TPE弹性体材料为什么会起泡？

站在生产车间里，看着刚刚成型的一批TPE制品表面或内部出现星星点点的气泡，甚至是大面积起泡，这种场景足以让任何一位经验丰富的工程师或生产主管眉头紧锁。在近二十年的TPE材料研发与生产应用生涯中，我处理过数不清的起泡案例，深知这不仅仅是外观瑕疵，更是材料、工艺乃至管理环节出现问题的直接信号。用户搜索这个问题，背后往往关联着现实生产中的质量困扰、交期延误和成本损失。他们需要的不仅是一个简单的答案列表，而是一套能够追本溯源、系统解决问题的思维方法和实战指南。

TPE起泡，本质上是气体被困在熔体内部或表面，在冷却定型后形成的可见缺陷。这些气体来源复杂，相互作用，使得解决起泡问题如同破案，需要逐一排查线索。今天，我将基于长期积累的经验，从材料科学、工艺控制、模具设计以及环境因素等多个维度，深入剖析TPE起泡的根源，并提供经过验证的解决方案，旨在帮助您不仅解决眼前的起泡，更能建立预防机制。

一、 起泡的根源探析：气体从何而来？

要根治起泡，必须首先理解这些不请自来的气体究竟源自何处。根据其生成机理，我们可以将起泡的气体来源分为四大类：原料自身携带、加工过程产生、外部环境卷入以及后处理反应生成。

1.1 原料的内在水分与挥发分

这是TPE起泡最常见，也是最容易被首先怀疑的原因。TPE配方是一个复杂的混合体，通常包含弹性体基材（如SEBS、SBS）、操作油、填充剂、功能助剂等。这些原料，尤其是吸湿性组分，在储存和运输过程中会从环境中吸收水分。

吸湿性组分： 某些无机填料，如碳酸钙、滑石粉、氢氧化铝等，即便经过表面处理，仍具有一定吸湿性。更重要的是，作为基材的SEBS/SBS等弹性体，其微观结构也具有亲水点，能够吸附少量但足以造成问题的水分。当环境湿度超过50%时，这种吸附会显著加快。

低沸点挥发物： 操作油（白油、环烷油等）可能含有轻组分，部分助剂（如某些润滑剂、抗氧剂）也可能含有易挥发的溶剂或低分子物。如果原料供应商的工艺控制不严，或使用了来路不明的再生料，这些挥发分的含量会更高。

这些水分和挥发分在常温下是固体或液体，但当TPE在加工设备中受热熔融（通常为160-220°C），其温度远超过水的沸点（100°C）和许多挥发分的沸点。它们会急剧气化，体积膨胀数百倍。如果这些气体在熔体被压实、冷却定型前未能顺利排出，就会形成气泡。

表1：常见易导致起泡的原料因素及表征

原料类别	具体风险物质	起泡特征	预防性检测方法
聚合物基料	SEBS/SBS中的吸附水，再生料中的分解物	细小、密集的泡，分布相对均匀	水分测定仪（库仑法或失重法）
操作油	轻组分（低沸点烃类），氧化酸败产物	泡可能较大，伴有油雾或异味	闪点测试，热失重分析（TGA）
填料	碳酸钙、滑石粉等吸附的水分及结晶水	与填料团聚相关的局部密集气泡	烘箱法测填料水分，关注填料批次稳定性
功能助剂	受潮结块的助剂，含溶剂的液体助剂	不规则、位置不确定的泡	目视检查，密封储存，使用前小试

1.2 加工工艺的诱发因素

即使原料是干燥的，不当的加工工艺本身也会“制造”出气体。这类起泡往往与设备状态和工艺参数设置紧密相关。

剪切过热与热分解： TPE是剪切敏感型材料。在螺杆塑化过程中，过高的螺杆转速、不合理的螺杆构型（压缩比过大）或背压不足，会导致物料受到过度的剪切摩擦，产生局部过热。当温度超过TPE中某些组分（特别是弹性体相）的热稳定性极限时，会发生热降解，产生小分子气态产物，如低分子烃类。这就是典型的“工艺性分解起泡”。

熔融不匀与裹入空气： 在喂料段，如果螺杆塑化能力不足，或喂料不稳定，固态的TPE颗粒之间会裹挟空气。这些空气若不能在压缩段和均化段被完全熔融压实、从排气口排出，就会被带入熔体，形成气泡。

注射或挤出速度过快： 在注塑成型时，过快的注射速度会使熔体以湍流形式冲入模腔，极易将模腔内的空气卷入熔体内部，形成“夹气”气泡，这类气泡多出现在料流末端、筋位或壁厚突变处。在挤出时，过快的挤出速度可能导致熔体在口模处压力释放过快，溶解在熔体中的气体（来自原料或降解）因压力骤降而析出膨胀，形成表面气泡。

1.3 模具与流道设计的缺陷

模具是熔体最终成型的场所，其设计直接决定了气体能否顺利排出。

排气不畅是模具相关起泡的首要原因。 模具排气槽设计不合理（深度不足、位置不当、面积不够）、排气槽被堵塞（油污、料屑）、或模具本身因磨损导致配合面间隙不合理，都会使型腔内的空气以及原料释放的少量气体无法排出，被高压熔体压缩在表面或内部，形成气泡。这种气泡通常位于熔体流动末端、胶位较厚区域或分型面附近。

流道与浇口设计不当也会引发问题。过小的浇口会导致熔体通过时产生极高的剪切热，可能引起局部降解起泡。冷料井设计不合理，则无法有效储存前端温度较低的、可能含有较多挥发分的冷料，这些冷料进入型腔后容易形成气泡或冷疤。

1.4 环境湿度与后处理反应

环境因素常被忽视，但却是季节性、区域性起泡问题的元凶。在梅雨季节或高湿度地区（如沿海、南方），即使原料本身水分合格，敞开的物料在车间等待加工的过程中也会迅速吸湿。特别是已打开包装的颗粒料，暴露在潮湿空气中数小时，表层含水量就可能超标。

此外，某些特定的化学反应也会产生气体。例如，在采用过氧化物硫化的TPE体系中，如果硫化剂（如DCP）在料筒中过早分解，或与某些助剂发生预反应，可能产生气体。虽然这在TPE中不如在橡胶中常见，但在某些特殊配方中仍需警惕。

二、 系统性解决起泡问题的实战路径

诊断和解决TPE起泡问题，必须遵循系统性的方法，避免头痛医头、脚痛医脚。我通常建议采用“由外而内、由易到难、由工艺到材料”的排查顺序。

2.1 第一步：紧急排查与现场工艺调整

当生产线上突然出现起泡，首先应进行快速排查，这能解决大部分偶发性问题。

1. 检查原料储存与使用： 确认原料包装是否密封完好，是否有受潮结块迹象。对于已开封的物料，检查在车间的暴露时间。优先对疑似受潮的批次进行预热干燥处理。

2. 验证烘干工艺： 这是最直接有效的措施。立即对TPE料进行充分烘干。建议使用除湿干燥机，而不是普通热风烘箱。干燥参数通常为：温度80-95°C，时间2-4小时，露点低于-20°C。温度不宜过高，以免油品析出或物料结块。烘干后立即使用。

3. 优化工艺参数：
◦ 降低料筒温度： 在保证塑化的前提下，适当降低熔体温度，特别是喷嘴和靠近喷嘴的前段温度，以减少热降解风险。

◦ 调整注射/挤出速度： 适当降低注射速度，采用“慢-快-慢”的多级注射，让气体有充足时间从排气槽排出。在挤出中，适当降低螺杆转速，稳定挤出压力。

◦ 优化背压与螺杆转速： 适当提高背压（例如增加0.2-0.5MPa），可以增强螺杆对物料的压实和混炼效果，有助于排出熔体中的气体。同时，适当降低螺杆转速，减少剪切热。

◦ 检查模具排气： 停机检查模具排气槽是否通畅，可用铜刷清理。对于简单模具，可在分型面轻轻扑一点脱模剂，合模后观察其转移痕迹，判断合模是否严密。

表2：针对不同起泡现象的快速工艺调整方向

起泡现象描述	可能的主要原因	优先采取的工艺调整措施	需同步检查的项目
表面密集细小气泡	原料受潮，熔体温度过高导致降解	立即烘干原料，降低熔体温度5-10°C	原料包装与储存环境湿度
内部或皮下气泡（剖开可见）	保压不足，冷却过快表皮先硬化	提高保压压力，延长保压时间	模具冷却水道是否通畅
固定位置的大气泡	模具排气不良，夹气	降低注射速度，检查并清理排气槽	模具磨损情况，浇口位置
伴有烧焦痕迹的气泡	剪切过热降解，排气极度不畅	大幅降低螺杆转速和注射速度	螺杆磨损情况，排气槽深度与位置

2.2 第二步：深入排查设备与模具状态

如果初步工艺调整效果不彰，需深入检查硬件。

1. 螺杆与料筒检查： 螺杆磨损（特别是均化段和止逆环磨损）会导致塑化不均、回流，加剧剪切和降解。检查加热圈是否损坏，导致温度失控。对于排气式注塑机或挤出机，确保真空排气口畅通且真空泵有效工作。

2. 模具的深度诊断：
◦ 排气系统评估： 排气槽深度是否合适？对于TPE，通常排气槽深度在0.01-0.03mm为宜。过浅易堵，过深易飞边。排气槽是否开在料流末端和熔体汇合处？

◦ 冷却系统检查： 冷却不均会导致局部过热，可能引起该区域材料分解产生气泡。检查冷却水路是否堵塞，确保模具温度均匀。

◦ 浇注系统优化： 考虑扩大浇口尺寸，或将针点浇口改为扇形浇口，以降低剪切热。确保冷料井有足够容量。

2.3 第三步：材料层面的根本性分析与改进

当工艺和模具问题都排除后，起泡问题可能根植于材料本身。

1. 原料质量检验： 建立严格的来料检验制度。关键指标包括水分含量（要求通常低于0.05%，甚至0.02%）、挥发分含量（通过热失重TGA分析）和熔体流动速率MFR（判断批次稳定性）。

2. 配方优化调整：
◦ 添加吸湿剂或干燥剂母粒： 对于容易受潮的配方，可考虑添加少量吸湿剂，如氧化钙母粒，在熔融过程中捕捉水分。

◦ 调整基础聚合物与油品： 某些牌号的SEBS/SBS或操作油可能热稳定性较差，与供应商沟通，选择分子量分布更均匀、热稳定性更佳的型号。

◦ 优化助剂体系： 检查润滑剂、分散剂等是否过量，某些助剂在高温下可能挥发。确保抗氧剂体系足够有效，以抑制加工热氧化降解。

◦ 控制再生料比例与质量： 再生料通常热历史复杂，挥发分和降解物多。严格控制其添加比例（通常不超过20%），并确保其经过良好造粒和过滤。

3. 进行熔体强度测试： 熔体强度不足的TPE，在成型过程中更容易被气体撑破或自身破裂形成气泡。通过调整配方（如共混少量高熔体强度牌号、适量交联）可以改善。

三、 特殊TPE种类的起泡问题剖析

除了通用TPE-S（苯乙烯类），其他类型的TPE也有其独特的起泡特性。

3.1 TPV（动态硫化弹性体）的起泡

TPV是PP与高度交联的EPDM橡胶相的共混物。其起泡原因除了上述共性外，还需特别注意：

– 橡胶相残留挥发物： EPDV橡胶在动态硫化过程中可能残留少量交联副产物或低分子物。

– 加工温度窗口窄： TPV的加工温度需在PP的熔点和橡胶相降解温度之间精确控制。温度过高，橡胶相可能进一步降解产气；温度过低，PP塑化不良，熔体不均。

– 解决方案： 采用具有排气功能的双螺杆挤出机进行造粒和改性，确保充分脱挥。成型时使用中等偏高的背压，并严格控制熔体温度。

3.2 TPU（热塑性聚氨酯弹性体）的起泡

TPU极易吸湿，且吸湿的水分会与TPU中的异氰酸酯基团反应，产生二氧化碳气体，这是TPU起泡最主要、最特殊的原因。

– 绝对严格的干燥： TPU必须进行深度除湿干燥，通常要求水分含量低于0.02%。必须使用除湿干燥机，干燥温度为100-120°C（视牌号而定），时间通常3-4小时以上，料斗需持续保温（80-100°C）。开封后的物料应在2-4小时内用完。

– 注塑工艺： 高背压、中等螺杆转速有利于排气。流道和浇口应短而粗，减少阻力生热。

表3：不同种类TPE起泡问题的重点关注点对比

TPE类型	主要起泡风险因素	干燥要求（典型）	工艺控制关键
TPE-S (SEBS基)	填料/基料吸湿，油品轻组分，剪切降解	80-95°C, 2-4小时 (强烈推荐)	控制剪切，优化排气
TPV	橡胶相残留物，较窄的加工窗口	80-100°C, 2-3小时	精确控温，使用背压
TPU	水分与异氰酸酯反应生成CO₂	100-120°C, 3-4小时以上 (必须)	极度严格的干燥，高背压
POE/Engage基TPE	催化剂残留物，氧化降解	60-80°C, 2小时 (建议)	低温高速，防止氧化

四、 建立预防体系：从源头杜绝起泡

解决问题最高明的方法是防止问题发生。对于TPE起泡，必须建立从原料到成品的全过程预防体系。

1. 原料管理标准化： 制定原料储存规范，要求仓库恒温恒湿（建议温度<25°C，湿度<50%）。开封后的原料必须重新密封。建立先进先出制度。对每批来料进行关键指标（水分、MFR）抽检。

2. 预处理制度化： 无论天气如何，将成型前对TPE进行充分干燥作为一道必须执行的工序。投资可靠的除湿干燥机，并定期维护，监测其露点。

3. 工艺参数规范化与监控： 为每个产品/材料组合建立标准的工艺参数窗口，并培训操作人员严格执行。监控设备关键部件（加热圈、热电偶、螺杆）的工况，定期保养。

4. 模具维护计划： 定期对模具进行维护保养，包括清理排气槽、抛光型腔、检查冷却水路、修复磨损部位。

5. 员工培训： 让一线操作人员和质检员了解TPE起泡的基本原理和识别方法，使他们能在问题初现端倪时及时报警。

五、 总结：起泡是系统问题的缩影

TPE弹性体材料起泡，从来不是一个孤立的现象。它是材料特性、工艺参数、模具状态、环境因素乃至管理流程相互作用下的最终体现。解决它，需要工程师具备系统思维和严谨的排查逻辑。

在大多数情况下，严格执行原料干燥程序并优化工艺参数，可以解决八成以上的起泡问题。 剩下两成的疑难杂症，则需要我们深入材料配方和模具设计的细节中去寻找答案。记住，没有“神奇”的单一解决方法，只有对每一个环节的精密控制。将起泡问题的处理过程标准化、知识化，正是提升TPE加工技术水平和生产稳定性的必经之路。

当您再次面对起泡的TPE制品时，希望这份基于实践经验的指南，能帮助您像一位经验丰富的侦探一样，快速定位真凶，并建立起让气泡无处遁形的长效机制。

关于TPE起泡问题的常见问题解答

问：我们已经烘了料，为什么TPE制品还是会有气泡？
答：烘料后仍有气泡，需排查以下方面：1）干燥是否充分：检查干燥机设定温度和时间是否足够，干燥剂是否失效，露点是否达标。有些厚壁或高填充料需要更长时间。2）二次吸湿：干燥后的物料在料斗中停留时间过长，或料斗无保温干燥功能，导致重新吸湿。3）工艺参数不当：熔体温度过高导致热降解，注射速度过快导致夹气，背压不足未能排出熔体中的气体。4）模具排气问题：这是烘料无法解决的，需检查排气槽。5）原料本身挥发分过高：除水分外，油品或基料中的低沸点物质，仅靠常规干燥无法完全去除。

问：如何快速判断气泡是水分引起的还是降解引起的？
答：可以通过观察气泡的形态和伴随现象来初步判断：
• 水分气泡：通常体积较小，分布较为密集均匀，剖开泡壁较薄。严重时制品表面可能伴有水波纹或云彩状光泽。闻起来一般无异味，或仅有原料本身气味。

• 热降解气泡：气泡可能大小不一，常伴随有制品局部发黄、发黑（烧焦）的痕迹。气泡内壁可能附着有黄色或黑色的降解物。闻起来有刺鼻的酸味、焦糊味等异味。

最准确的判断方法是对比实验：在严格干燥原料并优化工艺（降低温度、速度）后成型，若气泡消失或大幅减少，则原问题很可能与水分或剪切过热有关。

问：对于模具排气，具体应该怎么做？多深的排气槽是合适的？
答：模具排气是解决夹气气泡的关键。标准做法是：1）位置：排气槽应开在料流末端、熔体最后填充的区域，以及熔体汇合处（如熔接痕附近）。分型面是开设排气槽的主要位置。2）尺寸：对于TPE材料，排气槽深度通常在0.01-0.03毫米之间。这是一个经验值，原则是深度要小于TPE的溢边值，但又能让气体顺利排出。可以先从0.02mm开始试模，如有飞边则适当减小，如有气泡则适当加深或加宽。3）清理与维护：定期使用铜丝刷或高压气体清理排气槽，防止被油污或料屑堵塞。对于复杂深腔制品，可考虑使用透气钢或增设排气栓。

问：背压对解决起泡有什么作用？应该如何设置？
答：背压的作用非常重要。适当提高背压可以：1）压实熔体：将螺杆前端的熔体中的气体向后挤压，通过料筒的排气口（如果有）或螺杆间隙排出。2）提高塑化均匀性：使物料混合更均匀，减少因塑化不均导致的局部过热降解。3）稳定塑化：提供更稳定的熔体密度和注射量。
设置原则：从较低背压开始（如0.5MPa），逐渐提高，直到观察不到气泡或银丝，且螺杆回退速度均匀稳定。对于大多数TPE，背压设置在1.0-3.0MPa是常见范围。注意背压过高会增加剪切热，可能导致温升和降解，因此需与熔体温度、螺杆转速协同调整。

问：在配方设计上，如何从根源上降低TPE的起泡风险？
答：从配方角度预防起泡，是治本之策：1）选择低吸湿性原料：选用表面处理好的填料（如硅烷偶联剂包覆的碳酸钙），选择分子量分布均匀、热稳定性好的基体聚合物。2）控制操作油质量：选用馏程范围窄、闪点高、挥发分低的精制白油或环烷油。3）优化润滑体系：合理使用内润滑剂，降低熔体粘度和剪切热，但避免过量导致析出。4）强化稳定系统：添加足量且高效的主辅抗氧剂，提高材料在加工过程中的抗热氧降解能力。5）考虑功能助剂：在允许的情况下，可添加微量吸湿剂（如氧化钙）或除酸剂，在熔融过程中捕捉微量水分和酸性物质。配方设计需要在性能、成本和加工性之间取得最佳平衡。

问：挤出TPE片材或管材时表面起泡，与注塑起泡的原因有何不同？
答：挤出起泡的机理与注塑有共同点，也有其特殊性：
共同点：原料受潮、热降解依然是主因。
特殊性：1）压力释放：熔体在口模处压力突然降至常压，溶解在熔体中的气体（特别是高温下溶解度较高的气体）会迅速析出、膨胀，形成表面气泡。这要求挤出机要有良好的排气功能（如真空排气口），并且机头压力要稳定。2）冷却速率：挤出后若急冷，表层迅速硬化，内部热量和可能产生的气体无法散出，易形成皮下气泡。需调整冷却水槽温度和距离，使冷却平缓。3）螺杆压缩比：不合理的螺杆压缩比会导致塑化不良或过度剪切。对于TPE，螺杆压缩比通常不宜过高。4）过滤网：过滤网堵塞会导致机头压力飙升和熔体温度升高，增加降解风险，需定期更换。解决挤出起泡，需重点关注挤出机的排气、螺杆设计、机头压力控制以及冷却工艺。