Каковы свойства гидрированного блок-сополимера стирола и бутадиена (SEBS) и где он используется?

Что такое SEBS и чем он структурно отличается от SBS?

Гидрированный блок-сополимер стирола и бутадиена , повсеместно обозначаемый как SEBS, представляет собой термопластичный эластомер (TPE), получаемый путем селективного гидрирования блок-сополимера стирола-бутадиена-стирола (SBS). В этом процессе гидрирования двойные связи углерод-углерод в полибутадиеновом среднем блоке СБС насыщаются водородом в каталитических условиях, превращая бутадиеновые сегменты в этилен-бутиленовые сегменты — отсюда и полное химическое название «Стирол-Этилен/Бутилен-Стирол». Торцевые блоки из полистирола остаются без изменений. Эта структурная модификация является единственным и наиболее важным отличием между SEBS и его исходным материалом SBS, и она отвечает за значительно превосходящую термическую, окислительную и УФ-стабильность, которая определяет SEBS как инженерный эластомер премиум-класса.

Блочная архитектура SEBS создает двухфазную микроструктуру на наноуровне. Жесткие концевые блоки полистирола самособираются в физические домены сшивок, которые действуют как термически обратимые сшивки, а мягкая этилен-бутиленовая матрица средних блоков обеспечивает эластичность и гибкость. Такая морфология с разделением фаз придает СЭБС характерное резиноподобное механическое поведение при рабочих температурах, оставаясь при этом полностью перерабатываемым как термопластик при температуре выше температуры стеклования полистирольных блоков (приблизительно 90–100°C). Результатом стал материал, который сочетает в себе характеристики вулканизированной резины с удобством обработки и возможностью вторичной переработки термопласта — сочетание, которое сделало SEBS одним из наиболее коммерчески значимых семейств ТПЭ на мировом рынке полимеров.

Ключевые физические и химические свойства СЭБС

Профиль характеристик SEBS определяется отличительной комбинацией свойств, которая отличает его как от обычных каучуков, так и от других термопластичных эластомеров. Понимание этих свойств в количественном выражении имеет важное значение для инженеров по материалам и дизайнеров продукции, оценивающих SEBS для конкретных приложений.

Термическая стабильность и диапазон рабочих температур

SEBS сохраняет свои эластичные свойства в диапазоне рабочих температур примерно от -60°C до 130°C, при этом некоторые высокопроизводительные марки сохраняют полезные механические свойства до 150°C при кратковременном воздействии. Нижний предел эксплуатации отражает стеклование среднего блока этилен-бутилен (около –50––60°С), ниже которого материал становится жестким и хрупким. Верхний предел службы определяется началом размягчения полистирольных доменов. По сравнению с SBS, который начинает разлагаться и терять механическую целостность при температуре выше 80°C, SEBS предлагает значительно расширенный интервал эксплуатации при высоких температурах — прямое следствие устранения термически уязвимых двойных связей в среднем блоке посредством гидрирования.

Устойчивость к ультрафиолетовому излучению и окислению

Гидрирование среднего блока бутадиена устраняет остаточную ненасыщенность, которая делает СБС восприимчивым к фотоокислению, индуцированному УФ-излучением, и воздействию озона. SEBS по своей природе устойчив к УФ-деградации без добавления стабилизаторов, что делает его пригодным для наружного применения, где требуется длительное сохранение цвета и стабильность механических свойств. SBS, напротив, желтеет и становится хрупким в течение нескольких месяцев после воздействия окружающей среды, если его не стабилизировать. Соединения на основе СЭБС, подвергавшиеся атмосферным воздействиям на открытом воздухе в течение 10 лет, демонстрируют сравнительно незначительные изменения в удлинении при разрыве и прочности на разрыв — уровень производительности, который открывает категории приложений, совершенно недоступные для СБС.

Механические свойства

Чистые марки SEBS (без добавления масла или компаундирования) демонстрируют прочность на разрыв в диапазоне от 15 до 35 МПа, удлинение при разрыве от 400 до 700 процентов и значения твердости по Шору А в диапазоне примерно от 30 до 90 А в зависимости от содержания стирола и молекулярной архитектуры конкретного сорта. Упругое восстановление SEBS превосходно: значения остатка при сжатии при 70°C в течение 22 часов обычно ниже 30 процентов для правильно составленных компаундов SEBS, что сопоставимо с вулканизированным каучуком EPDM. Прочность на разрыв хорошая, а материал устойчив к усталостному разрушению при повторяющихся циклах деформации, что делает его хорошо подходящим для динамического уплотнения и гашения вибрации.

Профиль химической устойчивости

SEBS демонстрирует хорошую устойчивость к воде, разбавленным кислотам, щелочам и многим полярным растворителям, включая спирты, кетоны в умеренных концентрациях и водные чистящие средства. Его устойчивость к алифатическим углеводородам и ароматическим растворителям более ограничена, поскольку эти растворители могут набухать среднюю фазу блока. Этот профиль химической стойкости делает SEBS пригодным для контакта с водой, пищевыми продуктами и напитками, а также медицинскими жидкостями, но менее подходящим для применений, связанных с длительным воздействием топлива, масел или галогенированных растворителей без специальных модификаций состава. В следующей таблице приведены ключевые показатели недвижимости:

Состав SEBS: масляные наполнители, наполнители и полимерные смеси

Чистая смола SEBS редко используется изолированно. Его коммерческая ценность значительно возрастает благодаря его исключительной совместимости с широким спектром ингредиентов рецептур, что позволяет разработчикам рецептур разрабатывать соединения на основе SEBS с точно заданными характеристиками по коммерчески привлекательным ценам.

Белое минеральное масло (парафиновое или нафтеновое технологическое масло) является наиболее широко используемым пластификатором для СЭБС. Масло избирательно набухает фазу среднего блока этилен-бутилена, снижая твердость, улучшая низкотемпературную гибкость и снижая вязкость смеси для облегчения обработки. Маслонаполненные соединения SEBS с соотношением масла к SEBS от 1:1 до 3:1 по массе являются стандартными для мягких на ощупь рукояток, медицинских устройств и устройств, контактирующих с пищевыми продуктами. Содержание стирола марки SEBS и содержание масла вместе определяют конечную твердость компаунда — очень мягкие компаунды с твердостью по Шору А ниже 20 А достижимы при высоких нагрузках масла.

Полипропилен (ПП) — наиболее часто используемый термопластичный разбавитель, смешанный с СЭБС. ПП улучшает технологичность, повышает твердость и модуль упругости, повышает термостойкость и улучшает качество поверхности формованных деталей. Смеси SEBS/PP в соотношениях от 20:80 до 80:20 охватывают широкий диапазон твердости от гибкой резины до жесткого термопласта, и эти смеси составляют основу большого сегмента коммерчески доступных компаундов TPE-S, используемых в компонентах салона автомобилей, ручках инструментов и потребительских товарах. SEBS также совместим с полиэтиленом, этиленвинилацетатом и гомополимерами стирола для получения специализированных рецептур.

Приложения в области медицины и здравоохранения

Медицинский сектор является одним из самых требовательных и быстрорастущих конечных рынков для SEBS. Сочетание биосовместимости, прозрачности, стерилизуемости, отсутствия миграции пластификаторов и соответствия стандартам FDA и ISO 10993 делает SEBS предпочтительным материалом для широкого спектра медицинских устройств и фармацевтической упаковки.

Соединения SEBS медицинского класса широко используются во внутривенных (IV) трубках и инфузионных системах, где материал должен оставаться гибким и устойчивым к перегибам в течение длительного периода времени, противостоять стерилизации гамма-облучением, оксидом этилена или паровым автоклавом без механического разложения, а также не выщелачивать экстрагируемые вещества в вводимую жидкость. SEBS в значительной степени заменил ПВХ во многих трубках для внутривенного вливания, особенно потому, что он не содержит фталатных пластификаторов - выщелачивание пластификатора DEHP из наборов для внутривенного введения ПВХ было проблемой регулирования и безопасности для педиатрических и неонатальных пациентов.

• Наконечники и затворы поршня шприца — SEBS обеспечивает низкую остаточную деформацию при сжатии и стабильность размеров, необходимые для надежной герметизации шприца в течение длительного срока хранения лекарственного препарата.
• Оборудование для респираторной терапии — Уплотнения масок, соединители трубок и компоненты контура ИВЛ выигрывают от мягкости, совместимости с кожей и возможности стерилизации SEBS.
• Крышки для фармацевтических контейнеров — Пробки и перегородки на основе СЭБС для флаконов с лекарствами и преднаполняемых шприцев обеспечивают химическую совместимость с широким спектром лекарственных форм.
• Формование носимых медицинских устройств — Мягкость и приятная для кожи поверхность SEBS делает его идеальным для гибких формованных элементов непрерывных мониторов глюкозы, компонентов инсулиновых помп и биосенсоров, носимых на теле.

Автомобильные приложения

Автомобильная промышленность потребляет значительные объемы компаундов на основе SEBS, в первую очередь для внутреннего применения и под капотом, где требуется сочетание приятной на ощупь эстетики, термостойкости и длительного срока службы. Компаунды SEBS/PP доминируют в сегменте материалов с мягкими на ощупь поверхностями для обшивки приборной панели, верхней отделки дверных панелей, ручек руля и чехлов рычага переключения передач — областей применения, где превосходное тактильное качество отличает автомобили с более высокими техническими характеристиками от моделей начального уровня.

В приложениях под капотом и для уплотнений выгодно использовать повышенную термостойкость SEBS. Крышки шлангов радиатора, втулки жгутов проводов, виброизолирующие крепления и уплотнители уплотнителей — все это выигрывает от способности SEBS сохранять эластичные свойства при повышенных температурах, встречающихся в моторном отсеке — до 130 ° C в некоторых местах — без этапа вулканизации, необходимого для альтернативных резиновых материалов EPDM. Термопластичная природа SEBS также обеспечивает возможность переработки по окончании срока службы автомобиля, что становится все более важным фактором при выборе автомобильных материалов в соответствии с европейскими и китайскими нормативными рамками, регулирующими цели по переработке транспортных средств.

Потребительские товары, контакт с пищевыми продуктами и средства личной гигиены

Соответствие SEBS требованиям, касающимся контакта с пищевыми продуктами, — достижимое в соответствии с FDA 21 CFR и Европейским регламентом ЕС 10/2011 при соответствующем выборе сорта и рецептуры — открывает большой сегмент рынка потребительских товаров. Применения, контактирующие с пищевыми продуктами, включают в себя гибкие поверхности разделочных досок, детские кольца для прорезывания зубов и соски для бутылочек для кормления, многоразовые уплотнения для пакетов для хранения продуктов, формование ручек кухонной утвари, а также гибкие прокладки крышек и контейнеров кухонных комбайнов. Отсутствие соединений на основе фталата или бисфенола в рецептурах SEBS является важным коммерческим преимуществом в категории товаров для младенцев и детей, где обеспокоенность родителей по поводу химической безопасности материалов, контактирующих с младенцами, имеет коммерческое значение.

В сфере личной гигиены соединения SEBS используются для изготовления мягких на ощупь элементов рукояток ручек ручных и электрических зубных щеток, ручек бритв, корпусов косметических аппликаторов и уплотнений средств индивидуальной защиты. Способность материала формоваться с очень низким уровнем твердости (достаточно мягкая, чтобы обеспечить тактильную дифференциацию захвата и удобство на ощупь) в сочетании с его химической стойкостью к мылу, поверхностно-активным веществам и составам средств личной гигиены делает его технически хорошо подходящим для таких требовательных контактных применений.

Инфраструктура, строительство и промышленное применение

SEBS используется в качестве полимерного модификатора битума (асфальта) для дорожного покрытия и кровельных мембран. Когда SEBS смешивается с битумом в количестве от 3 до 8 процентов по весу, получается полимерно-модифицированный битум (ПМБ) с значительно улучшенной стойкостью к образованию колеи при высоких температурах и термическому растрескиванию при низких температурах, что продлевает срок службы дорожного покрытия в два-три раза по сравнению с обычным битумом в сложных дорожных и климатических условиях. Это инфраструктурное применение представляет собой одно из крупнейших применений SEBS в мире, особенно в дорожных сетях в регионах с континентальным климатом, подверженных значительным сезонным колебаниям температуры.

• Гидроизоляционные мембраны — Битумные мембраны, модифицированные СЭБС, для гидроизоляции плоских кровель и подземных сооружений обладают увеличенным сроком службы и улучшенной гибкостью при низких температурах по сравнению с альтернативами, модифицированными АПП.
• Составы клеев и герметиков — SEBS является основным базовым полимером для термоклеев, чувствительных к давлению (HMPSA), используемых в упаковочной ленте, этикетках, изготовлении гигиенических изделий и строительных герметиках, где его устойчивость к ультрафиолетовому излучению дает ему значительное преимущество перед SBS в сборках, подвергающихся воздействию наружного воздуха.