Thermoplastische Elastomere
Thermoplastische Elastomere (TPE) sind Compounds, die Elastizität, Aussehen und Haptik von herkömmlichem, duroplastischem Gummi mit der Verarbeitungseffizienz von thermoplastischen Kunststoffen kombinieren und sich für vielseitige Anwendungen maßgeschneidert produzieren lassen.
Kurzzeichen
TPE
Summenformel
C26H20
CAS-Nr.
632-51-9
Allgemeine Beschreibung
Thermoplastische Elastomere sind Copolymere, die sich durch Erwärmen verformen und im erwärmten Zustand durch Standardtechniken wie den Spritzguss leicht verarbeiten lassen. Thermoplastische Elastomere können im Unterschied zu anderen, steiferen Materialien gedehnt werden und kehren wieder in die annähernd ursprüngliche Form zurück, was sich auf die Lebensdauer und die physikalischen Eigenschaften positiv auswirkt.
Der Herstellungsprozess von TPE ist reversibel. Daher können unter der Bedingung einer sortenreinen Sammlung die Produkte wiederverarbeitet und neu geformt werden.
Die durch verschiedene Mischungen erzielbaren TPE-Materialien sind in vielen Eigenschaften wie vulkanisierte Kautschuke, können aber mit herkömmlichen thermoplastischen Verarbeitungsanlagen geformt und extrudiert werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, da die thermoplastische Verarbeitung kostengünstiger ist und sich durch deutlich kürzere Zyklen auszeichnet.
Definition
Thermoplastische Elastomere sind Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur vergleichbar mit klassischen Elastomeren verhalten. Wird Wärme zugeführt, lassen sich die Thermoplaste verformen. Da verschiedenste Kombinationen unterschiedlicher Thermoplast-Komponenten hergestellt werden, führt dies zu einer großen Vielfalt an TPE-Kunststoffen, die gemäß DIN EN ISO 18064 nach dem chemisch-morphologischen Aufbau eingeteilt werden.
Thermoplastische Polyamid-Polymere (TPA) weisen eine harte Komponente aus Polyamid-6- oder Polyamid-12-Monomeren auf, welche Blöcke in der Polymerkette bilden und sich mit weichen Komponenten von Polyether- oder Polyester-Einheiten abwechseln. TPA sind Blockcopolymere.
Thermoplastische Polyester-Polymere (TPC) sind Multi-Blockcopolymere, bei denen sich verschiedene Polyestereinheiten untereinander oder Polyester- mit Polyethereinheiten abwechseln.
Thermoplastische Styrol-Polymere (TPS) sind Copolymere aus Styrol-Isopren- oder Styrol-Butadien-Einheiten, die als Pfropf-Copolymere oder als Blockpolymere synthetisiert werden. Pfropf-Copolymere mit einem sehr hohen Anteil der weichen Komponente Styrol bewirken einen extrem schlagzähen Kunststoff.
Thermoplastische Polyurethan-Polymere (TPU) sind Co-Polymerisate, deren harte Komponenten in Form von Urethanen mit Polyethern oder Polyestern kombiniert werden. TPU sind die Basis für Polyester-Urethan-Kautschuke.
Polymerblends, auch als Polymerlegierungen bezeichnet, sind Gemische von Kunststoffen. Zu den Polymerblends TPO und TPV gehören die Polyolefin-Blends. TPO sind unvernetzte, thermoplastische Polymerblends, TPV sind dagegen teilvernetzte Blends aus Polyolefinen.
Herstellung
Die Herstellung thermoplastischer Elastomere erfolgt durch Copolymerisation von zwei oder mehr Monomeren entweder durch Pfropf- oder Blockpolymerisationsverfahren. Während bei der Pfropfpolymerisation eine Polymerkette auf eine andere in Form einer Verzweigung aufgepfropft wird, werden bei der Blockpolymerisation langkettige Moleküle mit verschiedenen Blöcken aus harten und weichen Segmenten erzeugt.
Bei beiden Verfahren bildet eines der Monomere ein kristallines oder hartes Segment aus und wirkt als thermisch stabile Komponente, die unter Scherung erweicht und fließt. Dieses Verhalten unterscheidet thermoplastische Elastomere von duroplastischem Gummi mit seinen chemischen Vernetzungen zwischen den Polymerketten. Das andere Monomer bildet ein amorphes oder weiches Segment und bewirkt die gummiartigen Eigenschaften von TPE.
Da es möglich ist, die Mischverhältnisse von weicher und harter Komponente exakt einzustellen, können Werkstoffe mit sehr genau definierten Eigenschaften, beispielsweise in einer Vielzahl von Härtegraden, maßgeschneidert hergestellt werden. Ein abschließendes Feintuning ist in Form der Zugabe von Additiven und Füllstoffen realisierbar. Die Herstellung thermoplastischer Elastomere erfolgt in der Regel als Granulat für den Einsatz in herkömmlichen Spritzgießmaschinen. Die Farbstoffe können dem Compound direkt während der Produktion beigemischt werden.
Eigenschaften
Thermoplastische Elastomere zeichnen sich durch eine hohe reversible Dehnfähigkeit sowie eine hohe Flexibilität in einem breiten Temperaturbereich aus. Charakteristisch für die Werkstoffe ist zudem eine gute Festigkeit sowie Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Die Eigenschaften von TPE lassen sich durch die Längen der Hart- und Weichsegmente sowie die Variation des Mischverhältnisses sehr präzise steuern. Dies gilt auch für die chemische Beständigkeit. Die sehr gute Abriebfestigkeit spricht besonders für den Einsatz thermoplastischer Elastomere bei Oberflächen und Profilen.
Für die Auswahl eines thermoplastischen Elastomers ist neben dem chemischen Verhalten vor allem die Härte von entscheidender Relevanz, die für Kunststoffe als "Shore-Härte" gemessen wird. Die Bandbreite der Härte thermoplastischer Elastomere ist enorm, beginnend bei sehr weichen Gel-Materialien mit 20 bis 90 Shore A und endend bei sehr harten Materialien mit 85 Shore D.
Chemische Beständigkeit
Die chemische Beständigkeit wird durch die Chemie der thermoplastischen Elastomere und ihre Morphologie bestimmt. Thermoplastische Elastomere zeichnen sich durch ausgezeichnete Chemikalien-, gute Lösemittel- und Witterungsbeständigkeit aus. Ein weiterer Vorteil von TPE gegenüber duroplastischem Kautschuk ist die hervorragende Einfärbbarkeit.
Nicht-polare amorphe TPE-Materialien, wie beispielsweise Styrol-Kunststoff, haben eine eingeschränkte chemische Beständigkeit gegenüber einer Reihe von Lösungsmitteln. Die Umweltbeständigkeit thermoplastischer Elastomere ist vor allem bei Außenanwendungen eine wichtige Anforderung. Alle TPE-Gruppen weisen ein gewisses Maß an Empfindlichkeit gegenüber energiereicher UV-Strahlung auf. TPE-Compounds können so formuliert werden, dass sie ozonbeständig sind.
Verarbeitungstechniken
Produktdesigner verwenden zunehmend thermoplastische Elastomere, weil sie mit gebräuchlichen Thermoplastikanlagen wesentlich kostengünstiger und schneller als Kautschuk verarbeitet werden können. Kautschuk muss eine chemische Vernetzungsreaktion (Vulkanisierung) durchlaufen, die zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden dauert. TPE benötigen diesen zeitintensiven Vernetzungsschritt nicht und erreichen dadurch Zykluszeiten. Zu den nutzbaren Standardverfahren der Kunststoffverarbeitung gehören das Extrudieren, das Spritzgießen und das Blasformen. Zudem lassen sich thermoplastische Elastomere gut verschweißen.
TPE können in Form von Co-Injektion und Co-Extrusion mit Polyolefin und bestimmten technischen Kunststoffen verarbeitet werden und weisen eine hervorragende Verbindung mit technischen Polyamidwerkstoffen auf. TPE-Verarbeitungsabfälle, Ausschussteile oder Altprodukte können bei sortenreiner Sammlung problemlos wiederverwertet werden.