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Blockcopolymere: Beschreibung, typische Eigenschaften und Anwendungsbeispiele

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Polymere lassen sich bezüglich ihres molekularen Aufbaus und ihrer physikalischen Eigenschaften in drei große Gruppen unterteilen: Thermoplaste, Elastomere und Duromere.

Thermoplaste sind unvernetzte Makromoleküle, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich plastisch verformen lassen. Bei Raumtemperatur erstrecken sich die mechanischen Eigenschaften von weich und zäh bis hart und spröde.

Bei den Elastomeren handelt es sich um chemisch weitmaschig vernetzte Makromolekülketten. Durch die Quervernetzung ist kein Aufschmelzen und somit keine thermoplastische Verarbeitung des Werkstoffes möglich. Durch Zug- und Druckbelastung lassen sich diese Polymere elastisch verformen. Nach der Belastung gehen sie in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück.

Duromere bestehen aus engmaschig vernetzten Makromolekülketten, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können. Diese glasartigen Polymerwerkstoffe zeichnen sich durch ihre hohe thermomechanische Festigkeit aus.

Blockcopolymere gehören zu den Thermoplastischen Elastomeren (TPE). Diese Werkstoffgruppe vereint die gummiähnlichen Eigenschaften bei Raumtemperatur mit der thermoplastischen Verarbeitbarkeit und wird somit zwischen den Thermoplasten und den Elastomeren eingeordnet (Bild 1).

Bild 1: Einteilung der Polymere (Bild: Allod)

Aufbau von Blockcopolymeren

Bei der Herstellung von Copolymeren werden unterschiedliche Monomere in die gleiche Polymerkette eingebaut. Je nach Anordnung der Bausteine werden statistische, alternierende, gepfropfte oder aus Blöcken aufgebaute Makromoleküle unterschieden.

Werden Segmente aus weichen, beweglichen Ketten mit Segmenten aus steifen Ketten mit hoher Kristallisationsneigung in einem Blockcopolymer kombiniert, entsteht ein Thermoplastisches Elastomer. Die kristallinen Bereiche lagern sich zu Domänen zusammen und bilden bei Raumtemperatur eine Art physikalische Vernetzungsstelle. Bei Temperaturerhöhung schmelzen die Kristallite und die Masse wird thermoplastisch verarbeitbar. Die weichen Segmente bleiben beweglich und sind somit für die elastischen Eigenschaften verantwortlich.

Bild 2: Schematische Darstellung eines Blockcopolymers (Bild: Allod)

Eigenschaften und typische Anwendungen der unterschiedlichen Blockcopolymere

TPS – Thermoplastisches Styrolelastomer/Styrol-Blockcopolymer

Styrol-Blockcopolymere werden mittels anionischer Polymerisation und geeigneter metallorganischer Katalysatoren aus alternierenden Segmenten von Styrol und Butadien oder Isopren aufgebaut.

Das reine Styrol-Blockcopolymer kommt in der Praxis selten zum Einsatz. Wegen der hohen Schmelzeviskosität und der mechanisch-thermischen Eigenschaften werden in der Regel TPS-Compounds verwendet. Bei der Compoundierung werden unter anderem medizinische Weichmacher, thermoplastische Kunststoffe, Füllstoffe, Stabilisatoren und andere Additive zugegeben. Durch die scheinbar unbegrenzten Compoundiermöglichkeiten ergibt sich eine Vielzahl an möglichen Produkten.

Durch die Compoundierung können unter anderem folgende Eigenschaften angepasst werden:

  • Härte: nahezu alle Härten einstellbar – vom Gelbereich (Shore 00) bis schlagzähmodifiziertes PP (Shore D)
  • Haftung: an technischen Thermoplasten, Elastomeren oder anorganischen Werkstoffen wie Glas und Metall
  • Medien- und Temperaturbestädigkeit
  • Relaxations- und Dämpfungseigenschaften
  • definiertes Aussehen der Oberfläche (matt, glänzend, Farbeinstellungen)
  • Haptik
  • Fließfähigkeit
  • thermische und elektrische Leitfähigkeit
  • Anpassung der Dichte
  • ...

Durch die gute Kombinierbarkeit mit den unterschiedlichsten Thermoplasten werden TPS-Compounds häufig im Mehrkomponentenspritzguss eingesetzt. Bild 3 zeigt einige typische Anwendungsbeispiele.

Bild 3: Anwendungsbeispiele für TPS-Compounds (Bilder: Allod)

TPU – Thermoplastisches Urethanelastomer

Beim Thermoplastischen Urethanelastomer handelt es sich um ein Blockcopolymer mit Urethanverbindungen im Hartblock und Ether-, Ester- oder Carbonatverknüpfungen im Weichblock.

Am häufigsten werden TPU-Werkstoffe mit Polyester basierender Weichphase eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine gute Beständigkeit gegen Öle und Benzin, eine gute Alterungsbeständigkeit, einen hohen Abriebwiderstand, gute Dämpfungseigenschaften und hohe mechanische Festigkeiten aus.

Basiert die Weichphase auf Polyether wird die Beständigkeit gegen Hydrolyse und Mikroben sowie die Tieftemperaturflexibilität verbessert.

TPU-Werkstoffe werden vor allem dort eingesetzt, wo gute Abriebeigenschaften gefordert werden. Typische Anwendungsgebiete sind:

  • Fahrzeugbau (Slush-Häute für Instrumententafeln)
  • Elektrotechnik (Kabelummantelungen)
  • Sportbereich (Sportschuhe, Skibrillen...)

TPA – Thermoplastisches Polyamidelastomer

Thermoplastische Polyamidelastomere sind Blockcopolymere mit Ether- und/oder Esterverbindungen im Weichblock und Polyamidsequenzen im Hartblock.

Die Eigenschaften von Thermoplastischen Polyamidelastomeren sind in ersten Linie abhängig von der Auswahl und Zusammensetzung der verwendeten Rohstoffe. So kann z. B. über das Mengenverhältnis von Polyamid- zu Polyetherblöcken ein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften genommen werden. Im Allgemeinen zeichnen sich jedoch alle TPA-Materialien mit vergleichsweise hohen Festigkeiten und Flexibilitäten aus. Außerdem besitzen sie außerordentlich gute Schlagzähigkeiten besonders bei tiefen Temperaturen und ein ausgeprägtes Rückstellvermögen bei schlagartiger Belastung.

Anwendung finden diese Werkstoffe vor allem in Produkten mit hohen Anforderungen an die Kälteschlagzähigkeit und Biegesteifigkeit. Im Fahrzeugbau werden unter anderem dimensionsstabile Bauteile mit guten Abrieb- und Gleiteigenschaften, wie Zahnräder, Druckluft- und Bremsleitungen aus TPA realisiert. Auch bei allen Arten von Sportschuhen kommt dieser Werkstoff zum Einsatz. Besonders für den Wintersport eignen sich Schuhsohlen aus TPA aufgrund ihrer ausgezeichneten Schlagzähigkeit.

TPC – Thermoplastisches Copolyesterelastomer

Thermoplastische Polyesterelastomere sind aufgebaut aus harten, kristallinen Segmenten und aus amorphen, langkettigen Segmenten, welche die Weichphase bilden. Das Hartsegment ist in den häufigsten Fällen Polybutylenterephthalat (PBT). Die Weichphase setzt sich aus Polyether und/oder Polyester zusammen.

Mit dem Verhältnis von Hart- zu Weichphase können die physikalischen Eigenschaften eingestellt werden. Mit zunehmender Hartkomponente steigt die Shore-Härte, die Festigkeit und Steifigkeit. Die dynamischen Eigenschaften und das Rückstellvermögen nehmen jedoch ab.

Copolyesterelastomere zeichnen sich durch ihre hohen Festigkeiten und einen hohen Abrieb- und Weiterreißwiderstand aus. Sie besitzen ein ausgeprägtes Rückstellvermögen, eine hohe Biegewechselfestigkeit und hervorragende Tieftemperaturflexibilität. Der hohe Einsatztemperaturbereich und die sehr guten mechanischen Eigenschaften machen diese Werkstoffe interessant für anspruchsvolle technische Anwendungen. Bild 4 zeigt Faltenbälge für Gelenkwellen, die typischerweise aus Copolyesterelastomeren hergestellt werden. 

Bild 4: Anwendungsbeispiel für TPC (Bild: Allod)

Autorin: Bettina Proksch, ALLOD Werkstoff GmbH & Co. KG
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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