Was ist ein thermoplastisches Elastomer (TPE)?

Wie werden TPEs hergestellt?

Thermoplastische Elastomere werden durch Copolymerisation von zwei oder mehr Monomeren entweder durch Block- oder Pfropfpolymerisationsverfahren hergestellt. Bei der Blockpolymerisation entstehen langkettige Moleküle mit verschiedenen Sequenzen oder Blöcken aus harten und weichen Segmenten. Bei Pfropfpolymerisationsmethoden wird eine Polymerkette auf eine andere als Verzweigung aufgepfropft.

Diese Techniken bewirken, dass eines der Monomere ein hartes oder kristallines Segment ausbildet, das als thermisch stabile Komponente wirkt. Diese Komponente erweicht und fließt unter Scherung, im Gegensatz zu den chemischen Vernetzungen zwischen den Polymerketten in herkömmlichem, duroplastischem Gummi. Währenddessen entwickelt das andere Monomer ein weiches oder amorphes Segment, das zu den gummiartigen Eigenschaften von TPE beiträgt.

Durch Variation des Verhältnisses der verwendeten Monomere sowie der Längen der Hart- und Weichsegmente lassen sich die Eigenschaften des fertigen TPEs steuern. Pfropfmethoden bieten jedoch mehr Möglichkeiten, das Copolymer zu variieren, da sowohl das Grundgerüstmonomer als auch die gepfropften Zweige hart und glasig, gummiartig oder irgendwo dazwischen sein können. Sowohl bei der Block- als auch bei der Pfropfmethode ist die Umwelt- und Flüssigkeitsbeständigkeit vollständig vorhersehbar.

TPEs werden in der Regel in Granulatform hergestellt und in dieselbe Art von Spritzgießmaschinen gegeben wie starre Thermoplaste. Farbstoffe können dem Compound während der Produktion zugesetzt oder automatisch oder manuell an der Spritzgießmaschine eingemischt werden.

Sind thermoplastische Elastomere sicher in der Anwendung?

Thermoplastische Elastomere haben von Natur aus eine geringe Toxizität und entsprechen meist den medizinischen und lebensmittelrechtlichen Vorschriften, was sie für eine Reihe von Anwendungen sicher macht. Aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, ihrer starken Haptik und ihrer Elastizität fühlen sie sich weich und ansprechend an und eignen sich daher perfekt für eine Reihe von verschiedenen Konsumgütern.

TPEs sind sicher in der Anwendung, insbesondere bei Raumtemperatur, und finden sich in Anwendungen mit Lebensmittelkontakt, wie z. B. Löffel für Babys, sowie in Anwendungen im Gesundheitswesen, wie z. B. Zahnschutz.

 

Vorteile

TPEs haben eine ganze Reihe von Vorteilen, die sich auf die Herstellung, die Materialeigenschaften, die Recyclingfähigkeit und die Anwendungen beziehen. Einige dieser Vorteile, insbesondere gegenüber duroplastischen Kunststoffen, sind die folgenden

• TPEs benötigen keine großen Mengen an Energie zu ihrer Herstellung, benötigen wenig oder keine Compoundierung und benötigen keine Verstärker, Stabilisatoren oder Aushärtungssysteme. Das bedeutet, dass es keine Abweichungen bei der Gewichtung und Dosierung von Komponenten gibt, was zu einer größeren Konsistenz bei Rohmaterialien und gefertigten Artikeln führt
• TPE-Compounds lassen sich mit den meisten Farbstoffen leicht einfärben, was zu einer breiten Palette von Anwendungen führt
• TPEs sind beständig gegen niedrige und hohe Temperaturen (-30°C bis +150°C) und bieten gute thermische Eigenschaften und Materialstabilität bei einer Vielzahl von Temperaturen
• TPE-Materialien können wie andere Kunststoffe recycelt und wiederverwendet werden, haben aber auch die elastischen Eigenschaften von Kautschuk, der nicht recycelbar ist. TPEs können auch zermahlen und zu 3D-Druckfilament verarbeitet werden
• Die Materialeigenschaften von TPEs gewährleisten eine hervorragende Biegewechselfestigkeit, gute elektrische Eigenschaften, eine hohe Reiß- und Abriebfestigkeit, eine hohe Schlagzähigkeit und Dehnung, ein niedriges spezifisches Gewicht, eine ausgezeichnete Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit sowie einen geringen Druckverformungsrest.
• TPEs können zusammen mit bestimmten technischen Kunststoffen co-injiziert und co-extrudiert werden

Nachteile

Trotz der vielen Vorteile gibt es einige Nachteile von TPEs im Vergleich zu einigen anderen Materialien, einschließlich herkömmlichem Gummi. Dazu gehören:

• Schmelzen: Trotz der guten Temperaturbeständigkeit schmelzen TPEs bei höheren Temperaturen. Dies schränkt ihre Verwendung in Hochtemperaturanwendungen ein. Herkömmlicher Gummi schmilzt ebenfalls bei hohen Temperaturen, bietet aber Schutz, wenn er nur kurzzeitig ausgesetzt wird. Neuere Entwicklungen haben jedoch dazu geführt, dass einige TPEs bei Temperaturen von 150 °C oder höher eingesetzt werden können.
• Härte: Es gibt eine begrenzte Anzahl von TPEs mit geringer Härte, wobei die meisten eine Härte von etwa 80 Shore (Durometer A) oder mehr aufweisen. Es gibt jedoch eine zunehmende Anzahl von Materialien, die weicher als 50 Shore (Durometer A) sind, wobei einige sogar gelartig sind
• Trocknen: Die meisten thermoplastischen Materialien müssen vor der Verarbeitung getrocknet werden, ein Schritt, der bei herkömmlichen Gummimaterialien fast nie durchgeführt wird
• Kosten: TPEs haben einen höheren Preis als viele andere Kunststoffe
• Verarbeitungstemperaturen: Wenn TPEs auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden, neigen sie dazu, ihre gummiartigen Eigenschaften zu verlieren.
• Kriechen: TPE-Materialien können sich unter dem Einfluss von anhaltender Spannung, z. B. durch Druck oder Temperatur, bewegen und verformen.

Anwendungen

TPEs werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit und ihrer Eigenschaften für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Sie können auf Kunststoffmaschinen verarbeitet werden, wobei die Formgebungs- und Extrusionsverfahren schnelle Zykluszeiten von nur 20 Sekunden aufweisen. Sie können auch am Ende ihres Lebenszyklus wiederverarbeitet werden.

TPEs werden häufig in der Automobilindustrie und für Haushaltsgeräte verwendet, aber auch für Bedachungsmaterialien, medizinische Anwendungen und sogar Schuhsohlen. Auch in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenindustrie werden TPEs zunehmend eingesetzt, ebenso wie für verschiedene Kabelummantelungen.

Einige typische Anwendungen sind:

• Airbag-Abdeckungen
• Kabel- und Draht-Isolierungen
• Griffe und Handgriffe
• Stopfen und Dichtungen
• Elektro- und Handwerkzeuge

Beispiele

Thermoplastische Elastomere haben immer drei wesentliche Eigenschaften:

• Die Fähigkeit, mäßig gedehnt zu werden und nach Wegnahme der Spannung wieder annähernd die ursprüngliche Form anzunehmen
• Die Möglichkeit, als Schmelze bei erhöhten Temperaturen verarbeitet zu werden
• Kein signifikantes Kriechen

Klassifizierung

Kommerzielle TPEs werden in sechs generische Klassen eingeteilt:

1. Styrol-Blockcopolymere, (TPS oder TPE-S)

Styrol-Blockcopolymere (TPS oder TPE-S) bestehen aus zweiphasigen Blockcopolymeren mit harten und weichen Segmenten. Die Styrol-Endblöcke liefern die thermoplastischen Eigenschaften, während die Butadien-Mittelblöcke die elastomeren Eigenschaften liefern. Diese Materialien werden häufig in Schuhen, Klebstoffen, Bitumenmodifikationen sowie Dichtungen und Griffen eingesetzt, bei denen die Chemikalien- und Alterungsbeständigkeit eine untergeordnete Rolle spielt.

2. Thermoplastische Polyolefin-Elastomere (TPO oder TPE-O)

Thermoplastische Polyolefine (TPO oder TPE-O) sind Mischungen aus Polypropylen (PP) und unvernetztem EPDM-Kautschuk, wobei manchmal ein geringer Vernetzungsgrad vorhanden ist, um die Hitzebeständigkeit und die Druckverformungseigenschaften zu erhöhen. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Zähigkeit als die herkömmlichen PP-Copolymere erfordern, wie z. B. in Stoßfängern und Armaturenbrettern von Fahrzeugen.

3. Thermoplastische Vulkanisate (TPV oder TPE-V)

Thermoplastische Vulkanisate (TPV oder TPE-V) bieten eine bessere Leistung als TPE-O. Sie sind ebenfalls Mischungen aus PP und EPDM-Kautschuk, wurden aber während des Mischungsschritts dynamisch vulkanisiert. Sie werden zunehmend für Automobildichtungen, Rohrdichtungen und andere Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Hitzebeständigkeit von bis zu 120°C erforderlich ist.

4. Thermoplastische Polyurethane (TPU oder TPE-U)

Thermoplastische Polyurethane (TPU oder TPE-U) basieren auf Polyester- oder Polyether-Urethan-Typen und werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf hohe Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit und Biegewechselfestigkeit ankommt. Anwendungsbeispiele sind Schuhsohlen, Industriegurte, Drähte und Verkabelungen.

5. Thermoplastische Copolyester (TPC, TPE-E, COPE oder TEEE)

Thermoplastische Copolyester (TPC, TPE-E, COPE oder TEEE) bieten eine erhöhte chemische Beständigkeit und Wärmebeständigkeit bis zu 140°C. Mit guter Ermüdungsbeständigkeit und Reißfestigkeit werden sie in Automobilanwendungen, Drähten und Kabeln sowie industriellen Schlauchanwendungen eingesetzt.

6. Thermoplastische Polyamide (TPA oder TPE-A)

Thermoplastische Polyether-Blockamide (TPA oder TPE-A) bieten eine gute Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit und eine gute Verbindung zu technischen Polyamid-Kunststoffen. Sie werden u. a. für Kabelummantelungen und Bauteile in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

 

TPEs für medizinische Anwendungen

Thermoplastische Elastomere werden zunehmend von Herstellern medizinischer Geräte für Anwendungen eingesetzt, die Flexibilität und Elastizität erfordern. Als Ersatz für Materialien wie PVC oder duroplastischen Kautschuk werden TPE-Compounds unter anderem für Schläuche, Beatmungsbeutel, Beutel, Masken, Kissen, Tropfkammern, Spritzen, Stöpsel, Dichtungen, Dichtungsringe und Tropfkugeln verwendet.

Die Vielseitigkeit der TPEs ist einer der Gründe, warum sie in medizinischen Anwendungen so gut angenommen werden, da sie die Anforderungen der Endverbraucher für eine Reihe von Zwecken erfüllen können. Testmethoden zeigen, dass die optischen Eigenschaften von TPEs von klar bis undurchsichtig reichen und die Härte von gelartig bis halbstarr reichen kann. Verschiedene TPE-Typen ermöglichen unterschiedliche Anforderungen an Festigkeit, Tieftemperaturzähigkeit, Wärmestabilität und Beständigkeit gegen Chemikalien oder ultraviolettes Licht. Die einfache Verarbeitung zu Folien, Platten oder Schläuchen macht TPEs auch zu einem attraktiven Material für medizinische Anwendungen, während ihre chemische Inertheit ein weiteres Plus für medizinische Anwendungen ist.

 

Fazit

Thermoplastische Elastomere verfügen über viele wünschenswerte Eigenschaften, so dass sie sich für viele Anwendungen in der Industrie eignen. TPEs lassen sich leicht verarbeiten und einfärben, sind sicher und flexibel und werden für immer mehr medizinische Anwendungen sowie für Konsumgüter und in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt.

Mit verschiedenen Typen, die leicht unterschiedliche Eigenschaften zu einer Reihe von Preisen bieten, ersetzen kommerzielle TPEs andere Materialien wie z.B. konventionellen Gummi. Es gibt zwar einige Nachteile bei TPE, aber die Vorteile überwiegen bei vielen Anwendungen. Darüber hinaus bieten thermoplastische Elastomere eine umweltfreundlichere Alternative zu anderen Kunststoffen, da sie recycelt und wiederaufbereitet werden können.