Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste: Eigenschaften, Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Kunststoffgruppen

Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere bilden die drei Werkstoffgruppen der Polymere. Sie lassen sich anhand ihres Verhaltens beim Erwärmen und ihres Rückstellvermögens nach einer Verformung unterscheiden. Thermoplaste können wiederholt aufgeschmolzen werden, zeigen jedoch nach einer Belastung keine vollständige elastische Rückstellung. Duroplaste sind weder schmelzbar noch ausgeprägt rückstellfähig. Elastomere lassen sich ebenfalls nicht aufschmelzen, nehmen nach einer Verformung jedoch nahezu vollständig ihre ursprüngliche Geometrie wieder an.

Die unterschiedlichen Eigenschaften entstehen durch verschiedene Vernetzungsgrade der Polymerketten und unterschiedliche Glasübergangstemperaturen. Thermoplaste bestehen überwiegend aus unvernetzten oder nur schwach miteinander verbundenen Molekülketten, die bei ausreichender Wärmezufuhr gegeneinander beweglich werden. Duroplaste hingegen bestehen aus einem engmaschigen dreidimensionalen Netzwerk. Bei Elastomeren ist dieses Netzwerk deutlich weitmaschiger, sodass große reversible Verformungen möglich sind, ohne dass die Ketten dauerhaft gegeneinander verschoben werden.

Für die Materialvorauswahl lässt sich vereinfachend festhalten: Duroplaste eignen sich für steife und dauerhaft formstabile Bauteile, Thermoplaste für vielseitige Struktur- und Formteile, während Elastomere vor allem zum Dichten, zum Dämpfen und zum Ausgleich von Maß- und Bewegungstoleranzen eingesetzt werden.

1. Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste: Der molekulare Aufbau bestimmt die Eigenschaften

Polymere sind Makromoleküle, die sich aus vielen tausend bis mehreren hunderttausend Wiederholungseinheiten zusammensetzen. Im unbelasteten Zustand liegen die langen Molekülketten nicht gestreckt vor, sondern bilden räumlich ungeordnete Knäuel. Sowohl die mittlere Kettenlänge als auch die Verteilung der Kettenlängen beeinflussen die Werkstoffeigenschaften.

Der Zusammenhalt zwischen den Polymerketten kann auf physikalischen oder chemischen Bindungsmechanismen beruhen. Zu den physikalischen Wechselwirkungen zählen van-der-Waals-Kräfte, Dipolwechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen. Hinzu kommen mechanische Verschleifungen, die entstehen, wenn sich lange Polymerketten gegenseitig durchdringen und ineinander verhaken. Diese physikalischen Bindungen sind recht schwach und temperaturabhängig. Mit zunehmender Erwärmung nimmt die Bewegungsenergie der Kettensegmente zu und die zwischenmolekularen Kräfte ab, sodass sich die Polymerketten gegeneinander verschieben. Der Werkstoff erweicht und geht bei ausreichender Temperatur in einen fließfähigen Zustand über.

Der chemische Zusammenhalt entsteht dagegen durch kovalente Querverbindungen zwischen benachbarten Polymerketten. Die Energie dieser chemischen Bindungen liegt etwa eine Größenordnung über derjenigen der physikalischen Wechselwirkungen. Durch Wärmezufuhr lassen sich solche Vernetzungspunkte daher nicht aufheben, ohne zugleich die Molekülstruktur zu zerstören. Chemisch vernetzte Polymere schmelzen daher nicht, sondern zersetzen sich bei ausreichend hoher Temperatur.

Als quantitatives Maß für diese Stabilität dient die Vernetzungsdichte, also die Anzahl der Netzknoten pro bestimmtem Werkstoffvolumen. Für die anschauliche Beschreibung eignet sich die sogenannte Netzbogenlänge. Sie bezeichnet den frei beweglichen Abschnitt einer Polymerkette zwischen zwei benachbarten Vernetzungspunkten. Je kürzer diese Kettenabschnitte sind, desto engmaschiger ist das molekulare Netzwerk und desto stärker wird die Beweglichkeit der Ketten eingeschränkt. Bei Duroplasten liegen die Vernetzungspunkte in sehr kurzen Abständen vor. Das engmaschige Netzwerk schränkt die Beweglichkeit der Kettensegmente stark ein und führt zu einem harten, steifen und häufig spröden Werkstoffverhalten. Elastomere besitzen dagegen ein weitmaschiges Netzwerk aus langen, beweglichen Kettenabschnitten. Diese Segmente können sich unter Belastung entfalten und stark strecken, während die Vernetzungspunkte eine dauerhafte Verschiebung der Ketten verhindern. Thermoplaste weisen hingegen keine dauerhaften chemischen Vernetzungspunkte auf. Ihr Zusammenhalt beruht auf physikalischen Wechselwirkungen und mechanischen Verschlaufungen der Polymerketten. Bei ausreichender Erwärmung werden die Ketten beweglich und können aneinander vorbeigleiten, sodass der Werkstoff erweicht und schließlich schmilzt. Die Unterschiede zwischen einem schmelzbaren Thermoplastbauteil, einem spröden Formteil aus Phenolharz und einem hochdehnbaren O-Ring lassen sich damit unmittelbar auf die jeweilige molekulare Struktur zurückführen.

Thermoplast

unvernetzt

Elastomer

weitmaschig vernetzt

Duroplast

engmaschig vernetzt

• kovalenter Vernetzungspunkt
• Polymerkette

Abb. 1: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere basieren auf langen Polymerketten. Anzahl und Abstand der kovalenten Vernetzungspunkte bestimmen maßgeblich ihr Werkstoffverhalten.

Neben der Vernetzungsdichte werden Polymere durch die Glasübergangstemperatur (Tg), die Temperatur, über der die Beweglichkeit der Kettensegmente deutlich zunimmt, charakterisiert.

Unterhalb der Glasübergangstemperatur sind die molekularen Bewegungen weitgehend eingefroren. Das Polymer befindet sich im Glaszustand und verhält sich hart, steif und häufig spröde. Oberhalb von (Tg) können einzelne Kettenabschnitte rotieren und ihre räumliche Lage verändern. Der Werkstoff wird dadurch zäher oder zeigt, sofern eine geeignete Vernetzungsstruktur vorhanden ist, ein gummielastisches Verhalten.

Von der Glasübergangstemperatur (Tg) zu unterscheiden ist die Schmelztemperatur (Tm). Sie tritt nur bei teilkristallinen Polymeren auf und beschreibt den Zerfall der geordneten kristallinen Bereiche. Rein amorphe Polymere haben keinen eindeutig definierten Schmelzpunkt. Sie erweichen stattdessen innerhalb eines mehr oder weniger breiten Temperaturbereichs.

Erst das Zusammenspiel von Vernetzungsdichte und Glasübergangstemperatur ergibt die Zuordnung zu den verschiedenen Polymerklassen. Thermoplaste sind chemisch unvernetzt. Ob sie sich bei einer bestimmten Einsatztemperatur hart, spröde, zäh oder flexibel verhalten, hängt von der Lage ihrer Glasübergangstemperatur ab.

Duroplaste besitzen ein engmaschig vernetztes Molekülnetzwerk und werden meist deutlich unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur eingesetzt. Elastomere sind dagegen weitmaschig vernetzt und weisen eine Glasübergangstemperatur auf, die unterhalb der vorgesehenen Einsatztemperatur liegt. Beide Voraussetzungen müssen gleichzeitig erfüllt sein. Ein weitmaschig vernetztes Polymer, das unterhalb seiner Glasübergangstemperatur eingesetzt wird, verhält sich nicht gummielastisch, sondern wie ein spröder Hartwerkstoff.

Vernetzungsdichte

Zustand im Betrieb

keine chemische Vernetzung

chemisch vernetzt

oberhalb der Glasübergangs­temperatur Ketten beweglich

unvernetztoberhalb T_g

Teilkristalline Thermoplaste

viskos bis zähflüssig, fließt unter Last, ur- und umformbar

vernetztoberhalb T_g

Elastomere

gummielastisch: große, vollständig reversible Verformung

unterhalb der Glasübergangs­temperatur Ketten eingefroren

unvernetztunterhalb T_g

Amorphe Thermoplaste

amorph und glasig, steif und kerbempfindlich

vernetztunterhalb T_g

Duroplaste

hart, spröd, formstabil bis zur Zersetzungstemperatur

Nur die Kombination beider Parameter definiert die Klasse: Ein weitmaschig vernetztes Polymer unterhalb seiner Glasübergangstemperatur ist kein Elastomer, sondern ein sprödes Hartmaterial.

Abb. 2: Die Polymerklasse ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Vernetzungsdichte und Glasübergangstemperatur.

Auf äußere Kräfte und Verformungen reagieren Polymere über 2 unterschiedliche Mechanismen. Bei Metallen, Duroplasten und Thermoplasten unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur werden durch äußere Belastung Bindungsabstände und Valenzwinkel nur geringfügig verändert. Da chemische Bindungen solchen Veränderungen einen hohen Widerstand entgegensetzen, besitzen energieelastische Werkstoffe ein hohes Elastizitätsmodul und der mögliche Verformungsweg bleibt begrenzt. Werden die Bindungen beziehungsweise die Molekülstruktur übermäßig beansprucht, kommt es nicht mehr zu einer weiteren reversiblen Dehnung, sondern zu einer bleibenden Verformung, zur Bildung von Rissen oder zum Bruch des Bauteils.

Elastomere reagieren dagegen überwiegend entropieelastisch. Bei einer Zugbelastung entfalten sich die ursprünglich geknüllten Kettenabschnitte zwischen den Vernetzungspunkten und orientieren sich zunehmend in Belastungsrichtung. Dieser ausgerichtete Zustand weist eine höhere molekulare Ordnung auf als die ungeordnete Knäuelstruktur. Dadurch sinkt die Entropie des Systems. Nach dem Entfernen der äußeren Belastung strebt das Polymer wieder einen Zustand größerer Unordnung an. Die Kettensegmente nehmen erneut ihre geknüllte Ausgangsform ein, und das Bauteil stellt sich zurück. Elastomere haben deshalb ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und ermöglichen außergewöhnlich hohe reversible Dehnungen.

• nicht chemisch vernetzt
• chemisch vernetzt

Elastomere1–10 MPa

TPE5–500 MPa

Thermoplaste1.000–4.000 MPa

Duroplaste3.000–20.000 MPa

1 10 100 1.000 10.000 100.000

Elastizitätsmodul in MPa

Abb. 3: Bei energieelastischen Werkstoffen entsteht die Rückstellkraft durch die Verformung von Bindungsabständen und -winkeln. Bei Elastomeren werden dagegen vor allem die geknäuelten Kettensegmente zwischen den Vernetzungspunkten entfaltet.

1.1 Thermoplaste

Thermoplaste verfügen über keine dauerhaften kovalenten Querverbindungen zwischen ihren Molekülketten, sondern werden durch zwischenmolekulare Kräfte und Verschlaufungen der Polymerketten verbunden. Je nach Anordnung dieser Ketten wird zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten unterschieden.

Bei amorphen Thermoplasten wie Polystyrol (PS), Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) sind die Polymerketten weitgehend ungeordnet. Diese Werkstoffe sind häufig transparent und zeigen ein vergleichsweise gleichmäßiges Schwindungsverhalten in unterschiedlichen Raumrichtungen. Teilkristalline Thermoplaste wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) oder Polyetheretherketon (PEEK) enthalten dagegen zusätzlich geordnete kristalline Bereiche. Dadurch sind sie meist opak und weisen häufig eine höhere Beständigkeit gegenüber Chemikalien auf. Gleichzeitig fällt die Schwindung stärker aus, wodurch das Risiko eines Verzugs im Formteil steigt.

Durch Erwärmung nimmt die Beweglichkeit der Polymerketten zu, sodass das Material zunächst weich wird und schließlich in einen schmelzflüssigen, verarbeitbaren Zustand übergeht. Beim Abkühlen erstarren Thermoplaste erneut, ohne dass eine Vernetzungsreaktion erforderlich ist. Dieser Vorgang ist grundsätzlich reversibel und kann mehrfach wiederholt werden. In der Praxis wird die Wiederverarbeitung jedoch durch thermische und oxidative Schädigungsmechanismen begrenzt. Hohe Temperaturen und wiederholte Verarbeitungszyklen können die Molekülketten abbauen und dadurch insbesondere Festigkeit, Zähigkeit und Langzeitbeständigkeit verringern.

Das breite Werkstoffspektrum der Thermoplaste lässt sich in drei Leistungskategorien gliedern. Zu den Standardthermoplasten zählen beispielsweise PE, PP und PS. Technische Thermoplaste umfassen unter anderem PA6, PA66, POM, PBT, PC und ABS. Für besonders hohe thermische oder mechanische Anforderungen stehen Hochleistungsthermoplaste wie PPS, PEI und PEEK zur Verfügung.

Hochtemperatur-Kunststoffe

bis 300 °C

• PI
• PAI
• PSU, PES
• PPSU, PEI

• PVDF
• PPS, LCP
• PEK, PEEK
• PEKEKK, PFA
• PTFE, ETFE, PCTFE

Konstruktions-Kunststoffe

bis 150 °C

• PC
• PA 6-3-T

• PA 46, PET, PBT
• PA 66, PA 6
• PA 11, PA 12
• POM, PMP

Standard-Kunststoffe

bis 100 °C

• PS, ABS, SAN
• PMMA, PPE mod

• PE
• PP

Preis und Leistung

amorph teilkristallin

Abb. 4: Pyramiden-Ansicht und Einordnung der unterschiedlichen Kunststoffe

Die Verarbeitung erfolgt überwiegend durch Spritzgießen, Extrusion, Blasformen oder Thermoformen. Da während der Formgebung keine chemische Reaktion ablaufen muss, wird die Zykluszeit durch das Aufschmelzen, die Formfüllung und die Abkühlung bestimmt. Thermoplaste ermöglichen daher in der Regel kürzere Fertigungszyklen als Duroplaste und Elastomere. Angüsse und Produktionsausschuss können bei geeigneter Materialtrennung erneut aufbereitet und dem Prozess zurückgeführt werden. Zudem können Thermoplaste geschweißt und als Halbzeuge spanend bearbeitet werden. Je nach eingesetztem Thermoplast werden Eigenschaften erreicht, die von weichem, flexiblem Polyethylen bis hin zu hochtemperaturbeständigen PEEK-Compounds reichen.

Eine wesentliche konstruktive Einschränkung ist das Kriechverhalten. Da keine chemischen Vernetzungspunkte zwischen den Polymeren vorhanden sind, können sich die Polymerketten unter dauerhaft wirkender Spannung langsam gegeneinander verschieben. Die daraus entstehende zeitabhängige Verformung kann dazu führen, dass Schraubverbindungen ihre Vorspannkraft verlieren, Schnapphaken nachgeben oder Bauteile über sehr lange Zeit ihre ursprüngliche Geometrie verändern. Mit zunehmender Temperatur und mechanischer Spannung wird dieser Effekt verstärkt.

Bei Standard- und vielen technischen Thermoplasten begrenzt außerdem die niedrige Dauergebrauchstemperatur den Einsatz. Sie liegt bei PP und POM typischerweise bei etwa 100 °C und bei PA66 zwischen 100 und 120 °C. Polyamid nimmt zudem Feuchtigkeit aus seiner Umgebung auf. Dies beeinflusst sowohl die Abmessungen als auch die Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit.

1.2 Duroplaste

Duroplaste bestehen aus einem engmaschigen dreidimensionalen Netzwerk mit einer hohen Dichte kovalenter Querverbindungen. Die frei beweglichen Kettenabschnitte zwischen den Netzknoten sind entsprechend kurz. Da Duroplaste üblicherweise deutlich unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur eingesetzt werden, befinden sie sich während des Betriebs im harten und steifen Glaszustand.

Für die Verarbeitung wird eine reaktionsfähige Formmasse in ein beheiztes Werkzeug eingebracht. Dort erhält sie nicht nur ihre endgültige Geometrie, sondern wird zugleich irreversibel zu einem festen Werkstoff vernetzt. Formgebung und Werkstoffbildung finden somit im selben Prozessschritt statt. Darin liegt ein grundlegender Unterschied zum Thermoplast, bei dem ein bereits vollständig polymerisierter Werkstoff lediglich aufgeschmolzen und umgeformt wird.

Nach dem Aushärten lässt sich ein Duroplast nicht erneut in seinen Ausgangszustand überführen. Das fertige Bauteil besitzt keinen Schmelzpunkt und erweicht bei steigender Temperatur nicht zu einer verarbeitbaren Schmelze. Wird seine thermische Belastungsgrenze überschritten, beginnt das Polymernetzwerk stattdessen, sich chemisch zu zersetzen.

Phenolharze (PF) werden unter anderem für Kommutatoren, Schaltergehäuse sowie als Bindemittel in Bremsbelägen eingesetzt. Epoxidharze (EP) dienen bspw. als elektrische Vergussmassen, als Matrixwerkstoffe für Faserverbundbauteile und als Basismaterial für Leiterplatten. Ungesättigte Polyesterharze (UP) werden insbesondere für SMC- und BMC-Formmassen verwendet, aus denen unter anderem Scheinwerferreflektoren und technische Gehäuse entstehen. Melaminharze (MF) finden sich in Schichtstoffen sowie in Bauteilen für Elektroinstallationen.

Zu den typischen Verarbeitungsverfahren gehören Heißpressen, Spritzpressen und das Duroplast-Spritzgießen. Bei faserverstärkten Werkstoffen kommen außerdem Harzinjektionsverfahren und Prepreg-Technologien zum Einsatz. In der industriellen Praxis werden Duroplaste überwiegend als gefüllte oder verstärkte Formmassen verarbeitet. Die zugesetzten Glasfasern, mineralischen Füllstoffe oder Holzmehl beeinflussen die Steifigkeit, Festigkeit, Schwindung, Wärmeausdehnung und das Verarbeitungsverhalten und ermöglichen die individuelle Anpassung an die Einsatzumgebung. Werkstoffkennwerte sind deshalb immer dem konkreten Compound zuzuordnen und können nicht ohne Weiteres auf das ungefüllte Basisharz übertragen werden.

Zu den wesentlichen Vorteilen von Duroplasten zählen ihre hohe Steifigkeit und ihre geringe Kriechneigung. Unter einer dauerhaft wirkenden Last bleiben sie weitgehend formstabil, auch wenn sich Thermoplaste in derselben Umgebung mit der Zeit verformen würden. Phenolharz-Formmassen können je nach Zusammensetzung dauerhaft bei etwa 150 bis 180 °C eingesetzt werden. Spezielle Epoxidharzsysteme ermöglichen noch höhere Anwendungstemperaturen. Duroplaste bieten darüber hinaus häufig eine gute elektrische Isolationswirkung und ein schlechtes Brandverhalten. Ihre geringe Wärmeausdehnung ermöglicht eine hohe Maßhaltigkeit über einen größeren Temperaturbereich, was sie besonders für elektrische, thermisch belastete und dimensionskritische Anwendungen interessant macht.

Der hohen Steifigkeit steht jedoch eine geringe Verformungsfähigkeit entgegen. Typische Bruchdehnungen liegen unter fünf Prozent, weshalb viele Duroplaste spröde und empfindlich gegenüber Kerben oder Spannungsspitzen reagieren. Elastisch auslenkbare Konstruktionselemente wie Schnapphaken sind daher kaum realisierbar. Stattdessen benötigen duroplastgerechte Bauteile ausreichend große Radien, gleichmäßige Wanddicken und möglichst spannungsarme Übergänge.

Da der ausgehärtete Werkstoff nicht aufgeschmolzen werden kann, ist Schweißen nicht möglich. Ein klassisches Recycling durch erneutes Aufschmelzen ist daher ebenfalls ausgeschlossen. Ausgehärtete Duroplastbauteile können jedoch zerkleinert und in begrenztem Umfang als Füllstoff verwendet werden.  Verbindungen werden üblicherweise durch Kleben oder durch mechanische Fügeverfahren hergestellt. Die notwendige Vernetzungsreaktion verlängert zudem die Zykluszeit im Vergleich zur Verarbeitung von Thermoplasten.

1.3 Elastomere

Elastomere verfügen über ein weitmaschiges chemisches Netzwerk und werden oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur eingesetzt. Erst das Zusammenspiel dieser beiden Voraussetzungen ermöglicht das für diese Werkstoffklasse typische gummielastische Verhalten. Die langen, beweglichen Kettenabschnitte zwischen den Vernetzungspunkten können sich bei Belastung stark strecken und nach der Entlastung wieder in ihre ungeordnete Ausgangsform zurückkehren.

Unvernetzter Kautschuk ist plastisch verformbar und kann unter anhaltender Belastung fließen. Erst während der Verarbeitung werden die Polymerketten zu einem dauerhaften Netzwerk verbunden. Dieser als Vulkanisation bezeichnete Schritt erzeugt aus der formbaren Kautschukmischung ein elastisches Bauteil mit Rückstellvermögen und den endgültigen Eigenschaften.

Bei Dien-Kautschuken wie Naturkautschuk (NR), Nitrilkautschuk (NBR) oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) kann die Vernetzung mit Schwefel erfolgen. Der Schwefel reagiert an den Doppelbindungen der Polymerketten und bildet Brücken zwischen benachbarten Makromolekülen. Durch das Verhältnis von Schwefel und Beschleuniger lässt sich die Struktur dieser Brücken beeinflussen.

Konventionelle Schwefelsysteme erzeugen überwiegend längere, mehratomige Schwefelbrücken. Sie ermöglichen häufig günstige dynamische Eigenschaften und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit. Efficient-Vulcanization-Systeme, kurz EV-Systeme, bilden dagegen einen größeren Anteil kurzer Schwefelbrücken. Dadurch können sich insbesondere die Wärmealterungsbeständigkeit und der Druckverformungsrest verbessern.

Je nach Basispolymer und Anforderungsprofil kommen auch peroxidische oder andere Vernetzungssysteme zum Einsatz. Bei einer Peroxidvernetzung entstehen thermisch stabile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbindungen zwischen den Polymerketten. Dieses Verfahren wird unter anderem bei EPDM und Silikonkautschuken verwendet; bei FKM sind je nach Typ beispielsweise bisphenolische oder peroxidische Systeme üblich. EPDM kann je nach Zusammensetzung sowohl schwefel- als auch peroxidisch vernetzt werden. Silikonkautschuke lassen sich darüber hinaus mittels additionsvernetzender Systeme aushärten. Das Vernetzungssystem ist daher ein eigenständiger Auslegungsparameter und nicht ausschließlich durch die Wahl des Basispolymers vorgegeben.

Ein technisches Elastomerbauteil besteht nicht allein aus dem Polymer. Die Kautschukmischung enthält zahlreiche weitere Bestandteile, die das spätere Eigenschaftsprofil bestimmen. Verstärkende und nicht verstärkende Füllstoffe wie Ruß oder Kieselsäure beeinflussen unter anderem Härte, Zugfestigkeit, Abriebverhalten und dynamische Belastbarkeit. Hinzu kommen Weichmacher, Alterungsschutzmittel, Verarbeitungshilfsmittel sowie die Komponenten des jeweiligen Vernetzungssystems (siehe Additive).

Aus diesem Grund können zwei Mischungen, die beide als „NBR 70“ bezeichnet werden, deutliche Unterschiede in Medienbeständigkeit, Druckverformungsrest und Lebensdauer aufweisen. Die Angabe von Polymerbasis und Nennhärte genügt deshalb nicht für eine vollständige Werkstoffspezifikation.

Elastomerbauteile werden vor allem im Formpressen und Spritzgießen hergestellt. Die Wahl des passenden Verfahrens richtet sich vor allem nach der Stückzahl, der Bauteilgeometrie, den Abmessungen, der geforderten Maßgenauigkeit und der Wirtschaftlichkeit. Im Gegensatz zur Verarbeitung von Thermoplasten wird die Zykluszeit hauptsächlich durch die Dauer der Vernetzungsreaktion bestimmt. Vulkanisationszeiten von 3-15 Minuten sind daher je Bauteilgeometrie und Volumen keine Seltenheit.

Bei FKM, Silikon und bestimmten peroxidisch vernetzten Compounds kann nach dem Entformen eine zusätzliche Wärmebehandlung erforderlich sein. Durch dieses Nachtempern werden flüchtige Reaktions- und Spaltprodukte ausgetrieben und die Vernetzung vervollständigt, was vor allem für Produkte in der Medizin- oder Lebensmitteltechnik wichtig ist.

Zur Charakterisierung von Elastomerwerkstoffen dienen Kennwerte wie die Härte nach Shore A oder IRHD, die Zugfestigkeit, die Reißdehnung, der Weiterreißwiderstand, der Abriebwiderstand und der Druckverformungsrest. Welche Größen für die Bauteilauslegung entscheidend sind, hängt von der jeweiligen Funktion ab. Für statisch verpresste Dichtungen gehört der Druckverformungsrest zu den wichtigsten Einzelkennwerten.

Elastomere übernehmen im technischen Bauteil eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen, da sie sich flexibel an ihre Umgebung anpassen, sich dehnen und komprimieren lassen. Sie dichten Gase und Flüssigkeiten ab, gleichen Fertigungs- und Montagetoleranzen aus und entkoppeln Schwingungen sowie Körperschall. Aufgrund ihrer hohen Reibwerte eignen sie sich außerdem für Greif-, Transport- und Führungsaufgaben. Bestimmte Elastomere werden darüber hinaus zur elektrischen Isolation eingesetzt. Bei der Auslegung und Materialauswahl sind die zeit- und umgebungsabhängigen Veränderungen des Werkstoffs zu berücksichtigen. Ozon, UV-Strahlung und Wärme lösen bei manchen Elastomer-Mischungen Alterungsprozesse aus. Andere Elastomere neigen bei Kontakt mit Fett, Öl oder Kraftstoffen zu Quellung, Extraktion von Mischungsbestandteilen oder Schrumpfung.

Fertigungstechnisch unterscheiden sich Elastomere deutlich von Thermoplasten. Die Vulkanisationszeit führt zu längeren Formgebungszyklen, und ein erneutes Aufschmelzen für das klassische Recycling ist nicht möglich. Zudem sind die erreichbaren Maßtoleranzen häufig weiter als bei thermoplastischen Formteilen. Die erforderliche Toleranzklasse nach DIN ISO 3302-1 wird deshalb idealerweise zu Beginn der Konstruktion festgelegt.

1.4 Sonderfall thermoplastische Elastomere

Thermoplastische Elastomere, kurz TPE, verbinden eine gummiähnliche Verformbarkeit mit der schmelztechnischen Verarbeitbarkeit von Thermoplasten. Im Unterschied zu konventionellen Elastomeren besitzen sie kein vollständig kovalent vernetztes Netzwerk. Ihre elastische Rückstellung beruht auf einer Kombination aus weichen, beweglichen Bereichen und harten Materialphasen.

Die Hartphasen wirken bei der Einsatztemperatur als physikalische Vernetzungspunkte und verhindern ein dauerhaftes Abgleiten der weichen Kettensegmente. Beim Erwärmen verlieren diese Bereiche ihre fixierende Wirkung, sodass sich der Werkstoff wie ein Thermoplast aufschmelzen und verarbeiten lässt. Während des Abkühlens bilden sich die physikalischen Vernetzungsstellen erneut aus und das gummiähnliche Verhalten kehrt zurück.

Zu den wichtigsten Werkstoffgruppen gehören TPE-S mit Styrol-Hartsegmenten, thermoplastische Polyurethane (TPE-U), thermoplastische Copolyester (TPE-E) und thermoplastische Vulkanisate (TPE-V). TPE-V besteht typischerweise aus fein verteilten, vernetzten EPDM-Partikeln in einer thermoplastischen PP-Matrix.

Da im Werkzeug keine chemische Vernetzungsreaktion erforderlich ist, erreichen TPE-Werkstoffe ähnlich kurze Zykluszeiten wie klassische Thermoplaste. Angüsse und sauber getrennte Produktionsreste können in vielen Fällen wiederaufbereitet werden. Zudem lassen sich weiche TPE-Komponenten im Mehrkomponenten-Spritzgießen unmittelbar mit geeigneten thermoplastischen Trägerwerkstoffen verbinden und die für Elastomere typische Vulkanisationszeit entfällt.

Diesen fertigungstechnischen Vorteilen stehen materialseitige Grenzen gegenüber. Bei erhöhten Temperaturen erweichen die Hartphasen, sodass Festigkeit und Rückstellvermögen abnehmen. Auch die Medienbeständigkeit erreicht nicht das Niveau eines chemisch vernetzten Elastomers. Zudem zeigt TPE unter dauerhafter Verpressung meist ein stärkeres Kriechen und einen höheren Druckverformungsrest. Auch die Werkzeugkosten sind meist deutlich höher als die des gleichen Bauteils in Elastomer-Ausführung, da gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen Presswerkzeuge deutlich günstiger sind als die für TPE notwendigen Spritzgusswerkzeuge. Für dynamisch beanspruchte Weichkomponenten, Griffflächen, Faltenbälge mit moderaten Anforderungen sowie Dichtlippen bei Raumtemperatur können thermoplastische Elastomere eine technisch und wirtschaftlich überzeugende Lösung darstellen. Bei statischen Dichtungen, die dauerhaft verpresst und zugleich erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, sind chemisch vernetzte Elastomere daher in der Regel die bessere Wahl.

2. Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten

Für einen technischen Vergleich sind vor allem folgende Merkmale entscheidend: die Schmelzbarkeit, das Steifigkeitsniveau und das Verhalten unter andauernder Belastung. Aus diesen grundlegenden Eigenschaften lassen sich zahlreiche konstruktive und fertigungstechnische Konsequenzen ableiten – von der Verarbeitungs- und Fügetechnik über Zykluszeit und Lagerung bis zur Auslegung und zum möglichen Recycling.

Kriterium	Thermoplast	Duroplast	Elastomer
Molekulare Vernetzung	keine	engmaschig kovalent	weitmaschig kovalent
Lage der Glasübergangstemperatur (Tg)	über oder unter Einsatztemperatur	über Einsatztemperatur	unter Einsatztemperatur
Verhalten bei Erwärmung	erweicht, schmilzt	formstabil bis Zersetzung	formstabil bis Zersetzung
Typischer Elastizitätsmodul	1.000–4.000 MPa	3.000–20.000 MPa	1–10 MPa
Bruch-/Reißdehnung	5 bis über 200 %	meist unter 5 %	100–800 %
Rückstellverhalten	teilweise, kriechend	vernachlässigbar	nahezu vollständig
Kriechneigung	hoch	sehr gering	gering
Dauergebrauchstemperatur	ca. 80–250 °C	ca. 130–200 °C	ca. 80–220 °C
Lieferform Rohmaterial	Granulat, rieselfähig	reaktive Formmasse, Matte, Prepreg	unvernetzte plastiline Masse als Fell oder Streifen
Lagerfähigkeit Rohmaterial	praktisch unbegrenzt	begrenzt, meist gekühlt	begrenzt, meist gekühlt
Verschnitt rückführbar	ja	nein	nein
Verarbeitung	Spritzguss, Extrusion	Pressen, Spritzguss	Pressen, Spritzguss
Zykluszeit	meist kurz	mittel bis lang	mittel bis lang
Schweißbarkeit	ja	nein	nein
Recycling	durch erneutes Aufschmelzen grundsätzlich möglich	kein klassisches Recycling, aber Zugabe als Füllstoff in geringen Mengen möglich	kein Recycling
Erreichbare Formteiltoleranzen	vergleichsweise eng	mittel bis eng, abhängig von Verfahren und Compound	vergleichsweise weit; Auslegung nach DIN ISO 3302-1
Typische Anwendungen	Gehäuse, Zahnräder, Rohre und Funktionsteile	elektrische Isolierteile, Bremsbeläge und Faserverbundbauteile	Dichtungen, Faltenbälge, Sauggreifer und elastische Lager

Bei Thermoplasten beruht die Formgebung im Wesentlichen auf einem thermischen Zustandswechsel: Der Werkstoff wird ohne chemische Reaktion aufgeschmolzen, in das Werkzeug eingespritzt und anschließend wieder abgekühlt. Bei Duroplasten und Elastomeren ist die Formgebung dagegen mit einer irreversiblen chemischen Vernetzungsreaktion verbunden. Die notwendige Werkzeugbelegungszeit ergibt sich daher aus dem Zusammenspiel von Wärmeeintrag, Bauteilgeometrie und Reaktionskinetik. Aus der fehlenden Schmelzbarkeit vernetzter Polymere ergeben sich weitere Konsequenzen. Während Thermoplaste durch lokales Aufschmelzen geschweißt werden können, müssen Duroplaste und Elastomere üblicherweise geklebt oder mechanisch gefügt werden. Angüsse und Verschnitt lassen sich nicht erneut aufschmelzen und in denselben Formgebungsprozess zurückführen. Zudem sind duroplastische Formmassen und unvernetzte Elastomermischungen chemisch reaktiv. Ihre Lagerfähigkeit ist deshalb begrenzt und erfordert eine kontrollierte oder gekühlte Lagerung.

Auch das Elastizitätsmodul unterscheidet sich stark zwischen Elastomeren einerseits und Thermoplasten bzw. Duroplasten andererseits. Duroplaste und viele Thermoplastbauteile können innerhalb ihres zulässigen kurzzeitigen Verformungsbereichs zunächst spannungsbasiert und näherungsweise linear-elastisch betrachtet werden. Bei Thermoplasten muss diese Betrachtung für dauerhafte oder erhöhte Belastungen jedoch um das zeit-, temperatur- und medienabhängige Werkstoffverhalten ergänzt werden. Für Elastomere ist ein einfacher linear-elastischer Ansatz in der Regel nicht geeignet. Ihre Spannungs-Dehnungs-Kennlinie ist bereits bei moderaten Verformungen deutlich nichtlinear. In numerischen Simulationen kommen deshalb hyperelastische Materialmodelle zum Einsatz. Hinzu kommt die nahezu vollständige Inkompressibilität von Elastomeren. Unter Belastung verändert ein Elastomer seine äußere Form stark, sein Volumen dagegen nur geringfügig. Aus diesem Grund hängt die wirksame Steifigkeit eines Elastomerbauteils nicht nur vom Material, sondern in besonderem Maße von seiner Geometrie und den Möglichkeiten zur seitlichen Ausdehnung ab. Eine allseitig eingeschlossene Elastomerschicht kann unter Druck kaum ausweichen und besitzt daher eine sehr hohe scheinbare Drucksteifigkeit. Dieselbe Mischung bleibt als schlanker, seitlich frei verformbarer Ring ausgesprochen nachgiebig.

Thermoplaste zeigen ein ausgeprägtes viskoelastisches Kriechverhalten. Da keine chemischen Netzknoten vorhanden sind, können sich die Polymerketten unter dauerhaft wirkender Spannung allmählich gegeneinander verschieben. Die Verformung nimmt daher mit der Belastungsdauer zu. Bei Duroplasten verhindert das engmaschige Netzwerk ein nennenswertes Abgleiten der Polymerketten. Ihre Kriechneigung ist deshalb deutlich geringer. Vollständig zeitunabhängig sind jedoch auch Duroplaste nicht, insbesondere nicht bei Temperaturen in der Nähe ihrer Glasübergangs- oder Zersetzungsgrenze. Das chemische Netzwerk eines Elastomers verhindert ebenfalls ein dauerhaftes Fließen der Ketten. Unter konstant gehaltener Verformung nimmt die erforderliche Rückstellkraft dennoch mit der Zeit ab. Dieser Vorgang wird als Spannungsrelaxation bezeichnet und ist für Dichtungen besonders relevant: Sinkt die Anpresskraft zu stark, reduziert sich die vorhandene Dichtkraftreserve. Auch in ihrer Lieferform unterscheiden sich die drei Werkstoffklassen deutlich. Thermoplaste werden überwiegend als rieselfähiges Granulat bereitgestellt und beim Verarbeiten lediglich aufgeschmolzen. Duroplaste gelangen dagegen als reaktive Formmassen, Harzsysteme, Matten oder vorimprägnierte Faserhalbzeuge – sogenannte Prepregs – in den Fertigungsprozess und härten dort chemisch aus. Elastomere werden als unvernetzte Kautschukmischungen geliefert, meist in Form von Fellen, Streifen oder vorgeformten Rohlingen. Sie erhalten ihre dauerhafte Elastizität erst durch die Vulkanisation im Werkzeug.

3. Von der Funktion zum Werkstoff: Thermoplast, Duroplast oder Elastomer?

Soll das Bauteil Kräfte übertragen oder eine formgebende Struktur bilden, kommen vor allem Thermoplaste und Duroplaste infrage. Für Abdichtung, Dämpfung und Toleranzausgleich sind dagegen Elastomere prädestiniert.

Innerhalb der Polymergruppen gilt es auch, das Temperaturprofil zu berücksichtigen. Im Bereich der Glasübergangstemperatur verliert ein Elastomer seine gummielastische Nachgiebigkeit und wird hart und spröde. Zudem ist bei Medienkontakt stets die Kombination aus Medium, Temperatur und Einwirkdauer zu prüfen. EPDM eignet sich beispielsweise für Heißwasser, nicht jedoch für Mineralöl; bei NBR ist es umgekehrt. Hinzu kommen gegebenenfalls Freigaben für Trinkwasser, Lebensmittel oder medizintechnische Anwendungen.

Für dauerhaft verpresste Dichtungen sind Druckverformungsrest und Spannungsrelaxation zentrale Auswahlkriterien. Hohe Anforderungen können TPE ausschließen und bei Elastomeren die Wahl des Vernetzungssystems bestimmen. Bei Thermoplasten ist dagegen häufig das Kriechen entscheidend, da es in verspannten Konstruktionen langfristig zum Verlust der Vorspannkraft führen kann. Metallische Hülsen im Kraftfluss oder kriecharme Duroplaste bieten hier robustere Lösungen.

Außerdem beeinflusst die geplante Stückzahl das Fertigungsverfahren. Für kleine Serien und große Bauteile sind Kompressionsformpressen aufgrund günstigerer Werkzeuge oft wirtschaftlich. Bei hohen Stückzahlen bietet das Spritzgießen trotz höherer Werkzeugkosten kürzere Zyklen, bessere Maßhaltigkeit und weniger Nacharbeit.

Thermoplaste lassen sich bei ausreichender Sortenreinheit grundsätzlich werkstofflich wiederverarbeiten. Duroplaste und vernetzte Elastomere können dagegen nicht erneut aufgeschmolzen werden. Fest verbundene Materialkombinationen erschweren die Trennung zusätzlich.