熱可塑性エラストマー

熱可塑性エラストマー( TPE ) は、熱可塑性ゴム( TPR )とも呼ばれ、熱可塑性とエラストマーの両方の特性を持つ材料で構成されるコポリマーまたはポリマー(通常はプラスチックとゴム)の物理的混合物の一種です。

ほとんどのエラストマーは熱硬化性ですが、熱可塑性エラストマーはそうではありません。そのため、たとえば射出成形などによる製造が比較的容易です。熱可塑性エラストマーは、ゴム材料とプラスチック材料の両方に共通する利点を備えています。熱可塑性エラストマーを使用する利点は、適度な伸びまで伸ばして元の形状に近い状態に戻ることができるため、他の材料よりも寿命が長く、物理的範囲が広いことです。^[1]

熱硬化性エラストマーと熱可塑性エラストマーの主な違いは、その構造における架橋結合の種類です。実際、架橋は高い弾性特性を与える重要な構造要因です。

市販の TPE には、6 つの一般的なクラス (ISO 18064 に従った指定) と 1 つの未分類のカテゴリがあります。

• スチレン系ブロック共重合体、TPS（TPE-s）
• 熱可塑性ポリオレフィンエラストマー、TPO (TPE-o)
• 熱可塑性加硫物、TPV（TPE-vまたはTPV）
• 熱可塑性ポリウレタン、TPU (TPU)
• 熱可塑性コポリエステル、TPC (TPE-E)
• 熱可塑性ポリアミド、TPA (TPE-A)
• 分類されていない熱可塑性エラストマー、TPZ

• ブロック共重合体グループに属する TPE 材料には、CAWITON†、MELIFLEX、THERMOLAST K†、THERMOLAST M†、Chemiton、Arnitel、Hytrel、Dryflex†、Mediprene、Kraton、Pibiflex、Sofprene†、Tuftec†、Laprene† などがあります。

†はスチレンブロック共重合体（TPE-s）を示します。

• Laripur、Desmopan、Estane、Texin、Elastollan は熱可塑性ポリウレタン(TPU) の例です。

• Sarlink、Santoprene、Termoton、Solprene、THERMOLAST V、Vegaprene、^[3]およびForpreneはTPV材料の例です。

• 熱可塑性オレフィンエラストマー (TPO) 化合物の例としては、For-Tec E や Engage などがあります。3Dプリントには Ninjaflex が使用されます。

熱可塑性エラストマーとして認定されるためには、材料は次の 3 つの重要な特性を備えている必要があります。

• 適度な伸びまで引き伸ばされ、応力が除去されると元の形状に近い状態に戻る能力
• 高温で溶融して加工可能
• 顕著なクリープがない

TPE は、1950 年代に熱可塑性ポリウレタン ポリマーが利用可能になったときに商業的に実現しました。1960 年代にはスチレン ブロック コポリマーが利用可能になり、1970 年代にはさまざまな TPE が登場しました。TPE の全世界での使用量 (1990 年には年間 680,000 トン) は、年間約 9% 増加しています。

スチレンブタジエン材料は、ポリスチレンとポリブタジエンのブロック間の不適合性により 2 相の微細構造を持ち、前者は正確な組成に応じて球状または棒状に分離します。ポリスチレン含有量が低いため、材料はポリブタジエンの特性が優勢なエラストマーです。一般に、最終的な建設目標に合わせて組成を変えることができるため、従来の架橋ゴムよりもはるかに幅広い特性を提供します。

ブロック共重合体は、右に示すスチレン-ブタジエン-スチレン (SBS) ブロック共重合体のように、ミクロ相分離して周期的なナノ構造を形成できるため興味深いものです。このポリマーはKratonとして知られ、靴底や接着剤に使用されています。ミクロ微細構造のため、構造を調べるには透過型電子顕微鏡(TEM) が必要でした。ブタジエン マトリックスは、画像のコントラストを出すために 四酸化オスミウムで染色されました。

この材料はリビング重合によって製造されたため、ブロックはほぼ単分散であり、非常に規則的な微細構造を形成するのに役立っています。メイン画像のポリスチレンブロックの分子量は102,000です。挿入画像の分子量は91,000で、わずかに小さいドメインを生成します。ドメイン間の間隔は、微細構造に関する情報を提供する技術である小角X線散乱によって確認されています。ほとんどのポリマーは互いに非相溶性であるため、ブロックポリマーを形成すると通常は相分離が生じます。この原理は、SBSブロックポリマーの導入以来、特にブロックの1つが高度に結晶性である場合に広く利用されています。非相溶性の規則の例外の1つは、ポリスチレンとポリフェニレンオキシドまたはPPOが互いに連続ブレンドを形成する 材料Norylです。

その他の TPE には、コポリエステル ゴムなどのように、1 種類のブロックが隣接する鎖内の他のブロックと共結晶化する結晶ドメインがあり、SBS ブロック ポリマーと同じ効果が得られます。ブロックの長さに応じて、ドメインは一般に結晶融点が高いため、後者よりも安定しています。その点によって、材料を成形するために必要な処理温度と、製品の最終的な使用温度が決まります。このような材料には、ポリエステル ポリエーテル コポリマーの Hytrel や、ナイロンまたはポリアミド ポリエーテル コポリマーのPebax などがあります。

環境によっては、TPEは広範囲の温度や非極性材料にさらされた場合でも、優れた熱特性と材料安定性を示します。^[1] TPEは製造に必要なエネルギーが少なく、ほとんどの染料で簡単に着色でき、経済的な品質管理が可能です。TPEは配合をほとんど必要とせず、強化剤、安定剤、硬化システムを追加する必要もありません。したがって、重量や計量成分のバッチ間のばらつきがなく、原材料と加工品の両方で一貫性が向上します。TPE材料は、プラスチックのように成形、押し出し、再利用できるため、リサイクルできる可能性がありますが、ゴムの典型的な弾性特性があり、熱硬化性のためリサイクルできません。また、リサイクルボットを使用して粉砕し、3Dプリントフィラメントにすることもできます。

TPEの最も重要な2つの製造方法は、押し出し成形と射出成形です。TPEは現在3Dプリントが可能で、分散製造を使用して製品を製造する方が経済的に有利であることが証明されています。^{[5] [6]} 圧縮成形はほとんど使用されていません。射出成形による製造は非常に迅速かつ経済的です。従来の熱可塑性プラスチックの押し出し成形や射出成形に通常使用される装置と方法は、どちらもTPEに適しています。TPEは、ブロー成形、メルトカレンダー、^[7] 熱成形、熱溶接によっても加工できます。

TPEは、従来のエラストマーでは製品に必要なさまざまな物理的特性を提供できない場合に使用されます。これらの材料は、自動車部門や家電部門で広く使用されています。たとえば、コポリエステルTPEは、剛性と耐摩耗性が重要となるスノーモービルのトラックで使用されます。熱可塑性オレフィン（TPO）は、屋根材としてますます使用されています。^{[8] TPEは、ナイロンブロックコポリマーが患者に最適なさまざまな柔らかさを提供する}カテーテルにも広く使用されています。熱可塑性シリコーンとオレフィンのブレンドは、グラスランの押し出し成形や車の動的ウェザーストリッププロファイルに使用されます。スチレンブロックコポリマーは、加工が容易なため靴底に使用され、接着剤としても広く使用されています。

さまざまな熱可塑性基板への2成分射出成形における比類のない能力により、エンジニアリングTPS材料は、自動車市場から消費者製品や医療製品に至るまで、幅広い技術用途をカバーしています。それらの例としては、ソフトグリップ表面、デザイン要素、バックライト付きスイッチと表面、シーリング、ガスケット、またはダンピング要素があります。TPEは、通常のゴム製ブッシングと比較して変形に対する耐性が優れているため、自動車のパフォーマンスアプリケーションのサスペンションブッシングの製造によく使用されます。熱可塑性プラスチックは、機能、コスト効率、およびプラスチック樹脂をさまざまなカバー、ファン、ハウジングに変更する適応性により、暖房、換気、空調（HVAC ）業界で成長を遂げてきました。

• PR ルイスとC プライス、ポリマー、13、20 (1972)
• モダンプラスチック百科事典10月中旬号、TPE入門、109-110ページ
• アクティブウェアの最新素材と技術開発（ジョアン・イップ、2020年、66-67ページ）