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Thermoplastische Elastomere

Thermoplastische Elastomere vereinen die Eigenschaften von Elastomeren und Thermoplasten

Üblicherweise werden Kunststoffe nach ihren mechanisch-thermischen Eigenschaften und der zugrunde liegenden Polymerstruktur in die drei Klassen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste eingeteilt. Man kennt allerdings noch einen weiteren Vertreter, der zwischen den beiden erstgenannten Klassen einzuordnen ist: die thermoplastischen Elastomere (TPE).

Thermoplastische Elastomere, bisweilen auch Elastoplaste genannt und im Englischen mit TPR (Thermoplastic Rubber) abgekürzt, zeigen die elastischen, gummiartigen Eigenschaften der Elastomere, können aber wie Thermoplaste nach Erwärmen verformt werden. Die gummielastischen Hybridkunststoffe werden u.a. zu Schläuchen, Kappen & Stopfen, Halbzeugen und Dichtungen verarbeitet.

Wodurch wird dieser „Hybridstatus“ erreicht und welche Auswirkungen hat das auf ihre Einsatzmöglichkeiten?

TPE als „Hybride“ aus Thermoplasten und Elastomeren

Thermoplaste wie die Massenkunststoffe Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder der Hochleistungskunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen aus unvernetzten Polymerketten, die bei Erwärmung aneinander vorbeigleiten können. Aus diesem Grund sind Thermoplaste schmelzbar und innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs reversibel verformbar.

Die Molekülketten der Elastomere dagegen sind verknäult und weitmaschig miteinander vernetzt. Bei Zugbelastung kommt es zu einer Streckung bzw. Entflechtung der Polymerketten. Nach Wegfall der äußeren Einwirkung kehren die Polymerstränge wieder in den bevorzugten knäuelartigen Zustand zurück. Elastomere wie Naturkautschuk (NR), Silikonkautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) weisen daher gummielastisches Verhalten auf.

Polymerstruktur Elastomere Polymerstruktur Thermoplaste
Elastomere bestehen aus weitmaschig
vernetzten Polymerketten
Thermoplaste aus unvernetzten Polymeren,
oft mit teilkristalliner Struktur

Die Klasse der thermoplastischen Elastomere kann vereinfacht als Kombination dieser beiden Kunststoffklassen aufgefasst werden. Bei Raumtemperatur weisen sie die physikalisch-technischen Eigenschaften der Elastomere auf, während sie bei erhöhter Temperatur wie Thermoplaste ohne Zersetzung erweichen und sich reversibel verformen lassen. Der Vorgang kann bis zur Schmelze fortgeführt und nahezu beliebig oft wiederholt werden. Kühlen die TPE wieder ab, behalten sie die im erweichten bzw. geschmolzenen Zustand angenommene Form bei und nehmen ihre ursprünglichen Elastizitäts- und Festigkeitswerte wieder an.

Aufbau der thermoplastischen Elastomere: Kombination der Gegensätze

Charakteristisch für die Zusammensetzung von TPE sind eine „weiche“ und eine „harte“ Polymerkomponente. Diese auch als Sequenzen bezeichneten Bausteine können auf zwei Wegen miteinander kombiniert werden:

Zum einen lassen sich Thermoplast und Elastomer einfach miteinander vermengen. So erhält man Gemische, die auch als Polymerblends oder Elastomerlegierungen bezeichnet werden. Abhängig von den Sequenzen und dem gewählten Mischungsverhältnis lassen sich maßgeschneiderte Werkstoffe mit präzise definierten Eigenschaften herstellen, welche durch Zugabe von Additiven und Füllstoffen weiter angepasst werden können.

Andererseits ist das gemeinsame Polymerisieren verschiedener Monomerbausteine möglich. In dem auf diese Weise erhaltenen Copolymer wechseln sich thermoplastische und elastomere Monomeranteile ab. Liegen mindestens zwei chemisch unterschiedliche, miteinander verknüpfte Homopolymer-Blöcke vor, handelt sich um Block-Copolymere. In Pfropf-Copolymeren wiederum bildet eine Polymerkomponente die Hauptkette, auf welche mehrere Seitenketten des anderen Monomertyps „aufgepropft“ sind.

Maskierungsstopfen aus TPE Kappe aus TPE mit Abziehgriff

In beiden Copolymertypen sind die thermoplastischen Bereiche durch Van-der-Waals-Bindungen physikalisch-reversibel miteinander verbunden. Bei Erwärmung bleiben die Molekülketten selbst zwar erhalten, die relativ schwachen, nicht-kovalenten Wechselwirkungen untereinander werden jedoch zunehmend überwunden und der Kunststoff erweicht.

Aufgrund ihrer guten Warmformbarkeit können TPE-Kunststoffe durch Verfahren wie Extrudieren, Spritzgießen und Blasformen verarbeitet werden, beispielsweise zur Herstellung von Schläuchen aus thermoplastischen Elastomeren oder gummielastischen Rundschnüren. Zudem können diese Kunststoffe verschweißt werden.

Einteilung der thermoplastischen Elastomere in verschiedene Typen

Aufgrund der zahlreichen Monomer-Kombinationsmöglichkeiten kann eine große Bandbreite technisch relevanter thermoplastischer Elastomere angeboten werden, mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften.

Die seit 2005 geltende Norm DIN EN ISO 18064 sieht eine drei Buchstaben umfassende Nomenklatur für die jeweiligen Polymerarten vor. In der Praxis jedoch werden TPE nach wie vor häufig mit dem Kürzel „TPE“ und einem angefügten Großbuchstaben als Verweis auf den chemisch-morphologischen Aufbau gekennzeichnet.

Block-Copolymere

  • Thermoplastische Polyurethan-Polymere (TPE-U bzw. TPU):
    Thermoplastische Polyurethan-Polymere sind klassische Vertreter der Block-Copolymerisate und wurden bereits in den 1950er Jahren auf den Markt gebracht. Sie bestehen aus aliphatischen oder aromatischen Urethanen, welche sich mit Polyester-oder Polyether-Blöcken abwechseln.
     
  • Thermoplastische Polyamid-Polymere (TPE-A bzw. TPA):
    In Thermoplastischen Copolyamiden ist die harte Komponente – bestehend aus linearen Polyamid-6- oder Polyamid-12-Einheiten – mit Blöcken aus Polyestern oder Polyethern verknüpft.
     
  • Thermoplastische Styrol-Polymere (TPE-S bzw. TPS):
    Bei diesem Typ sind Styrolmonomere mit Butadien-, Isopren-, Ethylen-Butylen- oder Ethylen-Propylen-Einheiten blockweise kombiniert. Die gängigste Struktur ist der lineare A-B-A-Typ: Styrol-Butadien-Styrol (SBS), Styrol-Isopren-Styrol (SIS), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS) oder Styrol-Ethylen-Propylen-Styrol (SEPS), wobei die „harten“ Styrol-Endblöcke für die thermoplastischen und die jeweiligen „weichen“ Mittelblöcke für die elastomeren Eigenschaften sorgen. Die Härte dieser Styrol-Blockpolymere kann dabei über einen sehr weiten Bereich eingestellt werden.
     
  • Thermoplastische Polyester-Polymere (TPE-E bzw. TPC):
    Thermoplastische Copolyesterelastomere sind Multiblock-Copolymere. In den Polymerketten wechseln sich entweder verschiedene Polyestereinheiten untereinander oder Polyester- und Polyethereinheiten miteinander ab.

Polymerblends

Polymerblends sind Gemische von Kunststoffen und werden auch als Polymerlegierungen bezeichnet.

  • Unvernetze Thermoplastische Polyolefin-Elastomere (TPE-O bzw. TPO):
    TPO stellen Zwei-Komponenten-Systeme dar, in denen ein Elastomer wie etwa EPDM fein in einer Polyolefinmatrix, beispielsweise aus PP, dispergiert ist. Die Kombination von Ethylenvinylacetat (EVA) und Polyvinylidenchlorid (PVDC) ist ein weiterer wichtiger Vertreter dieses Typs.
     
  • Dynamisch vernetzte Thermoplastische Polyolefin-Blends (TPE-V bzw. TPV):
    Die eng mit den TPO verwandten TPV hingegen bezeichnen chemisch vernetzte Blends aus Polyolefinen, weswegen sie auch als Thermoplastische Vulkanisate bezeichnet werden. Auch in dieser Kategorie ist vorrangig die Kombination PP/EPDM zu nennen.
     

Für Schlauchquetschpumpen bzw. als Pumpenschläuche haben sich EPDM/PP-Schläuche als langlebige und gleichermaßen physiologisch unbedenkliche Alternative für Silikonschläuche und FPM/FKM-Schläuche durchgesetzt.

EPDM/PP-Hochleistungs-Pumpen- und Chemieschlauch EPDM/PP-Pumpenschlauch - metrisch

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass auch TPX als technisches Kürzel im Kunststoffbereich vorzufinden ist. Dieses Material ist jedoch nicht der TPE-Familie zuzurechnen, vielmehr handelt es sich hier um den von Mitsui Chemicals Inc. geschützten Waren- und Handelsnamen für Poly-4-methylpent-1-en, einen nahen Verwandten des Polypropylens.

Eigenschaften und Einsatzgebiete

Thermoplastische Elastomere stechen durch hohe Flexibilität und hohe reversible Dehnfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich hervor. Ihre hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit machen sie zudem oft robuster als das reine Elastomer oder der reine Thermoplast. Weiterhin besitzen sie eine hervorragende Abriebfestigkeit, was sie für den Einsatz als Halbzeuge, wie Gummi-Platten & Matten, und Kunststoffoberflächen auszeichnet. Zudem finden Kunststoff-Profile aus TPE Anwendung als Dichtungen und Kantenschutz in Kunststoffgehäusen, in der Automobilindustrie, Elektrotechnik, Lebensmittelindustrie und Pharmaindustrie.

Ihre chemische Beständigkeit kann durch die Auswahl der jeweiligen Monomerbausteine sehr spezifisch angepasst werden. So kann die Shore-Härte durch einen höheren Elastomeranteil reduziert werden, wodurch ein weicherer Kunststoff resultiert. Da hierfür keine Weichmacher eingesetzt werden müssen, sind TPE prädestiniert für die Fertigung von Gummischläuchen. So finden sich thermoplastische Elastomere als Ausgangsmaterial für lebensmittelechte Schläuche oder Medizintechnik-Schläuche. Exemplarisch sind hier die TPE-S-Schläuche für die Medizin- und Pharmatechnik oder die TPE-E-Food- und Pharmaschläuche der Reichelt Chemietechnik zu nennen.

TPE-S-Schlauch für die Medizin- und Pharmatechnik TPE-E-Food- und Pharmaschlauch

Auch für die Herstellung von vielen gewöhnlichen Haushalts- und Gebrauchsartikeln, wie Schuhsohlen, Soft-Touch-Griffe für Zahnbürsten, Werkzeuggriffe oder Kinderspielzeuge, werden thermoplastische Elastomere eingesetzt. Die häufigsten Anwendungen liegen jedoch im Automobilbereich; weltweit wird über ein Drittel der hergestellten TPE-Materialien in der Fahrzeugindustrie verarbeitet. Im Interieur sorgen sie beispielsweise als Innenverkleidungen und Überspritzungen von Griffen und Tasten für bessere Haptik, für den Außenbereich werden aus ihnen Kabelummantelungen, Dichtungen, Fenstereinfassungen, Faltenbälge und Dämpfer gefertigt.

Auch zur Herstellung von Haushaltsartikeln und Schuhsohlen werden thermoplastische Elastomere eingesetzt
Auch zur Herstellung von Haushaltsartikeln und Schuhsohlen
werden thermoplastische Elastomere eingesetzt

 

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Das Produktprogramm der Reichelt Chemietechnik, Ihrem Fachpartner für Laborbedarf, Schlauch- und Dichtungstechnik, umfasst eine Vielzahl qualitativ hochwertiger Produkte aus thermoplastischen Elastomeren. Bei Rückfragen zu unseren TPE-Schläuchen, Rundschnüren, Profilen, Stopfen und Kappen stehen wir Ihnen jederzeit gerne zur Verfügung. Wir freuen uns auf Ihre Nachricht!

 

Bildquellen:
Grafik: Schuhsohle | © Анастасия Тимошенко - stock.adobe.com
Grafik: Weitmaschig vernetzte Polymerketten | ©  Roland.chem - commons.wikimedia.org
Grafik: Thermoplaste aus unvernetzten Polymeren | ©  Roland.chem - commons.wikimedia.org

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