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Thermoplastische Elastomere TPE

Thermoplastische Elastomere (TPE) gehören zu einer der interessantesten Materialgruppen der letzten Jahrzehnte mit hohen Wachstumsraten. TPE-Materialien vereinen die leichte Verarbeitbarkeit von Thermoplasten mit Eigenschaften von Elastomeren. TPEs lassen sich wiederholt aufschmelzen und zeigen bei Raumtemperatur ein kautschukelastisches Verhalten. Nach der Freedonia Studie von 9/2011 wird der globale Verbrauch bis 2015 weiterhin jährlich um 6,3% auf 5,6 Mio t steigen. 30% der TPE-Materialien gehen in den Automobilsektor.

Für Thermoplastische Elastomere wird das allgemeine Kurzzeichen TPE genutzt. TPE-Materialien werden nach ihrem chemisch-morphologischen Aufbau in 7 Gruppen mit weiteren Untergruppen eingeteilt: TPA, TPC,TPO, TPS, TPU, TPV und TPZ (genauere Erläuterungen siehe Aufbau).

Generelles

Aufbau

Definition

Die Unterscheidung zwischen Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren ist fließend. Nach DIN EN ISO 18064 sind "thermoplastische Elastomere polymere Werkstoffe, die sich im Gebrauchstemperaturbereich entropieelastisch (gummielastisch) verhalten. Der Zugverformungsrest ist kleiner als 50%. Sie haben oberhalb ihres Gebrauchstemperaturbereichs einen Schmelzbereich (Fließbereich). Der Kälterichtwert TR bzw. die Glasübergangstemperatur Tg liegen in der Regel unter 0°C."

Polymeraufbau

Thermoplastische Elastomere basieren entweder auf Polymerblends (intensives Mischen von Thermoplasten und Elastomeren, wie EPM, EPDM,NR etc.) oder Blockcopolymeren (Kombination von harten und weichen Phasen (zwei-oder mehrphasig) in einem Polymer). Immer werden harte, schmelzbare mit weichen, elastischen Phasen kombiniert.

Shore-Härte

Ein weiteres Einteilungskriterium für TPEs ist die Shore-Härte der Materialien. Weiche TPEs sind im allgemeinen solche mit Shore-Härten A von 30 bis ca. 85 und harte solche mit Schore-Härten 60 A bis über 75 D.

TPE Kurzzeichen

TPEs werden anhand ihres chemischen Aufbaus in 7 Hauptgruppen unterteilt und durch weitere Buchstaben entsprechend ihrer eingesetzten Monomereinheiten nach DIN EN ISO 18064 wie folgt mit Kurzzeichen benannt:

TPE: Thermoplastische Elastomere
TPA: Polyamid-TPE
   TPA-EE: TPA, Weichsegmente mit Ether- und Ester-Bindungen
   TPA-ES: TPA mit Polyester-Weichsegmenten
   TPA-ET: TPA mit Polyether-Weichsegmenten
TPC: Copolyester-TPE
TPC-EE: TPC, Weichsegmente mit Ether- und Ester-Bindungen
TPC-ES: TPC mit Polyester-Weichsegmenten
TPC-ET: TPC mit Polyether-Weichsegmenten
TPO: Olefin-TPE
TPO-(EPDM+PP): Ethylen/Propylen/Dien+ Polypropylen
TPO-(EVAC+PVDC): Ethylen/Vinylacetat+Polyvinylidenchlorid
TPS: Styrol-TPE
TPS-SBS: Styrol/Butadien Block-Copolymer
TPS-SIS: Styrol/Isopren-Block-Copolymer
TPS-SEBS: Styrol/Ethenbuten/Styrol-Block-Copolymer
TPS-SEPS: Styrol/Ethenpropen/Styrol-Block-Copolymer
TPU: Urethan-TPE
TPU-ARES: Aromatische Hartsegmente, Polyester-Weichsegmente
TPU-ARET: Aromatische Hartsegmente, Polyether-Weichsegmente
TPU-AREE: Aromatische Hartsegmente, Weichsegmente mit Ether- und Ester-Bindungen
TPU-ARCE: Aromatische Hartsegmente, Polycarbonat-Weichsegmente
TPU-ARCL: Aromatische Hartsegmente, Polycaprolacton-Weichsegmente
TPU-ALES: Aliphatische Hartsegmente, Polyester-Weichsegmente
TPU-ALET: Aliphatische Hartsegmente, Polyether-Weichsegmente
TPV: TPE mit vernetztem Kautschuk
TPZ: Weitere TPE

Allgemeine Werkstoffbeschreibung

Eigenschaften

Die Eigenschaften der TPEs liegen zwischen denen der Thermoplasten und Elastomeren. Je nach Verhältnis von Hart-/Weichsegmentanteil sind die zugehörigen Eigenschaften mehr oder weniger stark ausgeprägt.

TPEs zeichnen sich generell durch folgende Eigenschaften aus:
+ hohe Flexibilität in einem weiten Temperaurbereich
+ teilweise hohe Festigkeit sowie Schlag- und Kerbschlagzähigkeit (auch bei tiefen Temperaturen)
+ höhere reversible Dehnfähigkeit im Vergleich zu Thermoplasten
+ gute Abriebfestigkeit (je nach TPE-Gruppe)
+ gute chemische Beständigkeit (je nach TPE-Gruppe)
+ wirtschaftliche Verarbeitbarkeit
- geringe reversible Dehnfähigkeit als Elastomere
- höhere Kriechneigung als Elastomere
- Einsatz bei hohen Temperaturen begrenzter als Elastomere

Einsatzgebiete

TPE-Anwendungen (Beispiele)

TPS
Bedienelemente und Griffteile, Dichtelemente, Abdeckungen, Unterlagen, Vibrationsdämpfer, Dehnungsfugenbänder im Bauwesen

TPU
Verschleißfeste Oberflächen (Armaturen), Kupplungselemente, Dichtungen, Kabel, Sportschuhsohlen, Skischuhe, Faltenbälge, Rollen, Gewebeschlauchauskleidungen, Zahnriemen, Förderbänder

TPC
Faltenbälge, Riemen, Rollen, Luftansaugschläuche, O-Ringe, Reifen für niedrige Geschwindigkeiten

TPA
Schläuche, Profile, Dichtungen für die Kfz-Industrie, Verstärkt mit Glas/Kohlenstofffasern auch für dimensionsstabile Teile wie Zahnräder, Sportschuhe

TPO
Dichtungen für den Fahrzeugbau, Dichtungen für das Bauwesen, Schuhe, Sportartikel, Kabel, Dämpfungselemente, Spielzeugwaren, Fahrzeugbau (Stoßstange, Seitenleiste)

TPV
Dichtungen für den Fahrzeugbau, Türen, Dichtungen für das Bauwesen, Haptikelemente, Kabel, Dämpfungselemente, Automobil- Innenverkleidungen, Pkw-Luftansaugrohre

Verarbeitungsverfahren

TPE Verarbeitungsverfahren

Grundsätzlich lassen sich alle Verfahren, die für die Verarbeitung von Thermoplasten bekannt sind, auf TPEs anwenden. Überwiegend kommen jedoch der Spritzgussprozess und das Extrusionsverfahren zum Einsatz. Die Materialien können ebenfalls im Blasformen oder Thermoformen verarbeitet werden. Von hohem Interesse ist der Einsatz der TPEs in Hart-Weichverbindungen, gefertigt im Mehrkomponentenspritzgießen.

Die eingesetzten Materialtypen müssen auf das jeweils verwendete Verfahren angepasst werden. Hierbei können beispielsweise durch die Veränderung der Blocklängen (unter Verwendung der gleichen Ausgangsstoffe) die TPEs für den Spritzguss mit der häufig gewünschten schnellen Verfestigung oder für andere Verfahren mit einer hohen Schmelzestandfestigkeit, leichten Aufschmelzbarkeit bzw. geringen Schmelzviskosität realisiert werden.