanyag és a polimer mátrix közötti kémiai kötés kapcsolószerek nélkül korlátozott.
• Antioxidánsok és UV stabilizátorok : Az akadályozott fenolos antioxidánsok védelmet nyújtanak a termikus oxidatív lebomlás ellen a feldolgozás és a szervizelés során. A kültéri alkalmazásokhoz UV-elnyelőket és gátolt amin fénystabilizátorokat (HALS) adnak hozzá.

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer főbb alkalmazásai

A SEPS az iparágak széles körében alkalmazható, ahol az elasztomer megfelelőség, a tartósság, a hőre lágyuló feldolgozhatóság és az ásványolajjal vagy szénhidrogén gyantákkal való kompatibilitás kombinációjára van szükség. A következő szegmensek képviselik az elsődleges végfelhasználói piacokat.

Nyomásérzékeny ragasztók és melegen olvadó ragasztók

A SEPS-en alapuló, melegen olvadó nyomásérzékeny ragasztókat (HMPSA) széles körben használják higiéniai termékekben (pelenkák, női ápolás, felnőttkori inkontinencia termékek), orvosi szalagok és címkék. A nagy tapadású, ellenőrzött lehúzható tapadás és a bőrrel kompatibilis formulázási potenciál kombinációja a SEPS-t a bőrrel érintkező ragasztóanyagok kedvelt polimerjévé teszi. A SEPS-alapú HMPSA-k az agresszív ragasztórendszerekkel járó irritáció nélkül érhetik el a bőr tapadását, és összetételük optimalizálható bizonyos bőrtípusokhoz, nedvességexpozíciós körülményekhez és a kopás időtartamára vonatkozó követelményekhez.

Az építőipari és ipari szerelési ragasztókban a SEPS alapú forró olvadékokat rugalmas aljzatok - habok, szövetek, fóliák - ragasztására használják, ahol a ragasztóréteg megfelelőségének és visszanyerésének meg kell egyeznie a ragasztott szerelvény deformációs viselkedésével a használati körülmények között.

Orvosi és egészségügyi alkalmazások

A biokompatibilitási potenciál, a kénalapú vulkanizálási maradékoktól való mentesség (amelyek a hagyományos gumifeldolgozás velejárói), az alacsony kivonhatóság és a puha tapintható karakter kombinációja vonzóvá teszi a SEPS-t az orvosi eszközök alkatrészei számára. Az alkalmazások a következők:

• Orvosi minőségű csövek és folyadékkezelő alkatrészek, ahol rugalmasság és tisztaság szükséges
• Sebápoló és transzdermális gyógyszeradagoló tapasz ragasztók szabályozott felszabadulású gyógyszerészeti hatóanyagokhoz
• Puha tapintású ráöntés az orvosi eszközök fogantyúin, markolatain és hordható készülékházain
• Fecskendődugattyúvégek és dugók nem kritikus folyadékelzáró alkalmazásokhoz

Az orvosi minőségű SEPS-vegyületeknek meg kell felelniük az extrahálható és kioldható anyagokra vonatkozó előírásoknak, amelyek összhangban vannak az ISO 10993 biokompatibilitási vizsgálati keretrendszerrel, és meghatározott minőségeket úgy alakítottak ki, hogy minimalizálják a lágyítószer migrációját és a maradék oldószertartalmat.

Testápolás és kozmetika

A SEPS-t strukturáló és zselésítő anyagként használják vízmentes kozmetikai készítményekben – rúzsokban, szájfényekben, hajformázó termékekben és bőrápoló készítményekben. A kozmetikai minőségű ásványolajokkal és szilikonokkal való kompatibilitása lehetővé teszi a készítők számára, hogy szabályozott viszkozitású, csúszási és filmképző tulajdonságokkal rendelkező gélhálózatokat építsenek ki. A SEPS szerkezetű készítmények jó hőmérséklet-stabilitást biztosítanak a fogyasztói felhasználás és szállítás során tapasztalt tartományban (mínusz 20 és plusz 50 Celsius fok között), fázisszétválasztás vagy textúra lebomlás nélkül.

Tömítőanyagok, tömítések és puha tapintású alkatrészek

Az építőiparban a SEPS vegyületeket rugalmas tömítőanyagokká, dilatációs hézagkitöltő anyagokká és időjárási szalagprofilokká formulázzák, ahol hosszú távú UV- és ózonállóságra van szükség, valamint a megfelelőség és a ciklikus deformáció során történő helyreállítás mellett. A vulkanizálás hiánya leegyszerűsíti a gyártást és lehetővé teszi a gyártási hulladék újrahasznosítását.

A fogyasztási cikkekben a SEPS fröccsöntő keverékek puha tapadású felületeket biztosítanak a fogkefe nyelein, a borotva nyelein, a sportszereken és az elektronikai eszközök házain. Az anyag jól tapad a polipropilén hordozókhoz a kétkomponensű fröccsöntésben (2K fröccsöntés), így kompatibilis a fogyasztási cikkek gyártásában legszélesebb körben használt szerkezeti polimerrel.

Bitumen és aszfalt módosítása

Míg az SBS (sztirol-butadién-sztirol) továbbra is a domináns blokk-kopolimer az útburkolati alkalmazásokhoz használt aszfaltmodifikációban, a SEPS-t és a SEBS-t olyan módosított aszfaltkészítményekben használják, ahol a jobb öregedésállóság és a hosszú távú rugalmas visszanyerés prioritást élvez – különösen a tetőfedő lemezeknél és a vízszigetelő alkalmazásoknál, ahol az UV-sugárzás és a hőciklus jobb oxidálatlan 3 éves élettartamot igényel, mint 3 év hidratálatlan élettartam. kopolimerek biztosíthatják.

Szabályozási állapot és biztonsági szempontok

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer egy kémiailag inert polimer, amely jól bevált biztonsági profillal rendelkezik a fogyasztói és orvosi alkalmazásokban. Tiszta formájában a SEPS nem tartalmaz szándékosan hozzáadott lágyítószereket, nehézfém-stabilizátorokat vagy halogénezett égésgátló anyagokat – ezek a szennyezőanyagok szabályozási szempontból aggályos kategóriák számos piacon.

Élelmiszerrel érintkezésbe kerülő és élelmiszer-csomagolási alkalmazások esetén a SEPS-megfelelőség az adott minőségtől és az alkalmazott adalékanyagoktól függ. Az Európai Unióban az élelmiszerekkel érintkezésbe való megfelelést az élelmiszerekkel érintkezésbe kerülő műanyagokról szóló 10/2011 számú EU-rendelet alapján értékelik, és minden egyes összetevőre vonatkozóan meg kell erősíteni a vonatkozó anyaglistát. Az Egyesült Államokban az élelmiszerekkel való érintkezésnek való megfelelés az FDA 21 CFR előírásainak hatálya alá tartozik, az alkalmazandó szakaszok az élelmiszerrel való érintkezés természetétől és a feldolgozási körülményektől függenek.

Orvostechnikai eszközök alkalmazása esetén a SEPS vegyületeket az ISO 10993 (Orvostechnikai eszközök biológiai értékelése) szerint kell értékelni, és a szükséges speciális vizsgálati protokoll a pácienssel való érintkezés jellegétől és időtartamától függ. Az orvosi minőségű SEPS szállítói általában gyógyszer-főfájl (DMF) támogatást vagy biokompatibilitási teszt adatcsomagokat biztosítanak, hogy megkönnyítsék az eszközgyártók szabályozási benyújtását.

A SEPS nem minősül veszélyesnek a szabványos GHS kritériumok szerint szilárd polimer formában. A magasabb hőmérsékleten végzett feldolgozás sztirolmonomer gőzöket és bomlástermékeket termelhet olyan koncentrációban, amely megfelelő szellőzést és egyéni védőfelszerelést igényel, összhangban az illetékes nemzeti egészségügyi és biztonsági hatóságok által meghatározott foglalkozási expozíciós határértékekkel.

Beszerzési és specifikációs útmutató a számára SEPS

A hidrogénezett sztirol-izoprén blokk-kopolimer egy speciális polimer, amelyet korlátozott számú globális gyártó gyárt. A fő kereskedelmi források közé tartozik a Kuraray (Septon márkanév alatt, amely a legszélesebb körben elismert SEPS termékcsalád), valamint számos ázsiai gyártó, akik az elmúlt évtizedben piacra dobták a SEPS kapacitást. A minőség kiválasztása megköveteli, hogy a polimer specifikációját hozzáigazítsák az alkalmazás követelményeihez több kulcsfontosságú paraméter tekintetében.

Kulcsspecifikációs paraméterek

1. Sztirol tartalom : Súlyszázalékban kifejezve, jellemzően 10% és 35% között mozog a kereskedelmi SEPS minőségeknél. Az alacsonyabb sztiroltartalom puhább, rugalmasabb anyagokat eredményez, alacsonyabb szakítószilárdsággal; a magasabb sztiroltartalom merevebb, nagyobb szilárdságú anyagokat eredményez, csökkentett olajfelvevő képességgel. A megcélzott alkalmazás keménysége és a modulus követelményei hajtják ezt a választást.
2. Molekulatömeg és olvadékáramlás : A nagyobb molekulatömegű osztályok jobb mechanikai tulajdonságokat és kohéziós szilárdságot kínálnak a ragasztó alkalmazásokban, de magasabb feldolgozási hőmérsékletet igényelnek, és magasabb olvadékviszkozitást eredményeznek. Az olvadékfolyási index (MFI) meghatározott vizsgálati körülmények között a feldolgozhatóság szabványos összehasonlító mértéke.
3. Hidrogénezési fok : Meg kell erősíteni, hogy a midblock kettős kötések telítettsége meghaladja a 95%-ot olyan alkalmazásoknál, ahol az UV, az ózon és a termikus oxidatív ellenállás kritikus. A maradék telítetlenségi szintet általában proton-NMR vagy jódérték-vizsgálat igazolja.
4. Tartalom tiltása : Az S-EP diblock molekulák (egy végblokk egy középső blokk karral) aránya a teljes triblockhoz viszonyítva releváns minőségi paraméter a ragasztós alkalmazásokhoz. A magasabb diblock-tartalom növeli a tapadást és csökkenti a kohéziós szilárdságot; A szabályozott diblock tartalom egy formulációs eszköz a HMPS ragasztótervezésben.
5. Osztályspecifikus bizonyítványok : Orvosi és élelmiszerrel érintkezésbe kerülő alkalmazások esetén erősítse meg az ISO 10993 biokompatibilitási adatok, az FDA 21 CFR megfelelőségi dokumentáció, az EU élelmiszerrel érintkezésbe való megfelelőségi nyilatkozatai és a REACH szerinti anyagregisztrációs státusz elérhetőségét az európai piacon.
6. Tételenkénti következetesség : Ragasztó- és orvosi alkalmazásoknál, ahol a készítmény teljesítményét szigorúan ellenőrzik, kérjen adatokat a molekulatömeg-eloszlás, a sztiroltartalom és a diblokk-tartalom tételenkénti változásairól, hogy felmérje az ellátási lánc konzisztenciájának kockázatát, mielőtt egy adott kereskedelmi minőséget minősítene.

A SEPS gyártótól és minőségtől függően pellet, morzsa és bála formában kapható. A forró olvadékragasztós feldolgozáshoz a pellet forma szabványos a pontos adagolás és az egyenletes beolvadási sebesség megkönnyítése érdekében. Az oldatfeldolgozáshoz és a kompaundáláshoz a morzsalékos vagy granulált formák előnyösek, amelyek könnyebben oldódnak vagy diszpergálódnak.