Elektroautos bieten TPE ein Anwendungsfeld im Interieur, Exterieur sowie im motornahen Bereich. Bildquelle: Tom-Hanisch - fotolia.com

Elektroautos bieten TPE ein Anwendungsfeld im Interieur, Exterieur sowie im motornahen Bereich.
Bildquelle: Tom-Hanisch – fotolia.com

Thermoplastische Elastomere (TPE) lassen sich wirtschaftlich verarbeiten und haben elastische Eigenschaften, was ihnen viele Einsatzmöglichkeiten eröffnet. Als weiche Komponente können sie im Mehrkomponentenverfahren auf harten Kunststoffen angespritzt werden, was Montageschritte spart und die Stückkosten senkt. Das 2K-Verfahren ermöglicht beispielsweise unverlierbare Dichtungen, was zudem die Qualitätssicherung erleichtert. Beim Abdichten von Bauteilen gegen Flüssigkeiten, Staub und Wind ist vor allem ihr ­geringer Druckverformungsrest wichtig. Sie wirken außerdem schall- und vibrationsdämpfend. Hinzu kommen verkaufsfördernde Eigenschaften, wie eine gute Einfärbbarkeit, weiche Haptik und gute Oberflächenqualität.
Da sich TPE modifizieren lassen und sie auf unterschiedlichen Hartkomponenten haften, haben sich TPE auf der Basis hydrierter Styrol-Block-Copolymere (TPS) in weiten Einsatzgebieten durchgesetzt. Die Anwendungen umfassen Unterbodenabdeckungen, Elektrowerkzeuge mit komplexer Geo­metrie und Spielzeugartikel. Die harte Komponente bilden hierbei oftmals technische Thermoplaste, darunter Polyamid 6 (PA 6). In enger Zusammenarbeit mit Kunden hat Kraiburg TPE, Waldkraiburg, ein breites Portfolio an TPS-Materialien entwickelt, das auf Marktbedürfnisse zugeschnitten ist. Dazu gehören auch Typen, die für die Medizintechnik und den Lebensmittelkontakt zugelassen sind. Ein weiteres Einsatzpotenzial bieten unter anderem Bauteile in Elektrofahrzeugen.
Wichtig für eine Haftung und damit für den Produkterfolg ist die Kohäsion im Hart-/Weich-Verbund. Dabei haften TPE und harte Thermoplaste weniger durch chemische Bindungen, sondern aufgrund zwischenmolekularer Wechselwirkungen und Verschlaufungen der Makromoleküle beider Komponenten. Um die gewünschte Verbundfestigkeit zu ermöglichen, müssen die Komponenten dabei optimal aufeinander abgestimmt sein. Das betrifft neben angepassten Anwendungseigenschaften auch die Verarbeitungsparameter. Die Praxis hat gezeigt, dass sich bei TPS im Verbund mit amorphen Thermoplasten wie etwa Acryl-Butadien-Styrol (ABS) vor allem die Masse- und Werkzeug­temperaturen sowie die Verzögerungszeit bis zum Einspritzen des TPS und Modifikationen im ABS auf die Haftung erheblich auswirken können.

Schälwiderstand nach VDI-Richtlinie ermitteln

Zugprüfmaschine gemäß DIN EN ISO527-1 zur Schälprüfung in Anlehnung an VDI 2019 – Hartkomponente 150x60x2 mm, Weichkomponente 150x20x2 mm, Zuggeschwindigkeit 100 mm/min (Bildquelle: Kraiburg TPE)

Zugprüfmaschine gemäß DIN EN ISO527-1 zur Schälprüfung in Anlehnung an VDI 2019 – Hartkomponente 150x60x2 mm, Weichkomponente 150x20x2 mm, Zuggeschwindigkeit 100 mm/min. (Bildquelle: Kraiburg TPE)

In wieweit dies auch bei einem TPS-Verbund mit teilkristallinen Polymeren zutrifft, beleuchtet eine interne Untersuchung bei Kraiburg TPE. Die Arbeit ermittelte den Einfluss von Verarbeitungs­parametern und modifizierten Polyamiden auf die Haftfestigkeit. Als Prüfverfahren dient die VDI-Richtlinie 2019 zum Ermitteln des Schälwiderstands der weichen Komponente. Dabei produziert das Unternehmen die Probekörper im 2K-Verfahren aus dem Thermolast K TC6PAZ, einem von Kraiburg TPE speziell für Verbundanwendungen mit Polyamiden entwickelten TPS-Compound, und sechs vorgetrockneten PA 6-Typen. Darunter ein naturfarbenes Standard-PA 6 ohne spezielle Füllstoffe oder Verstärker sowie ein 30 Prozent glasfaserverstärkter, ein nukleierter, ein schlagzähmodifizierter, ein hochviskoser und ein grün pigmentierter Materialtyp. Bei den Versuchen variierten die Polyamid-Massetemperatur, Werkzeugtemperatur und TPS-Einspritz­verzögerung.
Die Schälversuche wurden auf einer Zugprüfmaschine nach DIN EN ISO527-1 an jeweils fünf Proben jeder Materialkombination durchgeführt. Die Probekörper sind bei diesem Test in einem beweglich gelagerten Schlitten eingespannt, bei dem eine Umlenk­rolle die weiche Komponente mit einer Geschwindigkeit von 100 mm pro min senkrecht nach oben zieht. Die Verbundfestigkeit lässt sich anhand des Schälwiderstands in N/mm messen und grafisch darstellen. Ab 2,5 N/mm gilt die Verbundfestigkeit als sehr gut. Der Standard nach VDI 2019 verlangt außerdem ein Beurteilen der Bruchbilder abhängig vom prozentualen TPE-Rückstand auf der harten Komponente und dem Abriss des TPE-Streifens während des Tests.

Stets hoher Schälwiderstand

Die harten PA 6-Komponenten der Proben haben beim Einspritzen Massetemperaturen von 230 bis 270 °C. Die Tests ergeben einen durchweg hohen Schälwiderstand von 4,9 bis 5,2 N/mm in diesem Temperaturbereich, jedoch mit einer breiten Streuung. Angesichts der spezifischen Materialkombinationen und der großen Vielfalt verfügbarer PA 6-Kunststoffe lassen sich daher kaum allgemeingültige Aussagen ableiten. Die Ergebnisse weisen jedoch darauf hin, dass die PA 6-Massetemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Haftungseigenschaften hat, welcher im Bereich zwischen 220 und 250 °C etwas geringer ausfällt. Die Bruchbilder zeigen ebenfalls keine nennenswerten Unterschiede: Zuerst wird die Probe geschält, dann reißt der TPE-Streifen nach etwa einem Drittel des Weges ab. Ähnliches gilt für den Einfluss der Werkzeugtemperatur. Hier besteht eine Tendenz zu höheren Schälwiderständen bei zunehmender Temperatur, während die Werte bei 45 °C abfallen und breiter gestreut sind. Bis 60 °C bleibt das Bruchbild unverändert, und der TPE-Streifen reißt nach einem Drittel des Weges ab. Bei 80 °C reißt die Weichkomponente ab, ohne abzuschälen.
Deutlicher fallen die Resultate bei der Verzögerungszeit bis zum Einspritzen des TPS auf das PA 6-Substrat aus. Bereits nach 10 Sekunden nimmt die Haftkraft deutlich ab. Dies liegt vermutlich daran, dass der rasch zunehmende Kristallinitätsgrad des PA 6 ein Verschlaufen der Makromoleküle behindert. Daraus folgt, dass vor allem das zügige Einspritzen beider Komponenten nacheinander im 2K-Spritzgussverfahren zu einer deutlich besseren Verbundfestigkeit führt, als wenn Anwender die weiche Komponente an ein vorgefertigtes Einlegeteil anspritzt. Im Idealfall liegt die Einspritzverzögerung für das TPS also bei null.

Klassifizierung der Bruchbilder – angelehnt an die Norm VDI 2019. (Bildquelle: Kraiburg TPE)

Klassifizierung der Bruchbilder – angelehnt an die Norm VDI 2019. (Bildquelle: Kraiburg TPE)

Modifikationen im Fokus

Den mit Abstand größten Einfluss auf die Verbundfestigkeit haben jedoch die Modifikationen des Polyamids. Die Versuche zeigen, dass auch glasfaserverstärktes PA 6 gut haftet, wenngleich sich der TPS-Streifen im Schältest rückstandlos vom PA 6-Substrat löst. Es zeigt sich, dass Glasfaseranlagerungen an der Schnittfläche eine Verschlaufung der Makromoleküle beider Komponente stark beeinträchtigen. Auch im Fall der flammwidrig modifizierten Hartkomponente liegen die Werte deutlich unter dem Konfidenzbereich für das unmodifizierte Standard-PA. Teilweise widersprüchliche Resultate liefern die beiden Testreihen für das schlagzähmodifizierte und das nukleierte Material. Zusammenfassend lässt dies darauf schließen, dass die Haftung wesentlich davon abhängt, ob und in welchem Ausmaß die Additive an die Oberfläche migrieren und so das Benetzen und Diffundieren behindern. Das gilt auch für eincompoundierte Formtrennmittel. Der Verbund mit dem hochviskosen Material ergab auffällig hohe Werte. Die Haftung war teilweise so gut, dass der TPE-Streifen abriss, ohne von der Hartkomponente geschält zu werden.

PA6-Modifikatoren wirken sich signifikant auf den Schälwiderstand von TPS/PA6-Anwendungen aus. Die schwarzen Linien kennzeichnen den Konfidenzintervall von TPS im Verbund mit einem unmodifizierten Standard-PA6. (Bildquelle: Kraiburg TPE)

PA6-Modifikatoren wirken sich signifikant auf den Schälwiderstand von TPS/PA6-Anwendungen aus. Die schwarzen Linien kennzeichnen den Konfidenzintervall von TPS im Verbund mit einem unmodifizierten Standard-PA6. (Bildquelle: Kraiburg TPE)

Vorab-Versuche sind notwendig

Die bei Kraiburg TPE durchgeführten Untersuchungen zur Haftfestigkeit von PA 6/TPS-Verbunden in Abhängigkeit von Verarbeitungsparametern und Modifikatoren unterstreichen die Bedeutung entsprechender Vorab-Versuchen mit den jeweiligen Materialkombinationen. So lässt sich das Entwicklungsrisiko für Hart-/Weich-Anwendungen senken und die Produkteinführung beschleunigen. Angesichts der Materialvielfalt sind generelle Aussagen jedoch kaum möglich. Den größten Einfluss haben die Einspritzverzögerung der weichen Komponente und die Modifikationen des harten Substrats. Wichtig für den Produkterfolg ist das ­anwendungsgerechte Abstimmen und maßgeschneiderte Formulieren beider Materialien. Dies setzt eine solide Kenntnis und das Verständnis der Einflussfaktoren auf ihr Kohäsionsvermögen voraus.

Über den Autor

Josef Neuer

Produktmanager bei Kraiburg TPE
Waldkraiburg