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Thermoplastische Elastomere

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Bei Thermoplastischen Elastomeren, die seltener auch als Elastoplaste bzw. TPE genannt werden, handelt es sich um Kunststoffe, die sich vergleichbar mit klassischen Elastomeren verhalten, solange Raumtemperatur herrscht. Unter Wärmezufuhr jedoch lassen sie sich verformen und zeigen dadurch ein thermoplastisches Verhalten.

Die Eigenschaften thermoplastischer Elastomere

Bei herkömmlichen Elastomeren handelt es sich um Raumnetzmoleküle, die chemisch weitmaschig vernetzt sind. Eine Lösung dieser Vernetzungen ist ohne eine Zersetzung des Materials nicht möglich.

Bei thermoplastischen Elastomeren hingegen sind elastische Polymerketten in thermoplastisches Material eingebunden. Bei ihnen ist die Verarbeitung in rein physikalischen Prozessen mithilfe von Scherkräften, hoher Wärmeeinwirkung und einer anschließenden Abkühlung möglich. Die solchermaßen hergestellten Teile haben gummielastische Eigenschaften, und das obwohl keine chemische Vernetzung durch eine Vulkanisation notwendig ist, die viel Zeit und hohe Temperaturzufuhr erfordert. Eine wiederholte Einwirkung von Scherkraft und Wärme macht bei thermoplastischen Elastomeren ein erneutes Aufschmelzen und Verformen möglich. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass thermoplastische Elastomere im Vergleich zu herkömmlichen Elastomeren eine verringerte thermische und dynamische Belastbarkeit aufweisen. Somit stellen Erstere weniger eine Weiterentwicklung, sondern vielmehr eine Ergänzung klassischer Elastomere dar, durch die weitere Anwendungen möglich werden. Denn sie kombinieren die Vorteile bei der Verarbeitung von Thermoplasten mit den vielen Werkstoffvorteilen von Elastomeren.

In Teilbereichen sind bei thermoplastischen Elastomeren physikalische Vernetzungspunkte vorhanden (Kristallite oder Nebenvalenzkräfte). Sie lösen sich bei Wärme auf, während die Makromoleküle erhalten bleiben und nicht zersetzt werden. Diese Werkstoffe sind daher deutlich einfacher zu verarbeiten als klassische Elastomere. Es ist zudem möglich, sie als Kunststoffabfall wiederholt einzuschmelzen und erneut zu verarbeiten.

Die Werkstoffeigenschaften thermoplastischer Elastomere verändern sich nichtlinar über Zeit und Temperatur. Relevant sind hierbei vor allem die beiden messbaren Kerngrößen Druckverformungsrest und Spannungsrelaxation. Der Rohstoff ist teurer und im Vergleich zu Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) weisen sie im Kurzzeitverhalten weniger gute Materialeigenschaften auf. Im Langzeitverhalten allerdings sind die thermoplastischen Elastomere in dieser Hinsicht im Vorteil.

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Herstellung eines thermoplastischen Elastomers (TPE)

Der Verarbeitungsprozess thermoplastischer Elastomere gleicht stark dem herkömmlicher Thermoplaste. Daher sind nahezu ebenso kurze Zykluszeiten möglich. Immer häufiger werden thermoplastische Elastomere zur Fertigung von Dichtungen in Karosserien und Bauteilen verwendet. Sie lassen sich extrudieren, spritzgießen und eignen sich für die Blasformung. In der Regel erfolgt ein gebrauchsfertiger Bezug.

Einteilung thermoplastischer Elastomere

Abhängig vom inneren Aufbau erfolgt eine Unterteilung in Copolymere und Elastomerlegierungen.

TPE - Copolymere

Copolymere finden Verwendung entweder als statische oder als Blockcopolymere. Die erste Art besteht eine einem kristallisierenden Hauptpolymer, das physikalisch vernetzt. Ein solches Copolymer ist zum Beispiel Polyethylen. Der Kristallisationsgrad des Hauptpolymers ist verringert durch ein Comonomer, das zufällig entlang der Kette eingebaut ist. Hierbei kann es sich etwa um Vinylacetat handeln. Dadurch haben die Kristallite (harte Phase) im fertigen Werkstoff keinen direkten Kontakt mehr zueinander. Aus diesem Grund wirken sie wie in herkömmlichen Elastomeren als isolierte Vernetzungspunkte.

In Blockcopolymeren tritt eine scharfe Trennung der Hart- und Weichsegmente in einem Molekül auf. Unterhalb einer gewissen Temperatur entmischt sich in einem TPE das Material in eine diskontinuierliche und eine kontinuierliche Phase. Wenn Erstere ihre Glasübergangstemperatur überschreitet, wirkt sie als Vernetzungspunkt. Hierbei liegt diese Temperatur deutlich unter der späteren Anwendungstemperatur.

TPE - Elastomerlegierungen

Elastomerlegierungen sind Zusammenmischungen von fertigen Polymeren, auch Polyblends genannt. Das heißt, der Kunststoff besteht aus mehreren Molekülarten. Indem man das Mischungsverhältnis und die Zuschläge variiert, ist es möglich, für zahlreiche Anwendungen genau den passenden Werkstoff zu erhalten. Man kann folgende Arten unterscheiden:

  • TPE-A bzw. TPA wie etwa PEBAX sind Thermoplastische Copolyamide
  • TPE_E bzw. TPC wie zum Beispiel KEYFLEX sind Thermoplastische Polyesterelastomere
  • TPE-O bzw. TPO wie PP sind Thermoplastische Elastomere auf Basis von Olefin
  • TPE-S bzw. TPS, etwa Kraton und Styroflex, sind Styrol-Blockcopolymere
  • TPE-U bzw. TPU, zum Beispiel Elastollan, sind Thermoplastische Elastomere auf Basis von Urethan
  • TPE-V bzw. TPV, etwa PP/EPDM , sind Thermoplastische Vukanisate oder vernetzte thermoplastische Elastomere auf Basis von Olefin

Vorteile thermoplastischer Elastomere

Sie verhalten sich bei Raumtemperatur wie klassische Elastomere, lassen sich jedoch - anders als diese - unter Hitze verformen. Es handelt sich zumeist um Copolymere, die sowohl aus einer weichen Elastomerkomponente sowie einer harten Thermoplast-Komponente bestehen. Die Eigenschaften der Werkstoffe liegen also zwischen denen von Elastomeren und Thermoplasten.
Ein beliebter Vorteil solcher Kunststoffe ist die Schweißbarkeit, um wasserdichte Verbindungen zu schaffen.

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2009 Maschinenbau-Wissen.de
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