彈性高分子

第九章 彈性高分子材料

1. 彈性高分子簡述 2. 彈性高分子之加工 3. 彈性橡膠配方探討 4. 彈性高分子複合材料 5. 材料應用

6. 未來發展

7. 結論

彈性高分子

• 彈性體(Elastomer)屬於高分子物質

• 有天然或合成彈性體(橡膠)

• 高延伸性,高回復性,抗壓縮性……..

• 熱固性彈性體

• 熱可塑性彈性體 TPE

(Thermoplastic Elastomer )

• 型態:固狀及液狀(Latex)

橡膠種類

• SBR (Styrene-Butadiene Rubber)

• NR(Natural Rubber)

• IR(Polyisoprene Rubber)

• BR(Polybutadiene Rubber)

• CR(Polychloroprene Rubber)

• NBR(Nitrile-Butadiene Rubber)

• EPR

橡膠選擇

• 先依須求選擇橡膠種類別

• 再依該類橡膠選擇適當等級

2. 木尼黏度(Mooney viscosity)

3. 流變性(Rheological Properties) 4. 適用範圍

5. 特性

NBR 橡膠特性說明

南帝橡膠產品清單

標準高丙烯 腈型，加工 性特優。

低丙烯 腈 型，耐低溫 特性優。

特 性

41 19 AN,%

應用在高耐油製品，適合於耐油，燃料油 管及耐溶劑之汽車部品，油管，油槽內 襯，迫緊，墊圈，油封，印刷滾輪等，比 中高丙烯 型更具耐油性要求之應用。

68 1051

低AN 型，耐低溫特性優。

航空及特殊耐低溫之耐油製品應用。

63 6004

主 要 應 用 M.V

品 別

NBR 橡膠特性說明

以南帝化工NANCAR^® 6004為例

Non-staining Stabilizer(安定劑)

0.94

Specific gravity(比重)

ASTM D-1416 0.5

Heat loss, % (受熱損失率)

ASTM D-1646 63

Mooney viscosity, ML₁₊₄

@100^oC (木尼黏度)

NANTEX E-001 19

Bound acrylonitrile, %

TEST METHOD TYPICAL

VALUE POLYMER PROPERTIES

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

定義:將生橡膠製成橡膠製品的過程。

各種橡膠製品加工的基本過程包括素練,混練,壓出,成 型和硫化等過程﹐其中每個過程針對製品有不同要求,可 再分別配合其它設備輔助加工。

為了能將各種所需的配合劑加入橡膠中﹐生橡膠首先 需經過素煉提高其可塑性成為素練膠,然後,再經混煉過程 將各種配合劑與橡膠均勻混合成混練膠﹔混練膠經過壓出

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

流程示意圖:

生橡膠 ^素練 素練膠 ^混練 混練膠

配合劑添加

壓出

硫化 預成型膠 彈性體 加溫

彈性 再加工

複合材料

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

• 素煉（Breakdown﹐Mastication）

使生橡膠大分子鏈斷裂,分子鏈由長變短而使分子量分布均勻化 而黏度降低的過程。目的在於使混練加工較容易。

素練加工較常使用開放式雙滾輪機﹑密閉式混合機等機械進行。

利用強烈的機械剪切力作用下使生橡膠發生斷鏈 ,而達成素練目的。

素練亦可被解釋為不同生橡膠之預混合。

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

• 混煉（mixing of rubber compounds）

將素練膠與各種配合劑利用密閉式萬馬 力機(Banbury)或開放式雙滾輪機混合均勻的 過程。

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

• 壓出

是指混練膠通過壓出機料槽和螺杆間的 作用,邊被螺杆向前推送,連續通過模具頭而 形成各種形狀“預成形膠體”的一種加工方 法。

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

• 模壓硫化

硫化的反應主要是屬於架橋反應,意即混練後 的橡膠大分子在加熱下與交聯劑硫磺發生化學反 應,交聯成為立體網狀結構的過程。經過硫化後的 橡膠即具有高彈性。

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

彈性體的再加工---彈性複合材料

•不同彈性體的結合:如NR彈性體與EVA

•與其它紡織品的黏合:如CR發泡彈性體黏 合彈性布

•與其它功能性材料的結合:如抗菌劑,奈米 材料(Film,powder),耐候塗料,印刷……

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

加工機械: 密閉式利拿混練機

開放式雙滾輪機

膠料素練區(在前後輪中間,可調整空隙)

前輪

混練槽

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

加工機械:

押(壓)出機

油壓式加硫機

膠料入口 押出模頭

模具及膠料置放處

上揚油壓桿

彈性高分子(橡膠)的加工 Rubber Processing

加工機械:六層式油壓加硫機—較省時

6

1

油壓系統

六層加硫系統

電控系統

彈性橡膠配方探討

key point:設計膠料配方時,除了要了

配方的基本組成包含:橡膠(主膠), 加硫劑,加硫促進劑,軟化劑,填充劑,補強

彈性橡膠配方探討

活性鋅氧粉Active Zinc Oxide

外觀顏色:白色粉狀物

用途:橡膠促進劑,顏料,補強劑

Accelerator activator, pigment, and reinforcing agent in rubber;

彈性橡膠配方探討

軟 化 油(softener)

石油系軟化油對各種橡膠的適合性及配合率

石蜡基油(Paraffinic Oil) 環烷基油Naphthenic Oil) 芳香基油( Aromatic Oil)

適合性 配合率(部) 適合性 配合率(部) 適合性 配合率(部)

NR 良好 5 - 10 良好 5 –15 非常良好 5 –15

SBR 良好 5 - 10 非常良好 5 - 15 非常良好 5 - 50

NBR 不良 不適 不良 不適 良好 5 - 30

BR (IIR) 良好 10 - 25 良好 10 –25 良 不使用

IR 良好 5 - 10 良好 5 - 15 良 5 - 15

EPT 良好 10 - 50 非常良好 10 - 50 良 10 –50

EPDM 良好 10 –50 非常良好 10 - 50 良 10 - 50

彈性橡膠配方探討

硫化促進劑(Accelerators of Vulcanizations⁾

目的:促進橡膠硫化反應的配合劑,可節省製程時間,使硫化均勻化,提升物性 及防止老化現象提早發生。可區分為無機型及有機型促進劑。

無機型:氧化鋅, 氧化鎂.氧化鉛…

有機型: 胍類(Guanidine) , 秋蘭姆類( Thiuram )….

依”促進速度”分類:慢型,中型,快型,超快型促進劑….

選擇因素:1.依生橡膠別

2.與其它藥劑的作用 3.在硫化過程中的反應 4.視所須產品須求之物性

彈性橡膠配方探討

加硫劑(Vulcanizing Agent)

目的:賦予橡膠伸長性與彈性,增強其它物性而具備實用價 值。

目前加硫劑使用最廣的是:硫黃(sulfur).

高 伸長性/彈性 無或低

無或極低 有

黏性

高 低

拉力及回復性

生橡膠 硫化橡膠

彈性橡膠配方探討

填充劑(Fillers)

目的:為降低配方成本,達到增量效果之填充物,多以無機 礦物為主,例如:碳酸鈣,黏土,….

補強劑(Reforcing Agent)

目的:用以強化橡膠耐磨或拉力,硬度等物性,一般以無機 型較多,例如:黑煙(carbon black),二氧化矽,二氧化鈦, 鎂強粉,活性碳酸鈣,..等等,有機補強劑例如：硫化油膏 (factice),高苯乙烯橡膠,丁二烯橡膠,酚醛樹脂……

有些無機粉體兼具二者之特性

彈性橡膠配方探討

防老劑（Antioxidants)

目的：避免橡膠因空氣氧化,日光或高低溫及環境變化而 產生老化（aging)現象。

依用途概略又可分：抗臭氧劑,抗龜裂劑,耐熱劑,耐撓屈 劑,抗低溫劑….等。

考量因素：1.容易加工及分散性佳 2.不會影響到加硫系統

3.對於橡膠產品不會產生不良影響

彈性橡膠配方探討

彈性橡膠基本配合

0.5~7 Stearic acid

10~200 Reinforcing agent(or fillers)

5~25 Softener(oil)

0.5~5 Antioxidant

1~5 Zinc oxid

0.2~5 Accelerator

0.2~4 Sulfur

100 Rubber

比例(PHR) 配方名

PHR:PARTS PER HUNDREDS RUBBER 生膠所佔之重量百分率

彈性橡膠配方探討

用於鞋底的彈性橡膠配方

1 黑煙分散助劑

D-H

3 加硫劑

Sulfur

50 補強劑/填充劑

SiO2

1.5 分散助劑

Stearic acid

15 補強劑黑煙

HAF 330

1 加硫促進劑

TMTD

1.5 加硫促進劑

DM

1 抗龜裂劑

Wax

4.5 加硫活性劑

Zno

40 主要生橡膠(提升硬度)

HSR

60 主要生橡膠

SBR

比例PHR 目的

配方名

彈性橡膠配方探討

用於鞋底的彈性橡膠 加硫條件:160℃/press 15mins

木尼黏度: ML1+4(100℃)=55 硫化數據: TS5=1’35”

TC90=12’30’

ML=5(單位) MH=35(單位)

鞋底物性:1.M100(kg/cm2)=95

2.AKRON ABROSION(cc/1000次)=0.885 3.TB(kg/cm2)=200

4.EB % =250

5.H (ASKER TYPE C)=88 6.D (g/cm3)=1.265

7.TR(kg/cm)=33

8.Crocking (5℃/20000次)=pass 9.C.S(60℃/22hrs) %=22

彈性橡膠配方探討

ML1+4(100 ℃)=55

木尼黏度Mooney Viscosity

以大轉子L type 進行測試

測試時先預熱1分鐘,再設定4 分鐘為測試時間

測試溫度為100℃

木尼值

木尼值說明:

彈性橡膠配方探討

硫變曲線說明:

資料來源:MLPC International Technical Report N°2 Nov 2004 DPTU : an alternative to ETU in EPDM compounds

彈性高分子複合材料

CR 橡膠海棉:以CR橡膠添加各項配方及化學發泡劑,經熱 壓發泡製造而成,具有以下基本特性。

1.密閉式獨立氣泡,(氮氣) 2.密度低,高氣密性

3.耐候性佳

4.柔軟性佳及高伸長率 5.防水

6.耐油性及耐燃性佳

7.可貼合各式布種,作複合材料

8.可作其它特殊加工(如壓紋,表層加工………)

彈性高分子複合材料

CR 橡膠海棉物性舉例(以南良海棉,代號為W8):

UL-94 HBF/PASS 制燃性

Max 3%

吸水率

Max 25%

壓縮變形率

Max 3%

熱收縮率

Min 2 kg/cm 撕裂強度

Min 6 kg/cm2 拉力強度

Min 450 % 伸長率

0.18 +/- 0.02 密度

彈性高分子複合材料

外層布

接著劑層 CR橡膠海棉 底層布 接著劑層

1.CR SPONGE laminated to a stretch nylon facing on front(RED) and back(BLACK).

2.The CR sponge insulation is buoyant waterproof, petroleum, oils resistance.

高彈性貼合品

彈性高分子複合材料

PU合成皮(或Film)

接著劑層 CR橡膠海棉 底層布 接著劑層

高彈性貼合品

貼合品實樣圖

依用途別,選擇聚酯型或聚醚型PU

彈性高分子複合材料

表層PU及SILICONE加工

CR橡膠海棉

底層布 接著劑層 材料名:多功能NEOSKIN(台灣專利)

具有: 1.低吸水率

2.低的水磨擦阻力 3.快乾

4.高伸長率/彈性回復力

彈性高分子複合材料

壓紋層

接著劑層 CR橡膠海棉 底層布 接著劑層

彈性壓紋材料:

各式壓紋圖案實樣:

彈性高分子貼合品應用

Easily and quickly donned and very effective in

protecting the user in the event of cold water

immersion.

安全救生衣:IMMERSION SUIT 通過UL-1197安規認證

彈性高分子貼合品應用

安全救生背心衣: 通過USA/UL-1191 安規認證

通過CE/EN 393 ,395安規認證

必須具備 : 1.高強度 2.耐油性 3.高浮力 4.高抗壓縮

5.高耐候性………

彈性高分子貼合品應用

各式袋類

手機套

各式防水袋及保溫袋休閒袋眼

CD袋

彈性高分子貼合品應用

各式護具 _護

指套護踝護脕護膝 護腰帶護肩護額護肘

彈性高分子貼合品應用

各式水上運動衣服:

釣魚褲泳 潛水衣 衝浪衣

彈性高分子貼合品應用

農夫鞋 潛水鞋 溯溪鞋 安全鞋

運動鞋 涼鞋 登山鞋 休閒鞋

各式鞋

彈性高分子貼合品應用

高爾夫球手套 釣魚手套

潛水手套

各式手套

未來發展面

2004年台灣石化產業產值達新台幣18,120億元，較2003年 成長27.3% 。

我國石化產業整體產值約佔我國製造業總產值的三分之一

目前全球石化產業發展重心仍以亞洲為主，其中以中國大 陸為亞洲主要的發展重心 。

國際原油價格飆漲至每桶60美元以上 ，全球石化產業景 氣仍持續向上挺升。

資料來源:http://www.chemnet.com.tw/

契機:

未來發展

環境友善性材料:

A. 省能,省資源,可回收再使用:REDUCE,REUSE,RECYCLE 橡膠加工製程如何省能源?

橡膠製品如何使用最少原料,而能得到最佳製品?

是否可使用回收材料?或是否可回收再使用?

B. 綠色認證標章:

歐盟OEKO-TEX STANDARD 100綠色認證

歐盟電子電器類產品之要求---ROHS,WEEE…指令 NIKE/RSL

ADIDAS/A-01

C. 綠色原料的研發:

有毒有機溶劑的替代品?

未來發展

多功能性的發展:

A. 彈性加上抗菌:

有機抗菌劑—AEGIS,MICROBAN,………

天然抗菌劑—幾丁聚醣(甲殼素).竹碳,……

無機抗菌劑—銀離子, B. 疊層材料:

與其它高分子材料結合—紡織物,金屬,制震材…

功能性薄膜之結合 C. 功能性材料的混合

磁性粉體的添加 導電性材料的添加

溫控材料的添加…………

D. 生化材料BIOMATERIALS

未來發展

奈米彈性體:

A. 原料端的開發

生橡膠即已添加有奈米材料—SBR , NBR 奈米粉體—CLAY , CaCO3 , ZnO ,Ag…

奈米粉體的處理 ---粉體表層進行”加工”

B. 橡膠加工面

混合技術---分散性 物性及效果確認

再現性及品質穩定性 C. 驗證

奈米標章?

功能驗證?

未來發展

安規認證:

A. UL-94 阻燃性認證

多被運用在銷往美國與電子電氣類有關之產品或其零件 B. UL-1191 救生設備認證

多被運用在銷往美國與海事用品有關之產品或其零件 C. 汽車車輛使用材料之安規

例如:SAE J1885 , FMVSS 302 ,ASTM D1056……

D. 美國EPA 或 FDA 認證

未來發展

控制

留置 移轉

能 力

高

低

避免 研發時的風險評估

總結

引用新技術、新知識及提升產業內部人才

，可持續創造台灣橡膠產業的新生命

有”傳統觀念” ， 無”傳統產業”