Thermoplastische Elastomere Kunststoff-Grundlagen: Von Elastomeren, Thermoplasten und Mischformen

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Was sind thermoplastische Elastomere? Wie unterscheiden sie sich von Thermoplasten und klassischen Elastomeren? Und welche Vorteile ergeben sich daraus? Ein Überblick aus der Kunststoffkunde.

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

Sie zeigen die elastischen, gummiartigen Eigenschaften der Elastomere, können aber wie Thermoplaste nach Erwärmen verformt werden. Die gummielastischen Hybridkunststoffe werden u.a. zu Schläuchen, Kappen und Stopfen, Halbzeugen und Dichtungen verarbeitet. Doch wodurch wird dieser „Hybridstatus“ erreicht und welche Auswirkungen hat das auf ihre Einsatzmöglichkeiten?

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„Hybride“ aus Thermoplasten und Elastomeren

Thermoplaste wie der Massenkunststoff 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.

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:

• 1. Zum einen können Thermoplast und Elastomer einfach miteinander vermengt werden. 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.

• 2. Andererseits können verschiedene Monomerbausteine gemeinsam polymerisiert werden. 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.

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 TPE in verschiedene Typen

Die zahlreichen Monomer-Kombinationsmöglichkeiten eröffnen eine große Bandbreite technisch relevanter thermoplastischer Elastomere 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.

• Unvernetzte 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. 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 von TPE

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 und 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. Der Fachpartner für Laborbedarf, Schlauch- und Dichtungstechnik bietet eine Vielzahl qualitativ hochwertiger Produkte aus thermoplastischen Elastomeren an.

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.

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