tpe弹性体原料材质磨损掉屑原因有哪些？

在热塑性弹性体应用领域，磨损掉屑是一个频繁发生却极为棘手的问题。与静置时的老化不同，这是一种动态的、持续的损伤，表现为制品表面在摩擦、刮擦或反复形变中，不断有微小颗粒甚至片状材料脱离主体。无论是汽车密封条的磨损失效、医疗器械部件的微粒污染，还是日用消费品边缘的碎屑脱落，磨损掉屑直接影响产品的功能寿命、使用安全与品牌声誉。从本质上讲，这是一个材料表面强度与外部机械应力之间的战争，当磨损机制占据上风，掉屑便不可避免。本文将深入剖析TPE材质磨损掉屑背后的复杂原因，从材料本征属性到加工成型，从使用环境到界面相互作用，提供一个系统性的诊断框架与应对策略。

理解磨损掉屑：定义、形式与严重后果

磨损掉屑，指的是TPE制品表面材料在机械力作用下，发生疲劳、剥离并以碎屑形式脱落的现象。它不完全等同于整体的磨耗，更侧重于局部材料的离散性丧失。其主要表现形式包括：均匀磨损导致的表面粉化，周期性应力产生的片状剥落，以及因粘附效应导致的材料转移。掉屑带来的后果是多层面的。功能上，它直接改变关键尺寸，导致密封失效、传动打滑或接触不良。安全方面，脱落的微粒可能污染介质，这在医疗、食品或光学领域是灾难性的。感知质量上，即使是微小的碎屑也会让用户对产品耐用性产生严重不信任。从物理本质上讲，磨损掉屑是材料表面或亚表层在交变应力、剪切应力作用下，发生微观裂纹萌生、扩展并最终连接贯通，导致材料体素分离的过程。

材料本征因素：磨损掉屑的内在基因

TPE的抗磨损掉屑性能，首先由其分子链结构、相态分布和配方组成决定。这是材料的内在基因，决定了其抵抗外力破坏能力的上限。

基础聚合物结构决定的机械强度与内聚能

TPE的基体树脂类型是抗磨损性能的基石。SEBS基TPE通常比SBS基表现出更好的耐磨性和抗撕裂性，因为其主链饱和，化学稳定性更高，分子链在应力作用下更不易断裂。橡胶相本身的分子量及其分布至关重要。高分子量、窄分布的橡胶链能形成更有效的缠结网络，在受到剪切时能更好地分散应力，延缓裂纹萌生。反之，低分子量部分或过宽的分布，会成为材料中的薄弱环节，率先破坏。塑料相的种类与比例同样关键。以PP为塑料相的TPE硬度范围宽，耐磨性较好；而以PE为塑料相则更柔软，但抗刮擦性可能略逊。塑料相形成的物理交联点密度和强度，直接决定了材料抵抗塑性变形的能力。一个常被忽视的因素是两相之间的相容性与界面强度。 如果橡胶相与塑料相相容性差，界面模糊不清，在反复应力作用下，微相分离的界面会成为裂纹优先扩展的路径，导致材料从相界面处开始剥离掉屑。

增塑体系与内聚能的削弱

增塑剂的主要作用是降低硬度、增加柔顺性。然而，增塑剂，特别是小分子矿物油的过量添加，是导致TPE表面发粘、内聚强度下降继而加剧磨损掉屑的常见原因。 过量的增塑剂会过度润滑聚合物分子链，大幅削弱链间作用力。这导致材料表面层变得松软，内聚能密度降低。在摩擦过程中，表面材料更易发生粘附转移，也更容易因疲劳而产生微小的碎屑脱落。此外，增塑剂与基体聚合物的相容性有极限。长期使用或特定环境下，增塑剂可能发生迁移或析出，在制品表面形成弱边界层，这个弱边界层是磨损掉屑的首发区域。

填充体系与应力集中的双刃剑

为了降低成本或赋予特定功能，在TPE中添加填料是常见做法。但填料对磨损性能的影响是一把双刃剑。未经表面处理的刚性填料，如碳酸钙、滑石粉，与弹性体基体的界面结合通常较弱。 在摩擦或形变过程中，这些刚性粒子与周围弹性基体的变形不协调，会在界面处产生巨大的应力集中。反复的应力循环下，界面会率先脱粘，形成微孔洞。这些微孔洞不断增长、合并，最终导致填料粒子连同其包裹的少量基体一同脱落，形成碎屑。填料粒径越大、形状越不规则、分散越不均匀，这种应力集中效应就越显著。即使是为提升耐磨性而添加的固体润滑剂，如二硫化钼或石墨，如果分散不良，同样会成为磨损的起源点。

稳定体系失效与表面降解

抗氧剂和紫外线吸收剂的不足或失效，会使得TPE材料，特别是表面层，在使用环境中（如光照、高温、臭氧）发生降解。降解的本质是聚合物分子链的断裂或过度交联。分子链断裂导致表面材料粉化、强度下降，变得脆弱易脱落。过度交联则使表面失去弹性，变得硬脆，在应力下易以片状剥落。这种因环境老化导致的表面性能劣化，是磨损掉屑的重要诱因，尤其是在户外或苛刻工况下使用的TPE制品。

材料因素类别	具体问题	导致掉屑的机制	典型表现
基础聚合物	SBS基，低分子量橡胶相	分子链易断裂，缠结网络弱，抗撕裂性差	磨损表面粗糙，呈撕裂状，碎屑细小
增塑体系	白油/环烷油添加过量	过度润滑分子链，大幅降低表面内聚强度	表面发粘，磨损后呈粘着性转移，碎屑易粘连
填充体系	大粒径、未处理碳酸钙高填充	填料-基体界面脱粘，成为应力集中点与裂纹源	磨损表面可观察到填料剥落后留下的孔洞
稳定体系	抗氧剂/抗UV剂不足	表面层氧化降解，分子链断裂或脆化	表面粉化、龟裂，碎屑呈粉末状或薄片状

加工成型因素：对材料潜能的损耗与破坏

即使配方设计优良，不当的加工过程也会严重损耗TPE固有的抗磨损性能，甚至引入致命缺陷。

塑化与分散不良导致的结构不均

在挤出或注塑过程中，如果加工温度不足，或螺杆剪切混合效果不佳，会导致物料塑化不均。这意味着配方中的各组分，特别是填料、色母和橡胶相，未能实现微观尺度上的均匀分散。局部的填料团聚或橡胶相富集区，其力学性能与整体存在显著差异。在摩擦受力时，这些不均匀区域因其不同的模量和强度，会成为应力集中点，裂纹更容易在此萌生和扩展，导致材料从这些薄弱点开始脱落。塑化不良还会导致材料内部存在未完全熔融的晶点或凝胶， 这些硬质点在受力时会像“微型刀具”一样划伤周围的基体，或自身脱落形成大颗粒碎屑。

降解与分子链断裂

加工过程中的热机械降解是对材料链结构的直接破坏。过高的熔体温度、过长的物料在料筒内停留时间，或是过大的螺杆剪切速率，都会导致TPE分子链，尤其是橡胶相长链分子的断裂。分子量的下降直接意味着材料力学性能的全面衰退，包括抗拉强度、断裂伸长率和耐磨性。这种降解通常从熔体与高温金属接触的表面开始，形成一层已降解的弱边界层。虽然制品成型后外观可能正常，但这层弱边界层是磨损时最先失效的部分。

成型缺陷与表面完整性

模具设计或工艺不当会在制品中引入先天性缺陷，这些缺陷是磨损掉屑的优先起点。如果模具排气不畅，因气会产生表面气泡或缩孔，这些位置的材料连续性被破坏，强度极低。熔体流动前沿汇合不良形成的熔接痕，其区域强度通常只有本体的60-80%，是明显的薄弱线。脱模时若顶出力过大或顶针设计不当，会造成制品表面局部损伤（顶白、拉伤），这些微裂纹在后续使用中会迅速扩展。此外，过快的冷却速率可能导致制品表层与内层结晶形态或相分离结构差异巨大， 产生较大的内应力。这种内应力会降低材料抵抗外部机械应力的能力，加速磨损和开裂。

后处理与二次加工的影响

一些TPE制品需要进行表面处理，如喷涂、印刷、电晕处理以改善附着力。如果处理过度，例如电晕处理功率过大或时间过长，会严重破坏TPE表面的分子结构，发生过度氧化甚至裂解，形成一层脆弱、粉化的表面层，极易脱落。如果涂层材料与TPE基体的硬度、模量、热膨胀系数不匹配，在动态弯折或摩擦下，涂层可能率先开裂、剥落，并连带将TPE基体表层一起剥离下来。

加工因素类别	具体问题	导致掉屑的机制	改进方向
塑化与分散	温度偏低，剪切不足	填料/橡胶相分散不均，形成局部薄弱点	优化温度曲线，确保充分塑化与混合
热机械历史	熔温过高，螺杆转速过快	聚合物分子链断裂降解，形成弱边界层	采用温和加工温度与剪切速率
成型缺陷	模具排气不良，存在熔接痕	引入气泡、缩孔、弱结合线等先天性缺陷	优化模具设计与工艺，消除缺陷
后处理工艺	表面处理（如电晕）过度	表面层过度氧化降解，形成脆弱层	精确控制处理参数，避免过度

使用环境与工况因素：外部应力的挑战

TPE制品在实际使用中所处的环境和所受的应力，是诱发磨损掉屑的直接外部条件。

摩擦副的特性与接触条件

对磨材料的性质是决定磨损机制的关键。当TPE与一个比它硬得多的表面（如金属、玻璃、硬质塑料）发生摩擦时，容易发生磨粒磨损，硬质表面的微凸体或环境中的硬质颗粒会像锉刀一样犁削TPE表面，产生卷曲状的磨屑。当TPE与一个表面能较高、较光滑的表面接触并伴有微小滑动时，可能发生粘着磨损，TPE表面的分子链会与对磨面发生粘附，在剪切力作用下被拉出、断裂并脱落。接触应力的大小和方式也至关重要。过高的接触压力会超过TPE的弹性极限，导致表层材料发生严重的塑性变形和疲劳。往复滑动或滚动摩擦比单向滑动更易引发疲劳磨损，导致材料表层在交变应力下产生微观裂纹并扩展，最终形成片状剥落。

环境介质的侵蚀与溶胀

许多TPE制品需要在油类、化学溶剂或户外环境中使用。油类，特别是矿物油，对某些TPE有溶胀作用。溶胀会使TPE体积膨胀，内部产生应力，同时降低其玻璃化转变温度，使材料在常温下变得过于柔软，强度和模量大幅下降。这种被软化的材料在摩擦中更容易被撕裂、转移。某些化学溶剂甚至可能萃取TPE中的增塑剂或低分子组分，使表面干涸、脆化。户外环境中的紫外线、臭氧和湿气会协同作用，引发TPE表面的光氧老化和臭氧老化，生成易于粉化的龟裂层。

动态疲劳与形变发热

对于需要频繁往复运动、弯曲或压缩的TPE部件，动态疲劳是主要的失效模式。每一次形变都会在材料内部，特别是应力集中处消耗能量，产生微小的损伤累积。反复的形变还会导致材料内部发热，如果热量不能及时散逸，局部温升会显著降低TPE的强度，加速分子链的运动和重排，使得磨损和疲劳裂纹的扩展速度大大加快。这种热机械疲劳效应是许多密封件、减震件在长期动态使用后掉屑失效的核心原因。

系统性诊断与综合解决策略

面对磨损掉屑问题，需要建立一个从宏观到微观、从外因到内因的系统性诊断流程。

第一步是现场信息收集与分析。仔细观察掉屑的形态：是细小粉末，还是片状、卷曲状碎屑？掉屑发生在部件的哪个具体位置？是接触面，还是弯曲部位？了解工况：对磨材料是什么？接触压力、运动方式、频率如何？有无介质存在？

第二步是初步排查与验证。检查材料批次是否变更，回料比例是否超标。回顾加工工艺参数，特别是温度、螺杆转速有无异常波动。用放大镜或显微镜观察磨损表面形貌，寻找裂纹起源点、填料裸露或熔接痕等线索。

第三步是针对性测试与分析。可进行简单的对比试验，比如在相同条件下与历史表现良好的批次进行摩擦测试。有条件的话，对掉屑部位和正常部位取样，进行FTIR分析表面化学基团变化，或进行DSC、TGA分析热性能和组分，判断是否有降解或添加剂损失。

综合解决策略需要多管齐下。在材料层面，优化配方是根本。选择高分子量、氢化度的基体聚合物。严格控制增塑剂用量，必要时使用聚合型增塑剂。选用小粒径、经表面活性处理的填料，并控制添加量。强化稳定体系，特别是抗氧和抗臭氧剂。

在加工层面，优化工艺是关键。确保充分的塑化和均匀的分散，避免过高的加工温度和剪切速率。优化模具设计，消除排气、熔接痕等缺陷。控制冷却速率，减少内应力。

在设计与使用层面，进行适应性匹配。根据实际工况选择合适的TPE硬度和类型。优化部件设计，避免尖锐棱角，降低局部应力。改善工作环境，如增加润滑、降低表面粗糙度、避免有害介质等。

相关问答

问：我们的TPE密封条在窗户上使用一段时间后，与玻璃接触的边缘出现白色粉状碎屑，这是什么原因？
答：这很可能是一种典型的磨粒磨损与臭氧/紫外线老化共同作用的现象。首先，密封条与玻璃之间存在持续的微动摩擦和压力，玻璃表面虽然光滑，但其硬度远高于TPE，长期作用会产生微细的磨粒磨损。其次，白色粉末状碎屑通常表明材料表面发生了严重的氧化降解。窗户位置长期暴露在阳光和空气中，紫外线会破坏TPE分子链（尤其是SBS中的不饱和键），臭氧攻击也会导致表面分子链断裂，形成粉化层。两者结合，摩擦不断将已老化的脆弱表层磨削下来，形成白粉。建议从材料端提升耐候性，如选用SEBS基TPE，并添加足量的抗UV剂和抗臭氧剂。同时，检查密封条装配松紧度，避免过压。

问：为了提高TPE的耐磨性，添加更多的润滑剂（如硅酮母粒）是否正确？
答：这是一个需要谨慎权衡的策略。添加硅酮等润滑剂确实可以降低TPE表面的摩擦系数，减少摩擦生热和粘着磨损的倾向，对改善某些情况下的耐磨性有帮助。但是，润滑剂过量添加或分散不均，会大幅降低材料的内聚强度和表层硬度，可能导致材料在受力时更容易发生塑性流动和撕裂，产生另一种形式的磨损掉屑。此外，润滑剂可能迁移到表面，影响后续的粘接或印刷。正确的做法是，在保证材料基本力学性能的前提下，少量、均匀地添加合适的润滑剂，并务必通过严格的摩擦磨损测试来验证效果。

问：如何快速判断掉屑主要是由材料配方问题还是加工问题引起的？
答：一个实用的初步判断方法是：观察掉屑的普遍性和磨损面的形貌。如果掉屑在同一批次的所有制品、甚至多个批次的相同部位都频繁发生，且磨损面在显微镜下能看到大量裸露的填料颗粒或明显的相分离结构，那么很大概率是配方本身存在缺陷，如填料过多、相容性差。如果掉屑是偶发的、仅出现在特定模具腔或生产时段，且磨损面能看到明显的流痕、气泡或未熔融的凝胶点，则应重点排查加工过程，如塑化温度、螺杆状态、模具排气等。当然，最可靠的方法是对比分析正常样品与掉屑样品的微观结构和力学性能。

问：对于已生产的存在掉屑风险的TPE制品，是否有办法进行表面处理以改善？
答：对于已成型制品，补救措施有限，但可尝试一些表面处理来延缓问题。如果掉屑主要源于表面过于脆弱或发粘，可以考虑使用温和的溶剂（如异丙醇）清洁表面，去除可能存在的弱边界层或析出物。对于某些不接触食品或人体的工业部件，可尝试喷涂一层极薄的、附着力好且柔韧的透明保护涂层，将TPE基体与外界摩擦副隔开。但这种方法对涂层的匹配性要求极高，否则可能脱落。更根本的解决方案是，对后续生产从材料和工艺上进行改进，并对已入库的风险批次进行隔离和评估。

问：在设计阶段，如何从结构上降低TPE部件磨损掉屑的风险？
答：好的设计能预防问题。首先，避免尖锐的棱角和边缘，所有接触面或可能摩擦的部位，尽量采用圆角或倒角设计，以分散应力，防止应力集中导致的撕裂。其次，在允许的情况下，优化配合公差，避免过盈配合造成的过大装配应力，适当的间隙有时能减少磨损。对于需要滑动摩擦的部位，可以设计储油槽或润滑结构。另外，考虑将易磨损部位设计为可单独更换的模块化结构。最后，与材料工程师充分沟通，根据部件不同区域所受的应力类型，考虑采用硬度渐变或复合共挤的设计，在需要耐磨的部位使用更高硬度、更耐磨的TPE牌号。

结论

TPE弹性体的磨损掉屑，是一个从分子界面到宏观系统、从静态材料到动态环境的综合性问题。它可能始于配方中一粒未经良好包裹的填料，成长于加工中一次不经意的温度失控，最终爆发于使用中一种不匹配的摩擦接触。解决这一问题，没有单一的妙药，唯有建立起贯穿材料科学、加工工程与产品应用的全链条认知。理解磨损的多种机制，识别掉屑的具体形貌，追溯其从内生到外显的全过程，是制定有效对策的前提。在材料研发端，追求更均匀的相态、更强的界面与更稳定的结构；在加工制造端，恪守温和、均匀、精准的工艺窗口；在产品设计端，预判应力、匹配工况。唯有如此，才能赋予TPE制品以坚韧的表皮，使其在动态的世界中持久服役，历久弥新。对抗磨损，本质上是材料工程师与失效规律之间一场永无止境的对话与博弈。