O que é TPE?
Devido à sua flexibilidade de design e fabricação, os elastômeros termoplásticos (TPEs) estão entre os plásticos mais versáteis do mercado. Os TPEs combinam as vantagens de processamento dos termoplásticos com as propriedades de desempenho dos elastômeros. Como resultado, são relativamente fáceis de processar utilizando métodos termoplásticos como extrusão e moldagem por injeção, dispensando métodos demorados de processamento da borracha, especialmente a vulcanização.
A natureza de sua estrutura molecular confere aos TPEs altas propriedades elásticas. Todos os TPEs são compostos por domínios cristalinos e amorfos, que podem ser misturas físicas ou ligas de polímeros cristalinos e amorfos, ou copolímeros em bloco — misturas químicas de blocos de domínios cristalinos e amorfos na cadeia do polímero.
Os blocos rígidos são responsáveis pelas propriedades plásticas do produto final no caso dos TPEs e das misturas, incluindo facilidade de processamento, resistência à temperatura, resistência ao rasgo, resistência à tração e resistência química. A adesão também é determinada por essas propriedades. Já os blocos flexíveis são responsáveis pelas propriedades elastoméricas ou elásticas, determinando características como dureza, flexibilidade e extensão da deformação permanente.
Elastômeros termoplásticos: Uma definição rápida
Termofixos, termoplásticos e elastômeros são polímeros comuns. Uma rápida explicação deve esclarecer a natureza dos elastômeros termoplásticos.
Termofixos: Poliuretano e epóxi são exemplos comuns de termofixos. Esses materiais não são solúveis e não podem ser derretidos. Sua resistência vem de uma rede reticulada formada por um oligômero reativo ou resina que reage com um agente reticulante sob calor e pressão.
Termoplásticos: São polímeros que podem ser facilmente derretidos e moldados. Amolecem quando aquecidos e solidificam ao esfriar. Nylon, poliéster e poliolefina são exemplos bem conhecidos. Esses materiais não possuem uma estrutura reticulada.
Elastômeros: São polímeros naturais ou sintéticos com propriedades elásticas. Podem se deformar elasticamente sob tensão de tração ou compressão e retornam à sua forma original não deformada. A borracha natural e a borracha de silicone são exemplos conhecidos.
Elastômeros termoplásticos: Combinam as propriedades dos termoplásticos e dos elastômeros, sendo materiais processados como plástico, mas com características de desempenho superiores à borracha.
Índice
- Elastômeros termoplásticos: Uma definição rápida
- Vantagens / desvantagens
- Tipos de TPEs
- Propriedades dos TPEs
- Processamento de TPE
- Aplicação
- Regulamentação
- TPEs da Kuraray
- Contato
Vantagens
- Alta liberdade de design
- Fácil processamento por moldagem por injeção e extrusão
- Ampla janela de processamento
- Possibilidade de processamento de múltiplos componentes
- Ciclos de produção mais curtos e maior produtividade
- Menor custo de peça acabada
- Menor consumo de energia
- Características do TPEs: Totalmente recicláveis
- Boa coloração
- Baixa permeabilidade
- Excelentes propriedades térmicas e estabilidade do material
- Ampla faixa de dureza: Shore OO, Score C, Shore A e Shore D
- Excelentes propriedades de isolamento elétrico
- Ampla gama de aplicações
Desvantagens
- Sensível ao cisalhamento
- Uso limitado em aplicações de alta temperatura
- Custos mais altos de matéria-prima por kg em comparação com o termofixo
- Baixa resistência a aromáticos
- Encolhimento
Tipos de TPEs
SBC / TPE-S / TPS
Os copolímeros em bloco de estireno (SBCs) são o maior e, provavelmente, o mais versátil grupo de materiais TPE. Compostos por blocos intermediários de estireno duro e blocos finais macios de matérias-primas como butadieno ou isopreno, eles possuem uma estrutura multifásica exclusiva. Em termos gerais, a estrutura dos compostos multifásicos pode ser descrita como uma estrutura de poli(estireno-b-elastômero-b-estireno), obtida por meio de copolimerização em bloco.
Os SBCs são amplamente utilizados devido à sua capacidade de se misturar bem com diversos materiais, incluindo aditivos, resinas e cargas. Eles se destacam por sua alta elasticidade, resistência à tração e à abrasão. Os produtos são incolores e estão disponíveis em uma ampla gama de dureza. Podem ser projetados para funcionar em uma ampla faixa de temperatura, apresentando vários graus de pegajosidade e capacidade de absorção de choques.
As propriedades exatas desse elastômero termoplástico variam de acordo com a estrutura química do bloco de elastômero, permitindo um alto nível de personalização.
Os seguintes tipos principais estão disponíveis:
- SEP: copolímero em bloco de estireno-etileno-propileno
- SEPS: copolímero em bloco de estireno-etileno-propileno-estireno
- SEEPS: copolímero em bloco de estireno-etileno-etileno-propileno-estireno
- S*EEPS*-V: copolímero em bloco S-etileno-etileno-propileno-S (S*: bloco rígido reticulável)
- SBS: copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno
- SEBS: copolímero em bloco de estireno-etileno-butileno-estireno
- SIS: copolímero em bloco de estireno-isopreno-estireno
Além disso, existem TPEs exclusivos ricos em ligações de vinil, que podem substituir o PVC e eliminar a necessidade de usar plastificantes:
- V-SIS: SIS rico em ligação de vinil
- V-SEPS: SEPS rico em ligação de vinil
- V-SEEPS: SEEPS rico em ligação de vinil
A Kuraray oferece os copolímeros de bloco de estireno SEPTON™ e HYBRAR™ que são aplicáveis a uma ampla gama de campos, como compostos de TPE, modificação de polímeros, adesivos, substituição de PVC, aplicações de amortecimento e muito mais.
TPO / TPE-O
As poliolefinas termoplásticas (TPOs) são misturas de borracha EPDM não reticulada e poliolefinas. Elas se caracterizam pela alta resistência química, elevada força e baixa densidade. Os materiais podem ser facilmente processados por extrusão e moldagem por injeção.
Os produtos são muito leves e podem ser usados de forma extremamente flexível. Eles são aplicados em áreas que exigem um alta durabilidade do plástico e resistência ao desgaste, que os copolímeros padrão não são adequados. Isso inclui, por exemplo, painéis de instrumentos para veículos automotores.
TPU / TPE-U
Os poliuretanos termoplásticos (TPUs) são um grupo de plásticos formados pela reação de poliadição de dióis ou polióis com poliisocianatos. Uma característica distintiva dos poliuretanos é o grupo uretano. As propriedades dos TPUs podem variar amplamente, dependendo do grau de reticulação e/ou do componente isocianato ou OH utilizado, eles podem ser usados como elastômeros, termoplásticos ou substitutos da borracha.
As propriedades típicas dos TPUs incluem alta extensibilidade e resistência à tração. Eles possuem excelente resistência à abrasão e notáveis propriedades mecânicas. Além disso, apresentam boa resistência ao oxigênio e ao ozônio.
TPC / TPE-E
Os elastômeros de poliéster termoplástico (TPCs) são copolímeros em bloco lineares com um segmento cristalino e outro amorfo, que conferem elasticidade ao material TPE e facilitam seu processamento. Graças à rigidez do segmento cristalino, os TPCs são resistentes a impactos em uma vasta faixa de temperatura. Possuem alta resistência ao calor, resistência química e resistência ao envelhecimento.
Além dessas características, os TPCs também apresentam boas propriedades de isolamento elétrico. Devido à sua resistência à fadiga e ao rasgo, eles também são usados no setor automotivo e na indústria para mangueiras, cabos, foles, etc.
COPA / PEBA / TPE-A / TPA
Os copolímeros em bloco de poliamida (TPAs) são elastômeros termoplásticos baseados em copolímeros em bloco de poliéster-amida, poliéter-éster-amida ou poliéter-amida. Suas propriedades dependem fortemente do tipo de bloco de poliéter e poliamida, bem como do número e comprimento desses blocos.
Os TPAs são adequados para aplicações exigentes que requerem alta resistência a temperatura e a óleo. Eles também apresentam flexibilidade em baixas temperaturas e são resistentes à abrasão, ao desgaste e ao impacto. Além disso, possuem excelente resistência às intempéries e a produtos químicos.
TPV / TPE-V / EA
Os termoplásticos vulcanizáveis (TPVs) são compostos de polipropileno e borracha EPDM que são vulcanizados dinamicamente durante a composição. Esses plásticos oferecem propriedades semelhantes às da borracha combinadas com a capacidade de processamento fácil e econômica dos termoplásticos.
Os TPVs estão substituindo cada vez mais a borracha vulcanizada termofixa convencional. Devido à sua resistência a altas temperaturas, eles estão sendo cada vez mais usados em aplicações que exigem alta resistência ao calor, alcançando até 130 °C. Como eles também têm boa resistência química e a óleos, o compartimento do motor dos veículos também é um campo de aplicação para esses materiais.
PVC maleável (TPVC)
O cloreto de polivinila (PVC) é um polímero amplamente utilizado em plásticos. O PVC é produzido por polimerização em cadeia a partir do cloreto de vinila. O termoplástico amorfo é frágil e duro, porém ao adicionar plastificantes, ele se torna processável e, portanto, adequado para diversas aplicações. A ampla gama de aplicações abrange desde o setor de construção até pisos e isolamento.
O PVC pode ser dividido em PVC maleável e rígido. O PVC plastificado tem uma alta concentração de plastificantes primários e poliméricos. No entanto, seu uso intenso está associado a desvantagens consideráveis, pois, por um lado, prejudica a durabilidade dos produtos feitos de PVC flexível e limita sua reciclabilidade. Por outro lado, os plastificantes também são considerados perigosos para a saúde, pois podem vazar do material e entrar no meio ambiente e nos alimentos.
Acrílico
Acrílico é o termo coletivo para substâncias químicas que possuem um grupo acrílico, como ésteres de ácido acrílico, e para os polímeros dessas substâncias. O grupo acrílico é fundamental para a reticulação química. Acrilatos derivam seu nome do odor tipicamente pungente do ácido acrílico.
Um exemplo de TPE acrílico macio é o KURARITY™, uma nova série de copolímeros em bloco acrílico produzidos com a tecnologia exclusiva de polimerização viva aniônica da Kuraray, que combina diversos (met)acrilatos em copolímeros em bloco do tipo A-B ou A-B-A. Este processo de polimerização controlada permite que o KURARITY™ permaneça excepcionalmente limpo, com um mínimo de monômero ou oligômero residual, em comparação com os polímeros acrílicos convencionais produzidos por polimerização radical.
Devido à sua estrutura, o KURARITY™ apresenta uma variedade de propriedades, como excelente transparência, resistência às intempéries, autoaderência e boa compatibilidade com outros materiais polares. Os polímeros à base de acrílico tipo tri-bloco e di-bloco podem ser extrudados em uma ampla variedade de aplicações, como adesivos, peças moldadas ou guias de luz. Alternativamente, o KURARITY™ pode ser usado como aditivo para melhorar a compatibilidade ou modificar plásticos polares.
TPEs de base biológica
Os TPEs de base biológica são aqueles produtos em que pelo menos parte do polímero ou monômero consiste em material produzido a partir de matérias-primas renováveis, por exemplo, cana-de-açúcar ou milho. A parte restante dos polímeros pode consistir em carbono de fontes fósseis. A produção de materiais personalizados, 100% de base biológica, como os termoplásticos polihidroxialcanoatos (PHA) e polissacarídeos, ainda apresenta dificuldades.
A síntese de TPEs de base biológica se baseia principalmente em processos biológicos e bioquímicos. É importante notar que o termo “de base biológica” não significa necessariamente “biodegradável”. Embora os TPEs de base biológica possam ser biodegradáveis, isso geralmente não ocorre.
A Kuraray oferece um TPE exclusivo de base biológica chamado de SEPTON™ BIO-series, uma família de copolímeros de estireno farneseno hidrogenados (HSFCs) feitos de cana-de-açúcar.
Propriedades dos TPEs
Dureza
A dureza do material é um importante critério de seleção para um elastômero termoplástico. O valor característico da dureza de um TPE geralmente é o valor Shore, que é determinado com o auxílio de um durômetro Shore. Este instrumento mede a profundidade de uma depressão no material criada por uma força específica em um penetrador padronizado.
A norma ISO 7619-1 reconhece doze escalas diferentes de durômetro, utilizando diferentes forças de mola e penetradores. As duas escalas mais comumente usadas para medir a dureza de um TPE são Shore A (penetrador rombudo, força de mola moderada) e Shore D (penetrador afiado, força de mola mais forte). Shore C representa um meio-termo entre Shore A e Shore D. Para materiais supermacios, como a linha SEPTON™ J-series, existe o Shore OO. No entanto, outras escalas de durômetro também são usadas.
Resistência à temperatura
As várias aplicações de elastômeros termoplásticos exigem diferentes resistências de temperatura do material. A duração e o tipo de estresse, assim como a forma das peças, influenciam os requisitos para a resistência máxima à temperatura.
Um exemplo extremo de exigências de alta resistência ao calor são os componentes automotivos sob o capô de carros e caminhões. TPEs como o SEPTON™ V-series pode substituir a borracha natural nas mangueiras, resultando também em menos resíduos. Graças à tecnologia de moldagem por injeção, eles permitem tempos de ciclo mais curtos na produção de anéis de vedação. A reticulação, como ocorre com a borracha, não é necessária.
Propriedades de tração
As propriedades de alongamento dos TPEs são determinadas por meio de vários métodos de teste.
Para determinar a resistência à ruptura de um elastômero termoplástico, ele é esticado até quebrar. A resistência à tração na ruptura é determinada em testes com corpos de prova padronizados e geralmente é dada em megapascal (MPa). Os elastômeros com alta resistência à ruptura não se rompem tão facilmente quanto aqueles com valores mais baixos quando esticados.
Nas aplicações, um elastômero termoplástico também deve ser resistente ao rasgo. As unidades de medida comumente usadas são psi (libras por polegada quadrada) ou kN/m (quilonewtons por metro).
O módulo de elasticidade é um parâmetro do material que descreve a relação proporcional entre estresse e deformação quando um corpo sólido se deforma em comportamento linear elástico. Nesse teste de deformação, a resistência à deformação é medida ao longo de uma faixa de pontos de deformação.
Outro parâmetro importante é o alongamento na ruptura. Ele indica até que ponto o elastômero pode ser esticado antes de se romper e é dado como uma porcentagem do comprimento original. No caso de elastômeros macios, esse valor pode ser superior a 1.000 por cento.
Compressão permanente
O conjunto de compressão de um material TPE também é de grande importância. É uma medida de como um elastômero termoplástico se comporta sob compressão prolongada e constante e subsequente liberação. A compressão permanente é expressa como a porcentagem de deflexão pela qual uma amostra de elastômero não retorna à sua espessura original após a liberação de uma carga compressiva.
A compressão permanente é medida de acordo com DIN 53 517, ISO 815 ou ASTM D 395 com deformação constante. Para determinar essa quantidade, um corpo de prova cilíndrico é comprimido em uma determinada porcentagem e armazenado por um determinado tempo em uma determinada temperatura. Um valor de zero por cento significa que a amostra recuperou totalmente sua espessura original, o que é impossível na realidade. Um conjunto de compressão de 100% significa que o corpo foi totalmente deformado e não apresenta recuperação.
A deformação permanente é um parâmetro importante, especialmente para o uso de vedações feitas de elastômeros. Assim, os materiais com um conjunto de compressão baixo são mais adequados para aplicações de vedação.
Encolhimento
Peças moldadas de material TPE encolhem durante o resfriamento. Embora a retração geralmente ocorra apenas na faixa microscópica, ela pode afetar o processo de moldagem e remoção, bem como a aparência e o ajuste exato da peça moldada. O encolhimento irregular é particularmente problemático. Portanto, o encolhimento merece atenção especial e deve ser considerado no projeto do molde e no fluxo do processo. Como os polímeros diferem em suas propriedades de elasticidade e retração, é aconselhável que os processadores obtenham informações sobre os materiais dos fabricantes de TPEs.
Segurança
Os elastômeros termoplásticos são submetidos a testes rigorosos e devem cumprir uma série de normas regulatórias e de segurança. Os requisitos exatos variam de acordo com a aplicação do material.
Um exemplo de TPEs particularmente seguros são certos grades da Kuraray que podem ser usados para contato com alimentos e para fins médicos. Alguns dos TPEs da Kuraray estão em conformidade com a FDA para contato com alimentos e com a EU Nº 10/2011.
Os produtos feitos de TPEs de grau médico podem ser esterilizados por meio de vários processos e contêm apenas uma proporção muito baixa de substâncias extraíveis. A biocompatibilidade dos TPEs de grau médico da Kuraray é estudada de acordo com a ISO 10993, incluindo a ISO 10993-4 (hemólise), -5 (citotoxicidade), -10 (sensibilização da pele) e -11 (pirogênio). Os TPEs de grau médico da Kuraray também cumprem os requisitos da USP <88> Class VI e foram atribuídos ao arquivo mestre de medicamentos da FDA.
Outras propriedades
Dependendo da aplicação, outras propriedades dos TPEs devem ser consideradas na escolha do material. Estas incluem resistência química, estabilidade aos raios UV e propriedades elétricas, entre outras.
Processamento de TPE
Moldagem por injeção
A moldagem por injeção é, de longe, a técnica mais importante para o processamento de material TPE. O principal motivo para isso é a alta produtividade da moldagem por injeção e o processamento limpo e sem resíduos.
Na moldagem por injeção, o plástico fundido é injetado em um molde, tornando o produto final uma cópia exata do molde. O comportamento dos TPEs nesse processo corresponde ao de outros termoplásticos no canal quente. Os processos de co-injeção e inserção são igualmente adequados para essa aplicação. A moldagem por injeção é usada principalmente para produzir peças sólidas, como ferramentas ou componentes, que podem ser fabricadas em grandes volumes e com grande precisão.
Extrusão
A extrusão é um dos processos mais populares para a fabricação de tubos, perfis etc. a partir de elastômeros termoplásticos. Neste processo contínuo, o material é moldado ao ser forçado a passar por uma matriz cujo perfil de seção transversal o material assume.
Na extrusão, os pellets de TPE são alimentados no funil da extrusora e, em seguida, aquecidos e derretidos por uma rosca em espiral que gira em um cilindro aquecido. A rosca transporta o plástico fundido por meio de uma matriz para criar comprimentos contínuos de moldes com o mesmo perfil, que são então resfriados. Ao contrário da moldagem por injeção, a extrusão geralmente produz um produto semiacabado ou intermediário que deve ser processado posteriormente. Esse processo pode ser usado para produzir seções transversais muito complexas com um acabamento de superfície muito bom e um alto grau de liberdade de design.
Moldagem por extrusão e sopro
Outro processo importante para a moldagem de perfis é a extrusão de TPE. Na extrusão, o plástico fundido é extrudado em um molde ou matriz. Em seguida, o ar é soprado no molde ou na ferramenta para criar a forma desejada.
A tecnologia dominante aqui é a extrusora de rosca única. Entretanto, outras extrusoras, como as de rosca tripla, também são usadas. A extrusão é usada para produzir até mesmo peças ocas complexas, como garrafas e contêineres. Além da produção de perfis, a extrusão também é usada para chapas, tubos e outros formatos.
Outros métodos de processamento de elastômeros termoplásticos
Além dos métodos de moldagem por injeção, extrusão e moldagem por sopro e extrusão descritos acima, outros métodos também são utilizados para o processamento de TPEs, embora em alguns casos em menor escala. Estes incluem processamento de dois componentes (2k), calandragem a quente, termoformagem, soldagem a quente e moldagem por compressão.
Impressão 3D
Outra área de aplicação para materiais TPE é a impressão 3D, para a qual materiais com propriedades semelhantes à borracha foram considerados inviáveis por muito tempo. Filamentos flexíveis de TPE são utilizados para produzir peças flexíveis ou personalizáveis, como capas de smartphones. O poliuretano termoplástico (TPU) é o material mais comumente usado para impressão 3D. Por outro lado, para aplicações especializadas, como o processamento de PLA, acrilonitrila butadieno estireno (ABS) e policarbonato (PC), os TPS da Kuraray são particularmente bem adequados.
Aplicação
Os TPEs são adequados como materiais para aplicações onde é necessário um material flexível ou elastomérico. Em comparação com as borrachas termofixas convencionais e os termoplásticos plastificados, eles oferecem vantagens em termos de custo, qualidade e segurança, além de propriedades tóxicas. Devido às suas propriedades mecânicas versáteis e às diferentes tecnologias de processamento, a gama de aplicações dos TPEs é extremamente ampla.
Regulamentação
FDA
A Food and Drug Administration (FDA) impõe requisitos rigorosos para alimentos produzidos ou importados para os Estados Unidos. A indústria alimentícia utiliza uma grande variedade de plásticos que entram em contato com os alimentos. Esses plásticos devem estar em conformidade com os requisitos da FDA.
USP
Os plásticos utilizados em produtos farmacêuticos e dispositivos médicos são divididos em seis classes de biocompatibilidade pela United States Pharmacopeia (USP).
Diretiva / regulamentação da UE
Vários regulamentos e diretivas da UE abordam os requisitos para plásticos, como a Diretiva (UE) 2019/1904 sobre artigos plásticos de uso único. Outro exemplo é a Diretiva 93/42/CEE da UE, que contém requisitos específicos para dispositivos médicos em termos de segurança, qualidade e adequação, incluindo plásticos usados em tecnologia médica.
ISO 10993
A ISO 10993 é uma série de normas ISO para a avaliação biológica de dispositivos médicos. Ele é particularmente relevante para fabricantes de dispositivos médicos e laboratórios de testes. O objetivo da norma é avaliar a compatibilidade biológica dos materiais utilizados com o corpo. Isso significa que não apenas os produtos, mas também os materiais componentes para a fabricação de dispositivos médicos são testados, incluindo TPEs de grau médico.
Testes ASTM
A ASTM International é uma organização internacional de padronização sediada nos EUA que publica normas técnicas para bens e serviços. A utilização das normas ASTM é voluntária, exceto no setor financiado pelo governo nos EUA. Apesar de ser voluntário, muitos fabricantes submetem seus elastômeros termoplásticos e outros produtos aos testes da ASTM, pois isso é de seu próprio interesse para garantir a comparabilidade e permitir que os clientes entendam melhor os produtos.
TPEs da Kuraray
SEPTON™ (HSBC)
SEPTON™ é uma série de elastômeros termoplásticos de estireno desenvolvidos pela Kuraray. Os Copolímeros em Bloco de Estireno Hidrogenado (HSBCs) consistem em blocos rígidos à base de estireno e um bloco flexível de dieno hidrogenado. Os HSBCs exibem elasticidade semelhante à borracha, pois o bloco rígido atua como ponto de reticulação abaixo da temperatura de transição vítrea do poliestireno, enquanto o bloco macio proporciona elasticidade. A hidrogenação promove excelente resistência ao calor e às intempéries.
Série SEPTON™ BIO (TPE de base biológica)
Com a linha SEPTON™ BIO-series, a Kuraray oferece um copolímero em bloco de estireno farneseno hidrogenado (HSFC) exclusivo, o que torna a Kuraray a primeira e única fabricante de materiais HSBC de base biológica no mercado. O elastômero termoplástico SEPTON™ BIO-series representa uma nova solução para os fabricantes, possibilitando novos compostos e usos finais com alto conteúdo de base biológica para expandir áreas de mercado existentes e abrir novas.
HYBRAR™ (SBC/HSBC)
HYBRAR™ é um copolímero em bloco verdadeiramente único, que consiste em blocos terminais de poliestireno e um bloco intermediário de polidieno rico em vinil. Devido ao seu pico tan delta em uma ampla faixa de temperatura, o HYBRAR™ apresenta excelentes propriedades de amortecimento de vibração e absorção de choque – mesmo sem plastificante integrado. Esses TPEs estão disponíveis como grades hidrogenados e não hidrogenados.
KURARITY™ (acrílico)
KURARITY™ é uma nova série de copolímeros em bloco de acrílico produzidos com a exclusiva tecnologia de polimerização aniônica viva da Kuraray, que combina vários (met)acrilatos em copolímeros em bloco do tipo A-B ou A-B-A. Devido à sua estrutura, os elastômeros termoplásticos KURARITY™ apresentam uma variedade de propriedades, como excelente transparência, resistência a intempéries, autoadesão e boa compatibilidade com outros materiais polares.
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