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Häufige Fragen (FAQ)
Was ist ein TPE?Thermoplastische Elastomere sind im Allgemeinen niedermodule elastische Materialien, die sich wiederholt bis auf mindestens das Zweifache ihrer Ausgangslänge bei Raumtemperatur dehnen lassen und dann im entlasteten Zustand wieder nahezu ihre Ausgangslänge einnehmen können. Die Urmaterialien mit dieser Eigenschaft sind duroplastische Kautschuke, die inzwischen jedoch von zahlreichen Familien spritzgießbarer thermoplastischer Elastomere (TPE) substituiert werden. TPE dienen vielfach auch zur Modifizierung der Eigenschaften „harter“ Thermoplaste, meistens um deren Schlagzähigkeit zu verbessern. Dies ist häufig der Fall bei Plattenprodukten und universellen Spritzgießcompounds. TPE-Kategorien Noch bis 1996 ließen sich sechs TPE-Hauptarten in zwei generische Klassen kategorisieren: Blockcopolymere (Styrole, Copolyester, Polyurethane und Polyamide) sowie Blends bzw. Legierungen aus Thermoplasten und Elastomeren (thermoplastische Polyolefine und thermoplastische Vulkanisate). Inzwischen sind weitere Technologien entwickelt worden: Metallocen-katalysierte polyolefine Plastomere und Elastomere sowie im Reaktor hergestellte thermoplastisch-polyolefine Elastomere. Traditionelle TPE sind Zweiphasensysteme aus einer harten thermoplastische Phase, die mechanisch oder chemisch mit einer weichen elastomeren Phase zu einem TPE verbunden wird, das Eigenschaften beider Phasen aufweist. Traditionelle TPE-Klassen
Neue TPE-Klassen
Die neuen POP und POE sind im Wesentlichen niederdichte lineare Polyethylene mit sehr niedriger Molmasse (LLDPE-VLMW). Sie sind das Resultat von Fortschritten in der Technologie der Polymerisationskatalysatoren und wurden ursprünglich entwickelt, um die elastischen Eigenschaften von Verpackungsfolien zu verbessern. Seit Kurzem werden diese elastischer Polyethylene bei weniger anspruchsvollen Spritzgussteilen zur kostengünstigen Substitution von Kautschuk genutzt. Anwendungen sind primär Produkte, die keinen extremen Temperaturen, Drücken, Belastungen oder Spannungen ausgesetzt sind. Sie bieten eine mehr oder weniger ausgeprägte Elastizität oder Oberflächenhaftung. Beachten Sie, dass es sich hierbei jedoch nicht um echte Elastomere handelt. Welche Dehnungseigenschaften kann ich von meinem TPE erwarten?Zugeigenschaften Zugeigenschaften sind Messungen, die das Dehnungsverhalten eines Elastomers beschreiben. Üblicherweise werden mehrere Tests verwendet, um Hinweise auf das TPE-Verhalten unter Einsatzbedingungen zu erhalten. Zugfestigkeit bis zum Bruch oder Reißen Diese Messgröße wird auch als Grenzdehnung bezeichnet. Zur Prüfung wird die elastomere Probe gedehnt, bis sie reißt oder bricht. Gemessen wird die dazu erforderliche Kraft. Der Wert wird normalerweise in Megapascal (MPa) angegeben, im englischen Sprachraum auch in Pfund pro Quadratzoll (psi). Elastomere mit hoher Zugfestigkeit brechen nicht so leicht wie solche mit niedrigeren Werten bei diesem Test. Reißfestigkeit Dieser Wert beschreibt die Beständigkeit eines Elastomers gegen das Einreißen. Die Prüfung entspricht im Wesentlichen der Zuspannungsprüfung. Der Zugstab ist jedoch auf einer Seite gekerbt, um einen Einreißpunkt zu bieten. Das Material wird gedehnt, und man misst die aufgebrachte Kraft, bei der er vollständig zerreißt. Der Wert wird meist in Kilonewton pro Meter (kN/m) oder auch in Pfund pro Quadratzoll (psi) angegeben. Zugmodul Bei der Zugmodulprüfung wird das Elastomer gedehnt und die Dehnung über eine Reihe von Dehnpunkten gemessen. Dies wird oft auch als Zugfestigkeit bei unterschiedlicher prozentualer Dehnung der ursprünglichen Länge angegeben, wie bei 50, 100 und 300 Prozent. Ein Elastomer kann anfangs eine sehr hohe Dehnfestigkeit aufweisen, die dann bei größerer Dehnung abnimmt, auch Einsprung genannt. Bruchdehnung Der hierbei gemessene Wert besagt nichts darüber, wie schwer oder leicht das Material gedehnt werden kann, sondern nur wie weit es sich dehnt bevor es reißt oder bricht. Gemessen wird dies in Prozent der Ausgangslänge. Einige Elastomere sind bis auf 1.000 % ihrer Ausgangslänge dehnbar, bevor sie reißen. Ein weiches, elastomeres TPE hat in der Regel einen wesentlich höheren Wert als ein härteres, steiferes Material. Einflussfaktoren Die Zugeigenschaften sind abhängig vom Verfahren, mit dem die Materialproben hergestellt werden, und von der Fließrichtung des Materials. Daher werden sie für viele Elastomere sowohl in als auch quer zur Fließrichtung gemessen. Fließrichtung Wie viele andere elastomere Eigenschaften werden die Zugeigenschaften von der Orientierung der polymeren Moleküle beim Fließen beeinflusst. Sie können daher erheblich schwanken, je nachdem ob die Materialprobe in oder quer zur Richtung gedehnt wird, in der die Schmelze bei der Verarbeitung geflossen ist. Materialproben (platten- oder stabförmig) Einige Tests werden mit spritzgegossenen Prüfstäben, andere mit extrudierten plattenförmigen Prüflingen durchgeführt. Zu Materialvergleichen sollten nur Werte herangezogen werden, die mit gleichen Prüfkörpern durchgeführt wurden, da die Werte je nach Prüfkörper sehr unterschiedlich ausfallen können. Was ist der Druckverformungsrest eines TPEDer Druckverformungsrest ist die bleibende Verformung eines Materials nach spezifischer Belastung über einen bestimmten Zeitraum und bei vorgegebener Temperatur. Gemäß der üblichen Prüfmethode (ASTM D395) wird das Material über einen bestimmten Zeitraum hinweg um 25 % zusammengedrückt. Nach einer Erholungszeit von 30 Minuten wird der Druckverformungsrest gemessen. Prüfdauer und -temperaturen:
Angegeben wird der Wert in Prozent, um den sich das Material nicht mehr zurückgestellt hat. Ein Druckverformungsrest von 40 % besagt also, dass das thermoplastische Elastomer nur auf 60 % seiner ursprünglichen Dicke zurückgekehrt ist. Ein Druckverformungsrest von 100 % bedeutet, dass es sich überhaupt nicht zurückstellt, sondern zusammengedrückt bleibt. Häufig wird der Druckverformuungsrest mit der Kriechneigung verwechselt. Diese ist jedoch das Ausmaß der Deformation unter konstanter Spannung, während der Druckverformungsrest das Ausmaß der Verformung unter konstanter Druckbelastung beschreibt. Gibt es Einsatztemperaturen für TPEDie Einsatztemperatur dient zur Angabe der maximalen Umgebungstemperatur, für die ein Material geeignet ist. Sie hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich Leistungsanforderungen, Einflussdauer, Belastung und Konstruktion der Teile. Ermittelt wird die Einsatztemperatur mit gängigen Prüfmethoden zum Messen der Vicat-Erweichungstemperatur, der Wärmeformbeständigkeit (HDT ISO 75), der Relative Temperaturindex (UL 746B) oder auch die halbe Zugfestigkeit und andere, branchenspezifische Messgrößen. Zu den Anwendungsbereichen mit relativ hohen Anforderungen an die Einsatztemperatur zählen beispielsweise Fahrzeugbau und Transportmittel, Hydraulikschläuche und Bergbaukabel. Innenanwendungen, wie Griffe an Körperpflegeartikeln und Kochgeschirr, Telefonkabel und Spielzeug, erfordern meist weniger hohe Einsatztemperaturen. Was bedeutet Härte?Härte Die relative Weichheit oder Härte eines Materials ist oft eines der ersten Kriterien bei der Wahl eines thermoplastischen Elastomers. Sie steht aber auch in Bezug zu anderen wichtigen Konstruktionseigenschaften, wie Zug- und Biegemodul. Aufgrund der diversen Härteskalen und Abhängigkeit der Härte von anderen Materialeigenschaften kann beim Gespräch über Härte Verwirrung entstehen. Härtemessung Das häufigste Instrument zum Messen der Härte von Kautschuken und Elastomeren ist der Shore-Durometer. Mit einer Feder wird ein Metallstab in die Oberfläche des Materials gedrückt, um die Eindringtiefe von 0 bis 0,1 Zoll (2,54 mm) zu messen. Das Ergebnis wird auf Härtegradskala des Durometers angezeigt. Ein Härtegrad von 0 bedeutet, dass die volle Eindringtiefe erreicht wurde. Härtegrad 100 steht für „kein messbares Eindringen“. Shore-Durometer sind sind für unterschiedliche Härteskalen verfügbar. Am gängigsten ist die Skala Shore A, die mit einem stumpfen Eindringstab und moderater Federkraft arbeitet. Shore-A-Instrumente gelten bei Härtegraden über 90 als ungenau. Für härtere Materialien werden Shore-D-Durometer benutzt, die einen spitzen Stab und eine stärkere Feder haben, um eine größere Eindringtiefe zu erzielen. Für noch härteste Kunststoffe werden Instrumente mit noch schärferen Eindringstäben (oder gehärteten Stahlkugeln) und höheren Kräften verwendet, wie Rockwell-Härteprüfer. Am anderen Ende der Härtegrade werden weiche Gele und weicher geschäumter Kautschuk mit Hilfe der Shore-Skala OO eingestuft. Die meisten Materialien halten der anfänglichen Eindringkraft stand, geben dann jedoch im Lauf der Zeit aufgrund ihrer Kriechneigung oder Spannungsrelaxation nach. Die angezeigten Härtegrade können entweder sofort oder nach einer spezifischen Verzögerungszeit erfasst werden. Typisch sind 5 bis 10 Sekunden. Der Sofortwert liegt dabei immer höher (größere Härte) als die nach Verzögerung abgelesenen. Letztere sind nicht aussagekräftiger für die Härte des Materials, sondern auch für dessen Rückstellfähigkeit. Bei empfindlichen, weniger elastomeren Materialist ist die Kriechneigung – das heißt die zeitlich verzögerte, reversible Deformation – größer als bei festeren, elastischeren Materialien. Für stichhaltige Daten sind präzise Prüfverfahren erforderlich. Genaue Messungen erhält man auf Proben mit flacher Oberfläche sowie ausreichender Wandstärke, um zu verhindern, dass die Auflagefläche das Ergebnis beeinflusst. Die übliche Wandstärke liegt bei 5 mm. Bei härteren Compounds mit geringerer Kriechneigung liefern auch kleinere Wandstärken genau Werte. Wechselbeziehung zu anderen Eigenschaften Härte wird oft mit anderen Eigenschaften verwechselt, wie dem Biegemodul. Beide Eigenschaften sagen zwar etwas darüber aus, wie sich das Produkt in der Hand des Verbrauchers anfühlt (Fell oder Haptik). Der Biegemodul repräsentiert jedoch die Beständigkeit des Materials gegen Durchbiegung, während die Härte das Maß der Eindrückbeständigkeit ist. Innerhalb einer spezifischen TPE-Familie stehen beide Eigenschaften in Wechselbeziehung. Im Allgemeinen nimmt mit der Härte auch der Biegemodul zu. Auch zwischen der Kriechbeständigkeit und der Zugfestigkeit innerhalb einer bestimmten TPE-Familie besteht ein direkter Bezug. So haben weichere TPE eine größere Kriechneigung und weniger Zugfestigkeit als härtere Materialtypen. Der Reibungskoeffizient verhält sich meist umgekehrt proportional zur Härte – je härter das TPE, desto kleiner normalerweise der Koeffizient. Beim Vergleich von TPE unterschiedlicher Familien sind effektive physikalische Eigenschaftsdaten heranzuziehen, um angemessene Materialentscheidungen zu treffen. RegulierungsbehördenFood and Drug Administration (FDA) Die US-Lebensmittelbehörde FDA spezifiziert unter dem Code of Federal Regulations (CFR), Titel 21, Kapitel 1B, detaillierte Voraussetzungen für die Zulassung unterschiedlicher Polymere und Compounds, die in Lebensmittelanwendungen eingesetzt werden sollen. Die FDA-Zulassung eines Materials besagt, dass dessen Formulierung nur Stoffe enthält, die gemäß 21 CFR, Teile 170 bis 199, genehmigt sind. National Sanitation Foundation (NSF) Die National Sanitation Foundation der USA ist für ihre Normen, Produktprüfmethoden und Zertifizierungen in den Bereichen Gesundheits- und Umweltschutz bekannt. NSF-Zertifizierungsprogramme werden vom American National Standards Institute (ANSI/RAB), vom niederländischen Raad voor Accreditatie (RvA) sowie vom Standards Council of Canada (SCC) anerkannt. Durch Allianzen mit weiteren Institutionen finden NSF-Tests auch Akzeptanz in anderen Regionen der Welt. Um nur einige dieser Organisationen zu nennen: Die Intertek Testing Services (ITS), KIWA N.V. in den Niederlanden, die Canadian Standards Association und QMI in Kanada sowie die Japan Gas Appliance Inspection Association (JIA). Typische Anwendungen, die eine NSF-Zertifizierung erfordern, sind Produkte mit Trinkwasserkontakt, Wasseraufbereitungssysteme, Versorgungsanlagen für die Gastronomie und Rohrleitungen. United States Pharmacopeia (USP) Die Vorgaben der US-Pharmakopöe konzentrieren sich auf die physiologische Verträglichkeit von Materialien bei Kontakt mit Blut und Körperflüssigkeiten. Die USP-Tests sind darauf ausgerichtet, aussagekräftige Hinweise über die biologischen Auswirkungen polymerer Materialien zu erhalten, die für Behälter eingesetzt werden. Ein Polymer kann abhängig von seinem Verhalten in diesen spezifischen USP-Tests in eine von sechs Klassen eingestuft werden. Mit zunehmender Klasse von I bis VI sind weitere Tests erforderlich. Für jede höhere Klasse werden mehr Extraktionsträgersubstanzen eingesetzt als für die jeweils niedrigere. Es können auch zunehmend höhere Extraktionstemperaturen gewählt werden, um das Material weiter zu charakterisieren. Underwriters Laboratories (UL) Die Underwriters Laboratories sind eine unabhängige Non-Profit-Zertifizierungsgesellschaft für Produktsicherheit und -prüfung mit Sitz in den USA. Gängige Tests sind UL 94 (vertikale und horizontale Entflammbarkeit, mit Einstufungen HB, V0, V1, V2 oder 5V), VTM (Entflammbarkeit von Dünnfolien) und VW (vertikale Entflammbarkeitsprüfung für Kabel). Zu den typischen Anwendungen, die den UL-Spezifikationen unterliegen, zählen elektronische Handgeräte, Büromaschinen und Haushaltsgeräte. Military Specifications (MIL) Bestimmte wehrtechnische und andere Anwendungen erfordern die Übereinstimmung mit den US-amerikanischen MIL-Spezifikationen. Diese betreffen auch Materialeigenschaften wie Dimensionsstabilität, Beständigkeit gegen Pilzbefall und viele weitere. Zu den Anwendungen in der TPE-Welt, die davon berührt werden, zählen Versorgungsleitungen, elastische Außenkabel, erdverlegte und Ship-to-Shore-Kabel. Canadian Standards Association (CSA) Die CSA ist die maßgebliche kanadische Körperschaft zur Standardisierung von Leistungskriterien und Prüfmethoden für bestimmte Anwendungen. Sie entspricht ASTM, UL, DOT, FDA und MIL in den USA. Thermo- und Duroplaste im VergleichElastomere werden gewöhnlich in zwei Hauptkategorien unterteilt:
Molekularstruktur Thermoplastische Elastomere (TPE) sind Materialien, die sich unter Wärmeeinwirkung wiederholt aufschmelzen lassen und bei Kühlung verfestigen. Die meisten Thermoplaste sind in bestimmten Lösemitteln löslich und bis zu einem gewissen Grad brenn- bzw. entflammbar. Die Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur hängt vom jeweiligen Polymer und Polymertyp ab. Aufgrund ihrer Wärme- und Scherempfindlichkeit ist darauf zu achten, dass sich das Material nicht abbaut, zersetzt oder entzündet.
Die meisten thermoplastischen Moleküle kann man sich als ein Geflecht aus unabhängigen Molekülsträngen vorstellen, wie Spaghetti (siehe Bild oben). Beim Erwärmen (wie beispielsweise beim Spritzgießen), kommen die einzelnen Stränge ins Gleiten, was ein plastisches Fließen bewirkt. Beim Kühlen verfestigt sich die Struktur wieder. Der Vorgang ist reversibel, in der Praxis aber ist die Anzahl der möglichen Erwärmungs- und Kühlzyklen ohne nennenswerte Beeinträchtigung des Aussehens und der mechanischen Eigenschaften begrenzt. Duroplastische Elastomere erfahren beim Verarbeiten eine chemische Veränderung in Form von Vernetzung. Sie werden permanent unlöslich, und die Vernetzung bleibt auch bei erneuter Erwärmung irreversibel. Darin liegt der prinzipielle Unterschied zwischen duro- und thermoplastischen Systemen. Typische duroplastische Elastomere, die ihre Eigenschaften in einem Prozess der Vulkanisierung erhalten, sind natürliche und synthetische Kautschuke, wie Latex, Nitril, walkfähige Polyurethane, Silicone, Butyl und Neopren. Wie das nachstehende Bild zeigt, bilden Duroplaste beim Aushärten ein komplexes Geflecht aus miteinander vernetzten Nachbarmolekülen. Die Vernetzung hindert die einzelnen Stränge am Gleiten, sodass auch unter Wärmeeinwirkung kein plastisches Fließen mehr möglich ist. Übermäßige Wärmezufuhr würde nach abgeschlossener Vernetzung nur zu Polymerabbau führen und nicht zum Schmelzen. Dieses Verhalten ähnelt ein wenig dem eines Spiegeleis: Bei anhaltender Hitze wird es nicht wieder flüssig, sondern verbrennt.
Verarbeitbarkeit definiert Die Fähigkeit der wiederholten Verarbeitbarkeit ist einer der Hauptvorteile von TPE gegenüber duroplastischen Kautschuken. Weitere Kerneigenschaften sind nachstehend zusammengefasst und skizziert.
Quelle: Robert Eller Associates
Vorteile von TPE gegenüber duroplastischem Kautschuk
Welchen Einfluss hat Schwindung auf TPE?Schwindung Wenn TPE-Schmelze abkühlt, ordnen sich die Moleküle zueinander an, sodass das Formteil in seiner Größe insgesamt schwindet. Wenngleich die Schwindung meist nur ein Tausendstel beträgt, kann sie das Formen und Entformen sowie das Aussehen der Fertigteile drastisch beeinflussen. Ein Teil, das flach liegen muss, kann sich durch ungleichmäßige Schwindung verbiegen oder verziehen. Bei eng tolerierten Abmessungen besteht zudem die Gefahr, dass unerwartete Schwindung die Passgenauigkeit des Formteils in einer Baugruppe beeinträchtigt. Aus diesen Gründen muss die Schwindung bei der Produktion generell berücksichtigt werden. Entformbarkeit Bei Formteilen mit Kernen oder Hinterschneidungen ist darauf zu achten, dass das schwindende Elastomer nicht auf den Werkzeugstahl aufschrumpft und so das Entformen erschwert. Durch gezielt Werkzeugkonstruktion, polierte formgebende Oberflächen und geeignete Verarbeitungsparameter lässt sich dieser Effekt minimieren, um auch ein automatisches Entformen zu ermöglichen. Verarbeitungsbedingungen Die Verarbeitungsbedingungen können das Ausmaß und die Art und Weise der Schwindung drastisch beeinflussen. Rasch aufeinander folgende Zustände erhöhter und geringer Spannung verursachen eine potenziell höhere Schwindung. Schnelles Abkühlen der Formteile sowie sehr hohe Einspritzgeschwindigkeiten oder -drücke können das Schwindungsverhalten ebenfalls beeinflussen. Bitte kontaktieren Sie GLS für weitere Informationen über die Auswirkung von Verarbeitungsbedingungen auf die Schwindung. Konstruktionsüberlegungen Aufgrund der Schwindung muss die Werkzeugkavität größer bemessen sein als die gewünschte Größe des Formteils. In den meisten Fällen ist das exakte Schwindmaß erst an einem realen Formteil erkennbar. Zur Vorsicht sollte daher am besten zunächst mit einem Prototypenwerkzeug gearbeitet werden. Wie bei anderen Eigenschaften von Elastomeren ist die Schwindung oft abhängig von der Fließrichtung des Materials, die wiederum von der Anschnittposition des Formteils abhängt. Einige TPE sind außerdem isotroper als andere. Das bedeutet, sie schwinden in und quer zur Fließrichtung unterschiedlich. Dies muss bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden. Fragen Sie Ihren TPE-Lieferanten nach weiteren Informationen über schwindungsrelevante Konstruktionsüberlegungen. |
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