Đặc tính của chất đồng trùng hợp khối Styrene-Butadiene hydro hóa (SEBS) là gì và nó được sử dụng ở đâu?

SEBS là gì và nó có cấu trúc khác với SBS như thế nào?

Chất đồng trùng hợp khối Styren-Butadien đã hydro hóa , thường được viết tắt là SEBS, là một chất đàn hồi dẻo nhiệt (TPE) được tạo ra bằng quá trình hydro hóa chọn lọc chất đồng trùng hợp khối Styrene-Butadiene-Styrene (SBS). Trong quá trình hydro hóa này, các liên kết đôi carbon-carbon trong khối giữa polybutadiene của SBS được bão hòa hydro trong điều kiện xúc tác, chuyển đổi các phân đoạn butadien thành các phân đoạn ethylene-butylene - do đó có tên hóa học đầy đủ là Styrene-Ethylene/Butylene-Styrene. Các khối cuối polystyrene vẫn không thay đổi. Sự sửa đổi cấu trúc này là điểm khác biệt quan trọng nhất giữa SEBS và vật liệu gốc SBS, đồng thời nó chịu trách nhiệm cho độ ổn định nhiệt, oxy hóa và tia cực tím vượt trội đáng kể, xác định SEBS là chất đàn hồi kỹ thuật cao cấp.

Kiến trúc khối của SEBS tạo ra cấu trúc vi mô hai pha ở cấp độ nano. Các khối cuối bằng polystyrene cứng tự lắp ráp thành các miền liên kết ngang vật lý hoạt động như các liên kết chéo có thể đảo ngược nhiệt, trong khi ma trận khối giữa ethylene-butylene mềm mang lại độ đàn hồi và linh hoạt. Hình thái tách pha này mang lại cho SEBS đặc tính cơ học giống cao su đặc trưng ở nhiệt độ sử dụng trong khi vẫn có thể xử lý hoàn toàn dưới dạng nhựa nhiệt dẻo trên nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của khối polystyrene (khoảng 90–100°C). Kết quả là tạo ra một vật liệu kết hợp hiệu suất của cao su lưu hóa với sự thuận tiện trong xử lý và khả năng tái chế của nhựa nhiệt dẻo - sự kết hợp đã đưa SEBS trở thành một trong những dòng TPE có ý nghĩa thương mại nhất trên thị trường polyme toàn cầu.

Các tính chất vật lý và hóa học chính của SEBS

Đặc tính hoạt động của SEBS được xác định bởi sự kết hợp đặc biệt của các đặc tính giúp phân biệt nó với cả cao su thông thường và các chất đàn hồi nhựa nhiệt dẻo khác. Hiểu các đặc tính này theo thuật ngữ định lượng là điều cần thiết để các kỹ sư vật liệu và nhà thiết kế sản phẩm đánh giá SEBS cho các ứng dụng cụ thể.

Độ ổn định nhiệt và phạm vi nhiệt độ dịch vụ

SEBS duy trì các đặc tính đàn hồi của nó trong phạm vi nhiệt độ sử dụng khoảng −60°C đến 130°C, với một số loại hiệu suất cao duy trì các đặc tính cơ học hữu ích lên đến 150°C khi tiếp xúc ngắn hạn. Giới hạn sử dụng thấp hơn phản ánh quá trình chuyển đổi thủy tinh của khối giữa ethylene-butylene (khoảng −50 đến −60°C), dưới mức đó vật liệu trở nên cứng và giòn. Giới hạn sử dụng trên được xác định khi bắt đầu làm mềm các miền polystyrene. So với SBS bắt đầu xuống cấp và mất tính toàn vẹn cơ học ở nhiệt độ trên 80°C, SEBS cung cấp thời gian sử dụng ở nhiệt độ cao được mở rộng đáng kể - hệ quả trực tiếp của việc loại bỏ các liên kết đôi dễ bị tổn thương về nhiệt ở khối giữa thông qua quá trình hydro hóa.

Chống tia cực tím và oxy hóa

Quá trình hydro hóa khối giữa butadiene giúp loại bỏ tình trạng không bão hòa còn sót lại khiến SBS dễ bị oxy hóa quang học và tấn công ozone do tia cực tím gây ra. SEBS vốn có khả năng chống lại sự phân hủy của tia cực tím mà không cần bổ sung chất ổn định, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời, nơi cần có khả năng giữ màu lâu dài và độ ổn định đặc tính cơ học. Ngược lại, SBS có màu vàng và trở nên giòn trong vòng vài tháng phơi ngoài trời trừ khi được ổn định nhiều. Các hợp chất dựa trên SEBS tiếp xúc với thời tiết ngoài trời trong 10 năm cho thấy những thay đổi tương đối nhỏ về độ giãn dài khi đứt và độ bền kéo - mức hiệu suất mở ra các danh mục ứng dụng hoàn toàn không thể tiếp cận được với SBS.

Tính chất cơ học

Các loại SEBS tinh khiết (không có dầu mở rộng hoặc hỗn hợp) thể hiện độ bền kéo trong khoảng từ 15 đến 35 MPa, độ giãn dài ở giá trị đứt từ 400 đến 700 phần trăm và giá trị độ cứng Shore A nằm trong khoảng từ 30A đến 90A tùy thuộc vào hàm lượng styren và cấu trúc phân tử của loại cụ thể. Khả năng phục hồi đàn hồi của SEBS là tuyệt vời - giá trị cài đặt nén ở 70°C trong 22 giờ thường dưới 30% đối với các hợp chất SEBS có công thức tốt, có thể so sánh với cao su EPDM lưu hóa. Độ bền xé tốt và vật liệu có khả năng chống lại hiện tượng mỏi dưới các chu kỳ biến dạng lặp đi lặp lại, khiến nó rất phù hợp với các ứng dụng bịt kín động và giảm rung.

Hồ sơ kháng hóa chất

SEBS thể hiện khả năng chống nước tốt, axit loãng, kiềm và nhiều dung môi phân cực - bao gồm rượu, xeton ở nồng độ vừa phải và chất tẩy rửa dạng nước. Khả năng chống lại hydrocacbon béo và dung môi thơm của nó bị hạn chế hơn, vì các dung môi này có thể làm phồng pha giữa. Đặc tính kháng hóa chất này làm cho SEBS phù hợp để tiếp xúc với nước, sản phẩm thực phẩm, đồ uống và chất lỏng chăm sóc sức khỏe, nhưng ít thích hợp hơn cho các ứng dụng liên quan đến việc tiếp xúc lâu dài với nhiên liệu, dầu hoặc dung môi halogen hóa mà không có sự điều chỉnh hợp chất cụ thể. Bảng sau đây tóm tắt các điểm chuẩn thuộc tính chính:

Hợp chất SEBS: Dầu mở rộng, chất độn và hỗn hợp polyme

Nhựa SEBS nguyên chất hiếm khi được sử dụng riêng lẻ. Giá trị thương mại của nó được tăng lên rất nhiều nhờ khả năng tương thích đặc biệt với nhiều loại thành phần hỗn hợp, cho phép các nhà xây dựng công thức tạo ra các hợp chất dựa trên SEBS với các đặc tính hiệu suất được nhắm mục tiêu chính xác với chi phí hấp dẫn về mặt thương mại.

Dầu khoáng trắng (dầu chế biến paraffinic hoặc naphthenic) là chất làm dẻo được sử dụng rộng rãi nhất cho SEBS. Dầu làm trương nở có chọn lọc pha khối giữa ethylene-butylene, giảm độ cứng, cải thiện tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp và giảm độ nhớt của hợp chất để xử lý dễ dàng hơn. Các hợp chất SEBS mở rộng bằng dầu ở tỷ lệ dầu-SEBS từ 1:1 đến 3:1 tính theo trọng lượng là tiêu chuẩn trong các ứng dụng cầm nắm mềm, thiết bị y tế và tiếp xúc với thực phẩm. Hàm lượng styren của loại SEBS và lượng dầu cùng nhau xác định độ cứng cuối cùng của hợp chất - các hợp chất rất mềm có độ cứng Shore A dưới 20A có thể đạt được khi tải lượng dầu cao.

Polypropylen (PP) là chất pha loãng nhựa nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến nhất được pha trộn với SEBS. PP cải thiện khả năng xử lý, tăng độ cứng và mô đun, tăng cường khả năng chịu nhiệt và cải thiện bề mặt hoàn thiện của các bộ phận đúc. Hỗn hợp SEBS/PP theo tỷ lệ từ 20:80 đến 80:20 bao gồm nhiều loại độ cứng từ cao su dẻo đến nhựa nhiệt dẻo cứng và các hỗn hợp này tạo thành nền tảng của một phân khúc lớn các hợp chất TPE-S có bán trên thị trường được sử dụng trong các bộ phận nội thất ô tô, tay cầm dụng cụ và hàng tiêu dùng. SEBS cũng có thể pha trộn tương thích với các polyme đồng nhất polyetylen, EVA và styrenic cho các công thức chuyên dụng.

Ứng dụng y tế và chăm sóc sức khỏe

Lĩnh vực y tế là một trong những thị trường cuối cùng có yêu cầu khắt khe nhất và phát triển nhanh nhất đối với SEBS. Sự kết hợp giữa khả năng tương thích sinh học, độ trong suốt, khả năng khử trùng, không di chuyển chất dẻo và tuân thủ các tiêu chuẩn FDA và ISO 10993 khiến SEBS trở thành vật liệu được ưa thích cho nhiều ứng dụng đóng gói thiết bị y tế và dược phẩm.

Các hợp chất SEBS cấp y tế được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền và ống truyền tĩnh mạch (IV), trong đó vật liệu phải duy trì tính linh hoạt và chống xoắn trong thời gian dài, chống lại sự khử trùng bằng chiếu xạ gamma, oxit ethylene hoặc nồi hấp mà không bị suy giảm cơ học và không bị lọc chất chiết vào chất lỏng truyền. SEBS đã thay thế phần lớn PVC trong nhiều ứng dụng ống IV, đặc biệt vì nó không chứa chất làm dẻo phthalate - chất làm dẻo DEHP bị rò rỉ từ bộ PVC IV là mối lo ngại về quy định và an toàn đối với bệnh nhân nhi và trẻ sơ sinh.

• Đầu và nút đậy của ống tiêm — SEBS cung cấp bộ nén thấp và độ ổn định kích thước cần thiết để bịt kín ống tiêm đáng tin cậy trong thời hạn sử dụng lâu dài của sản phẩm thuốc.
• Thiết bị trị liệu hô hấp — miếng đệm mặt nạ, đầu nối ống và các bộ phận mạch máy thở được hưởng lợi từ độ mềm, khả năng tương thích với da và khả năng khử trùng của SEBS.
• Đóng thùng đựng dược phẩm — Nút chặn và vách ngăn dựa trên SEBS dành cho lọ thuốc và ống tiêm có thể nạp sẵn mang lại khả năng tương thích hóa học với nhiều công thức thuốc.
• Đúc khuôn thiết bị y tế có thể đeo được — bề mặt mềm mại và thân thiện với da của SEBS khiến nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận đúc linh hoạt của máy theo dõi đường huyết liên tục, bộ phận bơm insulin và cảm biến sinh học đeo trên cơ thể.

Ứng dụng ô tô

Ngành công nghiệp ô tô tiêu thụ một lượng đáng kể các hợp chất gốc SEBS, chủ yếu trong các ứng dụng nội thất và dưới nắp ca-pô, nơi cần có sự kết hợp giữa tính thẩm mỹ khi chạm vào mềm, khả năng chịu nhiệt và tuổi thọ lâu dài. Hợp chất SEBS/PP chiếm ưu thế trong phân khúc vật liệu bề mặt mềm khi chạm vào cho vỏ bảng điều khiển, viền trên của bảng cửa, tay nắm vô lăng và bốt cần số — các ứng dụng trong đó chất lượng xúc giác cao cấp giúp phân biệt xe có thông số kỹ thuật cao hơn với các mẫu xe cấp thấp.

Các ứng dụng dưới nắp ca-pô và bịt kín sử dụng khả năng chịu nhiệt độ cao của SEBS để tận dụng lợi thế. Vỏ ống tản nhiệt, vòng đệm dây điện, giá đỡ cách ly rung và vòng đệm dải thời tiết đều được hưởng lợi từ khả năng của SEBS trong việc duy trì các đặc tính đàn hồi ở nhiệt độ cao gặp phải trong môi trường khoang động cơ — lên tới 130°C ở một số vị trí — mà không cần bước lưu hóa đối với các giải pháp thay thế cao su EPDM. Bản chất nhựa nhiệt dẻo của SEBS cũng cho phép khả năng tái chế khi hết vòng đời của xe, đây là một yếu tố ngày càng quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu ô tô theo khung pháp lý của Châu Âu và Trung Quốc quản lý các mục tiêu tái chế phương tiện.

Sản phẩm tiêu dùng, ứng dụng liên hệ với thực phẩm và chăm sóc cá nhân

Sự tuân thủ tiếp xúc với thực phẩm của SEBS — đạt được theo FDA 21 CFR và Quy định Châu Âu EU 10/2011 với lựa chọn cấp độ và công thức thích hợp — mở ra một phân khúc thị trường hàng tiêu dùng rộng lớn. Các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm bao gồm bề mặt thớt linh hoạt, vòng mọc răng cho bé và núm vú bình sữa, miếng đệm túi bảo quản thực phẩm có thể tái sử dụng, khuôn đúc tay cầm dụng cụ nhà bếp và các miếng đệm linh hoạt của nắp và hộp đựng máy chế biến thực phẩm. Sự vắng mặt của các hợp chất dựa trên phthalate hoặc bisphenol trong các công thức SEBS là một lợi thế thương mại quan trọng trong danh mục sản phẩm dành cho trẻ em và trẻ nhỏ, trong đó mối lo ngại của cha mẹ về an toàn hóa chất trong các vật liệu tiếp xúc với trẻ sơ sinh có ý nghĩa quan trọng về mặt thương mại.

Trong chăm sóc cá nhân, các hợp chất SEBS được sử dụng cho các bộ phận cầm nắm mềm mại của tay cầm bàn chải đánh răng bằng tay và điện, tay cầm dao cạo, thân dụng cụ mỹ phẩm và vòng đệm của thiết bị bảo hộ cá nhân. Khả năng của vật liệu được đúc ở mức độ cứng rất thấp - đủ mềm để mang lại sự khác biệt khi cầm bằng xúc giác và cảm giác cầm tay thoải mái - kết hợp với khả năng kháng hóa chất đối với xà phòng, chất hoạt động bề mặt và công thức sản phẩm chăm sóc cá nhân, khiến vật liệu này rất phù hợp về mặt kỹ thuật với các ứng dụng tiếp xúc đòi hỏi khắt khe này.

Cơ sở hạ tầng, xây dựng và ứng dụng công nghiệp

SEBS được sử dụng làm chất biến tính polyme trong bitum (nhựa đường) cho các ứng dụng màng lát đường và lợp mái. Khi SEBS được trộn vào nhựa đường ở mức từ 3 đến 8% trọng lượng, nó sẽ tạo ra nhựa đường biến tính polyme (PMB) với khả năng chống lại vết hằn ở nhiệt độ cao và nứt do nhiệt ở nhiệt độ thấp được cải thiện đáng kể, kéo dài tuổi thọ của mặt đường lên gấp hai đến ba so với nhựa đường thông thường trong điều kiện khí hậu và giao thông đòi hỏi khắt khe. Ứng dụng cơ sở hạ tầng này đại diện cho một trong những ứng dụng SEBS có khối lượng lớn nhất trên toàn cầu, đặc biệt là trong mạng lưới đường bộ ở các vùng khí hậu lục địa có sự thay đổi nhiệt độ theo mùa lớn.

• Màng chống thấm — Màng bitum biến tính SEBS dành cho mái bằng và chống thấm kết cấu ngầm giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng và cải thiện tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp so với các giải pháp thay thế được cải tiến APP.
• Công thức kết dính và bịt kín — SEBS là polyme cơ bản chính dùng cho chất kết dính nhạy áp lực nóng chảy (HMPSA) được sử dụng trong băng đóng gói, nhãn, kết cấu sản phẩm vệ sinh và chất bịt kín xây dựng, trong đó độ ổn định tia cực tím của nó mang lại lợi thế đáng kể so với SBS trong các tổ hợp phơi ngoài trời.