Definition von TPE

Thermoplastische Elastomere (TPE) sind Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur wie Elastomere verhalten, sich jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformen lassen und gleichzeitig wie Thermoplaste verarbeitet werden können.

Dabei ist die Kombination aus elastischer Rückstellkraft und thermoplastischer Verarbeitbarkeit charakteristisch. Nach dem Erstarren behält TPE seine Form. Bei erneuter Erwärmung lässt es sich wieder aufschmelzen und weiterverarbeiten. Damit vereinen thermoplastische Elastomere die Vorteile von Gummi (v. a. Elastizität und Flexibilität) mit denen von Thermoplasten (v. a. Recyclingfähigkeit und einfache Verarbeitung).

Terminologie – Was sind thermoplastische Elastomere?

Unter TPE versteht man eine Materialfamilie und nicht eine einzelne chemische Struktur. Innerhalb dieser Materialfamilie wird entsprechend den chemischen Untergruppen nach dem Hauptrahmenstoff (Styrol, Polyolefin, Polyurethan, Copolyester) unterschieden:

Abbildung 1: TPE Materialfamilie

Historie von TPE

In den 1960er-Jahren suchten amerikanische Kunststoffhersteller nach Materialien, die elastomere Eigenschaften mit der einfachen Verarbeitung von Thermoplasten kombinieren. Die ersten kommerziell entwickelten und vertriebenen TPE-Typen wurden vor allem in der Verpackungs-, Schuh- und Haushaltsindustrie eingesetzt.

In den 1980er- und 1990er-Jahren wurden TPE-O-, TPE-V- sowie TPE-U-/TPE-A-Systeme systematisch entwickelt, sodass TPE und seine Varianten heute in vielen Branchen wie der Automobil-, Elektronik-, Medizintechnik- und Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

Chemische Zusammensetzung von TPE

Thermoplastische Elastomere bestehen aus einer Kombination thermoplastischer und elastomerer Komponenten. Diese liegen entweder als Blockcopolymere oder als Blendsysteme vor. Dabei sorgen die thermoplastischen Bausteine für die Verarbeitbarkeit, während die elastomeren Bausteine dem Material eine gummiähnliche Elastizität verleihen.

Diese Strukturen führen zu einer physikalischen, nicht-kovalenten Vernetzung, die bei Erwärmung temporär aufgelöst und beim Abkühlen wiederhergestellt wird. (Anschauliches Beispiel: Spaghetti in einem Nudelsieb – nach dem Erkalten kleben die Spaghetti aneinander und bilden ein Knäuel, das sich beim erneuten Erwärmen wieder löst. Die Spaghetti können sich dann wieder relativ zueinander bewegen und neu ausrichten.)

Industriell sind TPE-S auf Styrol-Blockcopolymer-Basis am wichtigsten. Hierunter fallen Materialien wie Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS), Styrol/Butadien-Styrol (SBS), Styrol-Ethylen/Propylen-Styrol (SEPS), Styrol-Isopren-Styrol (SIS). Diese Materialien bestehen aus harten Styrolblöcken und weichen elastomeren Segmenten, was dem entsprechenden TPE Material den designten Mix aus Festigkeit und Flexibilität verleiht.

Unterschiedliche Morphologie von TPE

Die Morphologie von TPE und Polymerblends wird wesentlich durch die Art der Phasenseparation sowie durch den unterschiedlichen Aufbau der harten und weichen Segmente geprägt. Dabei können sich die Segmente in drei typischen Strukturprinzipien anordnen: Polymerblends, Blockcopolymere mit kristallinen Hartsegmenten und Blockcopolymere mit amorphen Hartsegmenten. Diese unterschiedlichen Morphologien sind entscheidend für Eigenschaften wie Rückstellfähigkeit, thermische Beständigkeit etc. der Materialien.

Abbildung 2: TPE-Morphologien als eigene Darstellung in Anlehnung an Kaiser, W.: „Kunststoffchemie für Ingenieure“, 2021

In Polymerblends liegen die einzelnen Polymersegmente als getrennte Phasen vor. Dabei entsteht eine phasenseparierte Morphologie, in der die Polymerkomponenten nicht vollständig miteinander mischbar sind. Es bilden sich daher inhomogene Phasen mit getrennten Domänen, ähnlich wie bei Öl und Wasser. Solche Systeme werden häufig in TPE-O und TPE-V eingesetzt, bei denen die elastomeren Eigenschaften aus der Kombination unterschiedlicher Polymerphasen resultieren.

Demgegenüber zeigen Blockcopolymere mit kristallinen Hartsegmenten eine deutlich stärkere Kopplung der einzelnen Mikrostrukturen. Die harten Segmente lagern sich zu kristallinen Bereichen mit hoher Ordnung zusammen, die als physikalische Vernetzungsstellen wirken. Diese Kristallite geben dem Material Stabilität, während die weichen Segmente dazwischen für Elastizität und Verformbarkeit sorgen.

Bei Blockcopolymeren mit amorphen Hartsegmenten entstehen dagegen keine Kristallite, sondern glasartige harte Domänen. Diese wirken ebenfalls als Vernetzungspunkte, jedoch ohne die hohe Ordnung der kristallinen Bereiche. Dadurch ist die Morphologie meist feiner und stärker von Wechselwirkungen zwischen den Blocksegmenten geprägt. Solche Systeme sind TPE-S-typisch und kombinieren eine flexible Matrix mit dispergierten amorphen Hartdomänen, wodurch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Elastizität und Festigkeit entsteht.

Eigenschaften von TPE

Die Eigenschaften von TPE lassen sich in chemische, mechanische und physikalische Eigenschaften unterteilen. Weiterhin sind einige TPE-Formulierungen für spezielle Anwendungen geeignet, die besonderen Trinkwasser-, medizintechnischen und brandschutztechnischen Normen entsprechen.

Chemische Eigenschaften von TPE

TPE weist typischerweise eine gute Beständigkeit gegenüber vielen Medien sowie gegenüber Witterung und UV-Strahlung auf, insbesondere wenn es durch geeignete Stabilisatoren stabilisiert ist. Unstabilisierte TPE-S sind jedoch anfällig für UV-Strahlung und oxidativen Stress; TPE-O- und TPE-V-Typen sind oft deutlich wasserbeständiger als andere TPE-Systeme.

Viele TPE-Varianten sind frei von Weichmachern und können für lebensmitteltaugliche oder elektrische Anwendungen eingesetzt werden. Gegenüber Öl und Fett bleiben TPE-Systeme meist hinter klassischen Elastomeren wie NBR oder FKM zurück. TPE-U-Formulierungen weisen jedoch in diesem Bereich eine gute Öl- und Fettbeständigkeit auf.

Mechanische Eigenschaften von TPE

Mechanisch bietet TPE eine hohe Flexibilität, gute Dehnung und meist eine ausreichende Reiß- und Zugfestigkeit, wobei die Leistungsfähigkeit und spezifischen Kennwerte stark von der jeweiligen chemischen Basis des Werkstoffs abhängen. TPE-S und TPE-O zeigen gute elastische Eigenschaften bei moderater Belastung, wohingegen TPE-U eine deutlich höhere Abrasions- und Verschleißfestigkeit aufweist. TPE-Werkstoffe sind im Allgemeinen in einem weiten Härtebereich von 20–90 Shore A (häufig etwa TPE 80 Shore A) erhältlich.

Im Vergleich zu klassisch vernetztem Gummi zeigen TPE insbesondere bei höheren Temperaturen und unter Langzeitbeanspruchung eine stärkere Spannungsrelaxation und eine höhere Druckverformung. Dies macht TPE in erster Linie zu einem Werkstoff für Bauteile mit begrenzter Dauer- oder Wechselbelastung.

Physikalische Eigenschaften von TPE

TPE sind physikalisch durch ihre thermoplastische Natur gekennzeichnet: Bei erhöhten Temperaturen schmelzen sie. Dadurch lassen sie sich gut verarbeiten und können nach dem Erstarren erneut aufgeschmolzen und beispielsweise recycelt werden. Die Dichte liegt meist im Bereich klassischer Kunststoffe (ca. 0,9–1,2 g/cm³), wobei TPE-U-Typen tendenziell etwas dichter sind als TPE-S- oder TPE-O-Systeme.

TPE-Varianten zeigen – insbesondere beim Einsatz von UV- und Oxidationsstabilisatoren – gute elektrische Isolationseigenschaften sowie eine gute Witterungsbeständigkeit. Im Vergleich zu klassischem Silikon sind TPE-Typen meist weniger temperaturbeständig, dafür jedoch deutlich kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten.

Zertifizierungen von TPE

Zertifizierungen, beispielsweise für den Trinkwasserkontakt, die Biokompatibilität oder den Brandschutz, müssen stets anhand des konkret eingesetzten Materials bewertet werden. Die Grundchemie des TPE-Materials erlaubt jedoch häufig Rückschlüsse auf typische Einsatzfelder und damit auch auf übliche Zertifizierungen.

TPE-A sind Copolyamide und TPE-C sind Copolyester, die typischerweise nicht direkt den gängigen Normen für den medizinischen Einsatz, den Trinkwasserkontakt oder den erhöhten Brandschutz entsprechen. Bestimmte Materialien dieser Klassen sind jedoch für medizinische Anwendungen geeignet, sofern für das jeweilige Material entsprechende Normen wie ISO 10993 oder andere medizintechnische Qualitätsstandards eingehalten werden. Darüber hinaus können diese Materialien nach entsprechender Prüfung auch für den Trinkwasserkontakt oder den Brandschutz qualifiziert sein, sofern dies im Datenblatt des Materials angegeben ist.

TPE-S sind Styrol-Blockcopolymere, TPE-O Polyolefin-Elastomere, TPE-U Urethan-Elastomere und TPE-V vulkanisierte Olefin-Elastomere, die jeweils typische Einsatzgebiete besitzen. Insbesondere bei TPE-S und TPE-U ist eine große Bandbreite an Produktvarianten verfügbar, darunter auch Typen mit medizinischen und flammhemmenden Eigenschaften. Diese Materialien werden daher häufig für Kabelummantelungen mit Brandschutzanforderungen sowie für medizinische Anwendungen und Anwendungen mit Trinkwasserkontakt eingesetzt. TPE-O- und TPE-V-Materialien sind ebenfalls häufig in Trinkwasseranwendungen und technischen Dichtungen anzutreffen; viele konkrete Werkstoffe dieser Klassen sind entsprechend zertifiziert.

Verarbeitung von TPE

Die Herstellung thermoplastischer Elastomere erfordert keine Vernetzungsstufe wie bei der Vulkanisation. Dadurch lassen sich in der Produktion kürzere Taktzeiten erreichen und die Nachbearbeitung ist geringer. Zudem ist das Recycling des Werkstoffs aufgrund seiner Aufschmelzbarkeit deutlich einfacher als bei herkömmlichen Elastomeren.

Technisch werden TPE hauptsächlich im Spritzguss- und im Extrusionsverfahren verarbeitet. Dabei werden TPE-Granulate in der Schnecke aufgeschmolzen (typischerweise bei 180–220 °C) und unter Druck in Formen oder Profile eingebracht. Die Werkzeugtemperaturen liegen dabei meist zwischen 25 und 60 °C, abhängig von der Wandstärke und der gewünschten Oberflächenqualität.

Abbildung 3: TPE Granulat

Aufgrund ihrer thermoplastischen Basis eignen sich TPE sehr gut für Mehrkomponenten-Spritzguss, Overmoulding und Coextrusion, ohne dass zusätzliche Vernetzungs- oder Haftungsmittel erforderlich sind. Allerdings müssen aufgrund der geringen Temperaturbeständigkeit Verarbeitungs- und Lagerbedingungen genau kontrolliert werden, um Verkleben oder thermische Degradation zu vermeiden.

Verschiedene TPE-Varianten im Vergleich zu herkömmlichen Elastomeren

TPE vs. klassischer Gummi

TPE-Materialien und klassisches Gummi (z. B. EPDM, NBR, SBR, Silikon-VMQ) erfüllen in vielen Bereichen ähnliche Funktionen, unterscheiden sich jedoch grundlegend in Struktur, Verarbeitung und Langzeitverhalten.

Strukturell ist herkömmlicher Gummi durch Vulkanisation chemisch vernetzt, wohingegen TPEs physikalisch und thermoreversibel vernetzt sind. Aufgrund ihrer thermoplastisch-elastomeren Struktur sind TPE-Materialien recycelbar, während Gummi nur begrenzt wiederverwertet werden kann. Die Verarbeitung von TPE erfolgt hauptsächlich durch Spritzgießen oder Extrusion. Zwar werden sowohl Gummi als auch Kautschuk gecompounded, jedoch erfordert die Gummiherstellung eine Vulkanisation, was zu längeren Zykluszeiten führt.

Herkömmlicher Gummi bietet in der Regel eine höhere Temperatur- und Medienbeständigkeit sowie eine bessere Langzeitelastizität als thermoplastische Elastomere. TPEs lassen sich hingegen einfacher verarbeiten, erfordern weniger Nachbearbeitung und sind besser recycelbar.

Im technischen Einsatz sind TPE-Bauteile ideal für Anwendungen mit moderater Temperatur- und Medienbelastung, bei denen flexible, schnell verarbeitbare und recycelbare Lösungen gefragt sind (z. B. Griffe, Dichtungen). Gummi bleibt hingegen bei Hochlast-, Hochtemperatur- und Langzeitdichtungsanwendungen (z. B. Motorendichtungen, Hochdruck-O-Ringe, Silikondichtungen) die bevorzugte Wahl.

TPE und deren Untervarianten

TPE bilden eine umfangreiche Werkstofffamilie, wobei sich die einzelnen Unterformen TPE‑A, TPE‑C, TPE‑U (TPU), TPE‑O, TPE‑V und TPE‑S deutlich in ihren Eigenschaften und Kostenprofilen voneinander unterscheiden. Im Folgenden werden die verschiedenen TPE-Unterformen in ihren Eigenschaften und typischen Anwendungen verglichen.

TPE-Typ	Materialbasis	Typische Eigenschaften	Typical applications
TPE-A	Polyether-Block-Amide (PEBA)	Hohe mechanische Festigkeit; sehr gute Abriebsfestigkeit; gute Kälteflexibilität; gute Rückstellfähigkeit; relativ hohe Chemikalien- und Fettbeständigkeit; verglichen zu anderen TPE häufig höher belastbar.	Hochbelastete technische Schläuche; Druckluft- und Kraftstoffleitungen; Kabelummantelungen; Zahnräder und gleitbeanspruchte Funktionsteile; Sport- und Medizintechnik, wenn Flexibilität und Festigkeit kombiniert werden müssen.
TPE-C	Copolyester-Elastomere	Hohe Wärmeformbeständigkeit; gute Ermüdungs- und Rückstelleigenschaften; gute Beständigkeit gegen Öle, Fette und viele Lösungsmittel; gute Dynamikfestigkeit; oft steifer und temperaturstabiler als TPE-S.	Technische Profile; Faltenbälge; Schutzkappen; Schläuche; Fahrzeug- und Maschinenbau; dynamisch belastete Formteile; Anwendungen mit hoher Temperatur- und Medienbelastung.
TPE-U	Thermoplastisches Polyurethan	Sehr hohe Abrieb-, Schnitt- und Weiterreißfestigkeit; hohe Zugfestigkeit; gute Dämpfung; sehr gute Öl- und Kraftstoffbeständigkeit, je nach Typ; große Härtespanne von weich bis hart.	Automobil-Innen- und Außenanwendungen; Dichtlippen; Abdeckungen; einfache Profile; Gehäuseelemente; Konsumgüter; Bauteile mit Fokus auf Kosten, Gewicht und Verarbeitbarkeit.
TPE-V	Dynamisch vulkanisierte, vernetzte PP/EPDM-Compounds	Gummielastisch mit teilvernetzter Elastomerphase; sehr gute Dauerelastizität; gute Druckverformungsrest-Eigenschaften; gute Wärme- und Medienbeständigkeit; bessere Elastizitätsstabilität als viele TPE-O.	Automobildichtungen; Fenster- und Türdichtprofile; Schlauchsysteme; Dichtungsmatten; technische Dichtelemente; Anwendungen mit langfristiger Kompression und Temperaturwechseln.
TPE-S	Styrol-Blockcopolymere	Weich; griffig; sehr gute Verarbeitbarkeit; niedrige Dichte; gute Optik und Haptik; gute Kälteflexibilität; begrenzte Beständigkeit gegen Öle, Fette und Kohlenwasserstoffe, je nach Typ.	Soft-Touch-Oberflächen; Griffe; Handwerkzeuge; Dichtungen für weniger aggressive Medien; Konsumgüter; Kabelummantelungen; medizinische und hygienische Anwendungen; Verpackungen und einfache Formteile.

Tabelle 1: Materialvergleich der unterschiedlichen TPE-Varianten

TPE-A, TPE-C und TPE-U sind meist dann interessant, wenn höhere mechanische oder thermische Anforderungen vorliegen. TPE-O und TPE-S werden dann gewählt, wenn Kosten, Verarbeitbarkeit und eine gute alltagstaugliche Elastizität wichtiger sind als maximale Leistungsfähigkeit. TPE-V liegt oft zwischen elastomerähnlichem Verhalten und guter Temperaturstabilität und wird deshalb insbesondere in Dichtungsanwendungen eingesetzt.

Kostenvergleich von TPE-Systemen im Vergleich zu anderen Elastomeren

Die Wirtschaftlichkeit von TPE zeigt sich besonders im Vergleich zu klassischen Elastomeren und Hochleistungskautschuken. TPE bzw. TPE‑U (TPU) positioniert sich preislich im unteren Mittelfeld und ist damit deutlich kosteneffizienter als spezialisierte Hochleistungsvarianten wie HNBR oder FKM. Besonders bei Anwendungen, bei denen moderate thermische und chemische Beständigkeit ausreicht, werden TPE‑Materialien (Kostenfaktor ca. x1,3) speziellen Hochleistungselastomeren wie FKM (Kostenfaktor ca. x3,7) oder FVMQ (Kostenfaktor ca. x3,6) vorgezogen.

Innerhalb der TPE‑Familie bieten TPE‑S und TPE‑O den kostengünstigsten Einstieg. Aufgrund ihrer einfachen Zusammensetzung und der exzellenten Verarbeitbarkeit eignen sich diese TPE‑Materialien für unkritische Konsumgüter oder einfache Strukturbauteile. Im mittleren Preissegment finden sich TPE‑V und TPE‑C, die insbesondere eine verbesserte Witterungs‑ und Temperaturbeständigkeit aufweisen und daher häufig als TPE‑Dichtungen oder ähnliche Komponenten in der Automotive‑Branche eingesetzt werden. Am oberen Ende des TPE‑Spektrums stehen TPE‑U und TPE‑A, deren höhere Preise vor allem durch anspruchsvolle chemische Basisstrukturen und hohe chemische Beständigkeit gerechtfertigt werden. TPE‑U und TPE‑A sind die technische Wahl, wenn hohe Verschleißfestigkeit und chemische Robustheit gefordert sind, liegen dabei aber preislich kostengünstigeren Kautschukvarianten näher.