聚合物包装材料辨析——塑料、热塑性弹性体和橡胶

塑料由高分子组成，大分子链因其独特的运动性赋予了塑料很多独有的特性。

例如，在加热或施加外力的情况下，塑料的分子链可以相对自由地滑动和重排，从而使塑料材料能够被塑造成各种形状和尺寸，适应不同的应用需求。

这期，为大家介绍3种典型的根据链段结构区分的聚合物种类，分别是塑料、热塑性弹性体以及橡胶，一起来看：

塑料在一定温度范围内可以通过加热软化并塑形，然后通过冷却固化。这意味着它们可以重复加热和冷却，进行多次塑形。这种特性使得塑料的运用范围极其广泛。

但是，由于在塑料的使用范围内，分子链段的运动能力很弱，其弹性回复性能极其有限，导致塑料并不适用于一些特定的领域。

如，密封部件，在弹性加持下可以很好地将空隙填满。抗冲击部件，如保护壳，鞋底等，通过弹性形变既可以记忆原有型态又可以分散应力。无定形聚合物在高弹态下具备一定的弹性，但这种状态下的力学性能很差，很难保持自身的固有型态。

为了有效利用聚合物的弹性，人们研发出热塑性弹性体和橡胶（热固性弹性体）。

硬段，指的是刚性比较强的片段，通常是在使用温度下为玻璃态的聚合物链段，它可以在使用温度下为聚合物提供支撑性。

软段，指的是柔软可形变的片段，通常是玻璃化温度较低的无定形聚合物链段，它在使用温度下处于高弹态，可以为分子链段提供弹性。

硬段和软段以物理交联的方式相互结合。典型的热塑性弹性体包括：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS，其中苯乙烯为硬段，丁二烯为软段），聚氨酯弹性体（TPU，其中异氰酸酯为硬段，多元醇为软段）等。

图 1 热塑性弹性体分子结构示意图

在合成热塑性弹性体时，可以通过调控其软硬段的比例来改变其性能特点。硬段的比例越多，其性能越接近于一般的塑料，分子链段刚性提升，弹性回复能力减弱。而软段越多，其性能越接近处于高弹态（温度大于玻璃化转变温度 Tg）的无定形聚合物，即弹性越强但力学性能越差。

性能特性

热塑性弹性体的优势是，具有优异的力学性能和弹性恢复力，并且与塑料一样可以反复进行升温加工与低温冷却定型，具有高度的设计灵活性，也可以回收再利用。

在食品接触领域，由于其出色的弹性回复力，热塑性弹性体常用于食品薄膜，密封圈，以及餐具把手等。

热塑性弹性体的不足在于，由于其链结构仍会随着温度升高而产生滑动，因此这种材料的性能尤其是弹性对于温度很敏感，使用场景的改变可能会对其力学性能产生较大的影响，并且其使用温度上限通常很低（通常不超过 120 ℃）。

此外，由于热塑性弹性体涉及多单体共聚以及软硬段含量的调控，因此其生产工艺较为复杂。

橡胶主要通过生胶经由硫化反应合成。

在制备橡胶时，首先选取需要进行硫化反应的基础树脂，这类树脂通常是天然乳胶或是具有碳碳双键的均聚或共聚物，例如：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物可形成丁苯橡胶，乙烯-丙烯-丁二烯共聚物可形成乙丙橡胶，聚1，4-丁二烯可形成顺丁橡胶等，此外还有氟橡胶（单体为氟乙烯），硅橡胶（单体为硅氧烷）等。

在硫化阶段，使用硫化剂与树脂进行反应，分子链中的双键被硫化剂的二硫键连接，使分子间相互交联形成三维网络结构，如图2所示。

(a) 生胶；(b) 硫化橡胶

图 2 合成橡胶的分子结构示意图

性能特性

得益于交联结构的存在，橡胶不仅具有非常优异的形变恢复能力和化学稳定性，其抗拉伸、抗撕裂的能力也非常优异。

此外，橡胶的使用温度范围普遍较高，通常在100℃以上，部分橡胶（氟橡胶和硅橡胶）的使用温度上限更是可达250℃以上。

需要注意的是，化学交联结构的引入虽然给橡胶带来了非常优异的物理性能，但却导致橡胶加工的不可逆，使其无法像热塑性弹性体一样可以重新熔融以反复加工。这也导致橡胶的回收处理比较困难。

对于废橡胶，通常会选择将其粉碎后填埋，如需彻底回收利用，需要通过高温裂解以及化学分解的手段，将其分解为裂解油。但由于其高度交联的化学结构，分解的过程会需要较高的温度、较长反应时间和使用特殊试剂，这对工艺提出了很高的要求。

因此，橡胶往往被用作可重复使用的食品接触材料。也正是因为这一特性，在一些领域，橡胶正逐步被热塑性弹性体取代。

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图 1 ：http://www.renprene.com/thermoplastic-elastomers-brief-history.html

图 2 ：https://www.sohu.com/a/223708818_751728

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