Thermoplastische elastomeren Basisbegrippen over kunststoffen: over elastomeren, thermoplasten en hybride materialen

Bron: persbericht RCT Reichelt Chemietechnik | Vertaald door AI 5 min Leestijd

Wat zijn thermoplastische elastomeren? Waarin verschillen ze van thermoplasten en klassieke elastomeren? En welke voordelen bieden ze? Een overzicht vanuit de kunststofkunde.

Slangen van thermoplastische elastomeren combineren de eigenschappen van robuuste thermoplasten en flexibele elastomeren.(Afbeelding: Reichelt Chemietechnik)
Slangen van thermoplastische elastomeren combineren de eigenschappen van robuuste thermoplasten en flexibele elastomeren.
(Afbeelding: Reichelt Chemietechnik)

Gewoonlijk worden kunststoffen op basis van hun mechanisch-thermische eigenschappen en de onderliggende polymeerstructuur ingedeeld in drie klassen: thermoplasten, elastomeren en duroplasten. Er is echter nog een andere categorie die tussen de twee eerstgenoemde klassen in valt: de thermoplastische elastomeren, kortweg TPE.

Ze vertonen de elastische, rubberachtige eigenschappen van elastomeren, maar kunnen net als thermoplasten na verwarming worden vervormd. De rubberelastische hybride kunststoffen worden onder andere verwerkt tot slangen, kappen en stoppen, halffabricaten en afdichtingen. Maar hoe wordt deze „hybride status“ bereikt en welke gevolgen heeft dat voor hun toepassingsmogelijkheden?

„Hybriden“ van thermoplasten en elastomeren

Thermoplasten zoals de massaproductie-kunststof polypropyleen (PP), polyethyleen (PE) of de hoogwaardige kunststof polytetrafluorethyleen (PTFE) bestaan uitniet-verknoopte polymeerketens, die bij verhitting langs elkaar kunnen glijden. Om deze reden zijn thermoplasten smeltbaar en binnen een bepaald temperatuurbereik omkeerbaar vervormbaar.

De molecuulketens van de elastomeren daarentegen zijn in de knoop geraakt en vormen een grofmazig netwerk. Bij trekbelasting treedt er een uitrekking of ontwarring van de polymeerketens op. Zodra de externe invloed wegvalt, keren de polymeerstrengen weer terug naar de gebruikelijke, kluwenachtige toestand. Elastomeren zoals natuurrubber (NR), siliconenrubber of ethyleen-propyleen-dieenrubber (EPDM) vertonen daarom rubberelastisch gedrag.

De klasse van thermoplastische elastomeren kan eenvoudigweg worden opgevat als een combinatie van deze twee kunststofklassen. Bij kamertemperatuur vertonen ze de fysisch-technische eigenschappen van elastomeren, terwijl ze bij verhoogde temperatuur net als thermoplasten zonder ontbinding week worden en omkeerbaar vervormbaar zijn. Dit proces kan tot het smeltpunt worden voortgezet en vrijwel onbeperkt vaak worden herhaald. Wanneer de TPE's weer afkoelen, behouden ze de vorm die ze in de verzachte of gesmolten toestand hebben aangenomen en keren ze terug naar hun oorspronkelijke elasticiteits- en sterktewaarden.

Samenstelling van thermoplastische elastomeren: een combinatie van tegenpolen

Kenmerkend voor de samenstelling van TPE zijn een „zachte” en een „harde” polymeercomponent. Deze bouwstenen, ook wel sequenties genoemd, kunnen op twee manieren met elkaar worden gecombineerd:

  1. Ten eerste kunnen thermoplasten en elastomeren eenvoudig met elkaar worden gemengd. Zo ontstaan mengsels die ook wel polymeermengsels of elastomeerlegeringen worden genoemd. Afhankelijk van de sequenties en de gekozen mengverhouding kunnen op maat gemaakte materialen met nauwkeurig gedefinieerde eigenschappen worden vervaardigd, die door toevoeging van additieven en vulstoffen verder kunnen worden aangepast.
  2. Anderzijds kunnen verschillende monomeerbouwstenen gezamenlijk worden gepolymeriseerd. In het op deze manier verkregen copolymeer wisselen thermoplastische en elastomere monomeercomponenten elkaar af. Zijn er ten minste twee chemisch verschillende, met elkaar verbonden homopolymeerblokken aanwezig, dan is er sprake van blokcopolymeren. In ent-copolymeren vormt daarentegen één polymeercomponent de hoofdketen, waaraan meerdere zijketens van het andere monomeertype zijn „geënt”.

In beide soorten copolymeren zijn de thermoplastische delen door Van der Waals-bindingen op fysisch-reversibele wijze met elkaar verbonden. Bij verwarming blijven de molecuulketens zelf weliswaar intact, maar de relatief zwakke, niet-covalente wisselwerkingen tussen de ketens worden steeds verder overwonnen en de kunststof wordt zachter.

Vanwege hun goede warmvervormbaarheid kunnen TPE-kunststoffen worden verwerkt via processen zoals extrusie, spuitgieten en blaasvormen, bijvoorbeeld voor de productie van slangen van thermoplastische elastomeren of rubberachtige ronde koorden. Bovendien kunnen deze kunststoffen worden gelast.

Indeling van TPE in verschillende typen

De talrijke combinatiemogelijkheden van monomeren bieden een breed scala aan technisch relevante thermoplastische elastomeren met verschillende chemische samenstellingen en fysische eigenschappen. De sinds 2005 geldende norm DIN EN ISO 18064 voorziet in een uit drie letters bestaande nomenclatuur voor de respectieve polymeertypen. In de praktijk worden TPE’s echter nog steeds vaak aangeduid met de afkorting „TPE“, gevolgd door een hoofdletter die verwijst naar de chemisch-morfologische structuur.

Blokcopolymeren

  • Thermoplastische polyurethaanpolymeren (TPE-U of TPU): Thermoplastische polyurethaanpolymeren zijn klassieke voorbeelden van blokcopolymeren en werden al in de jaren vijftig op de markt gebracht. Ze bestaan uit alifatische of aromatische urethanen, die worden afgewisseld met polyester- of polyetherblokken.
  • Thermoplastische polyamidepolymeren (TPE-A of TPA): In thermoplastische copolyamiden is de harde component – bestaande uit lineaire polyamide-6- of polyamide-12-eenheden – verbonden met blokken van polyesters of polyethers.
  • Thermoplastische styreenpolymeren (TPE-S of TPS): Bij dit type worden styreenmonomeren in blokken gecombineerd met butadieen-, isopreen-, ethyleen-butyleen- of ethyleen-propyleen-eenheden. De meest voorkomende structuur is het lineaire A-B-A-type: styreen-butadieen-styreen (SBS), styreen-isopreen-styreen (SIS), styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) of styreen-ethyleen-propyleen-styreen (SEPS), waarbij de „harde“ styreen-eindblokken zorgen voor de thermoplastische eigenschappen en de respectievelijke „zachte“ middenblokken voor de elastomere eigenschappen. De hardheid van deze styreen-blokpolymeren kan daarbij over een zeer breed bereik worden aangepast.
  • Thermoplastische polyesterpolymeren (TPE-E resp. TPC): Thermoplastische copolyesterelastomeren zijn multiblok-copolymeren. In de polymeerketens wisselen ofwel verschillende polyestereenheden elkaar af, ofwel wisselen polyester- en polyetheereenheden elkaar af.

Polymeermengsels

Polymeermengsels zijn mengsels van kunststoffen en worden ook wel polymeerlegeringen genoemd.

  • Niet-vernette thermoplastische polyolefine-elastomeren (TPE-O of TPO): TPO’s zijn tweecomponentensystemen waarin een elastomeer, zoals EPDM, fijn is gedispergeerd in een polyolefinematrix, bijvoorbeeld van PP. De combinatie van ethyleenvinylacetaat (EVA) en polyvinylideenchloride (PVDC) is een andere belangrijke vertegenwoordiger van dit type.
  • Dynamisch verknoopte thermoplastische polyolefine-mengsels (TPE-V of TPV): De TPV’s, die nauw verwant zijn aan de TPO’s, zijn daarentegen chemisch verknoopte mengsels van polyolefinen, waardoor ze ook wel thermoplastische vulkanisaten worden genoemd. Ook in deze categorie is vooral de combinatie PP/EPDM het vermelden waard.

Voor slangknijppompen of als pompslangen hebben EPDM/PP-slangen zich bewezen als een duurzaam en tevens fysiologisch onschadelijk alternatief voor siliconenslangen en FPM/FKM-slangen. Hierbij moet nog worden vermeld dat ook TPX als technische afkorting in de kunststofsector voorkomt. Dit materiaal behoort echter niet tot de TPE-familie; het gaat hier veeleer om de door Mitsui Chemicals Inc. beschermde merk- en handelsnaam voor poly-4-methylpent-1-een, een naaste verwant van polypropyleen.

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming

Eigenschappen en toepassingsgebieden van TPE

Thermoplastische elastomeren onderscheiden zich door hun grote flexibiliteit en hoge omkeerbare rekbaarheid binnen een breed temperatuurbereik. Door hun hoge sterkte, slagvastheid en kerfslagvastheid zijn ze bovendien vaak robuuster dan zuivere elastomeren of zuivere thermoplasten. Bovendien beschikken ze over een uitstekende slijtvastheid, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor gebruik als halffabricaten, zoals rubberplaten en -matten, en kunststofoppervlakken. Daarnaast worden kunststofprofielen van TPE toegepast als afdichtingen en randbescherming in kunststof behuizingen, in de automobielindustrie, de elektrotechniek, de voedingsmiddelenindustrie en de farmaceutische industrie.

Hun chemische bestendigheid kan heel specifiek worden aangepast door de keuze van de betreffende monomeerbouwstenen. Zo kan de Shore-hardheid worden verlaagd door een hoger elastomeeraandeel, wat resulteert in een zachtere kunststof. Aangezien hiervoor geen weekmakers hoeven te worden gebruikt, zijn TPE's bij uitstek geschikt voor de productie van rubberen slangen. Thermoplastische elastomeren worden dan ook gebruikt als uitgangsmateriaal voor voedselveilige slangen of slangen voor de medische techniek. Voorbeelden hiervan zijn de TPE-S-slangen voor de medische en farmaceutische techniek of de TPE-E-voedings- en farmaceutische slangen van Reichelt Chemietechnik. Deze gespecialiseerde partner voor laboratoriumbenodigdheden, slang- en afdichtingstechniek biedt een breed scala aan hoogwaardige producten op basis van thermoplastische elastomeren.

Ook bij de productie van veel gangbare huishoudelijke en gebruiksartikelen, zoals schoenzolen, soft-touch-handgrepen voor tandenborstels, handgrepen voor gereedschap of kinderspeelgoed, worden thermoplastische elastomeren gebruikt. De meest voorkomende toepassingen liggen echter in de automobielsector; wereldwijd wordt meer dan een derde van de geproduceerde TPE-materialen in de auto-industrie verwerkt. In het interieur zorgen ze bijvoorbeeld als binnenbekleding en als omspuiting van handgrepen en knoppen voor een betere haptiek; voor de buitenkant worden er kabelmantels, afdichtingen, raamkozijnen, balgen en dempers van vervaardigd.