Thermoplastisches Polyurethan (TPU): Das verschleißfeste Elastomer für hohe mechanische Belastung

TPU (Thermoplastisches Polyurethan; englisch: Thermoplastic Polyurethane) ist ein thermoplastisches Elastomer auf Basis segmentierter Polyurethan-Blockcopolymere und wird als TPE-U innerhalb der TPE-Werkstoffe eingeordnet.

TPU weist eine sehr hohe Abrieb-, Weiterreiß- und Schnittfestigkeit sowie eine gute Beständigkeit gegenüber Mineralölen, Fetten und Ozon auf. TPU kann in einem Härtebereich von 60 Shore A bis 75 Shore D verarbeitet werden und reicht damit von mittlerer Härte bis beinahe „kunststoffhart“. Im Vergleich zu anderen Elastomeren wie NBR oder EPDM ist TPU mechanisch deutlich belastbarer und wird nicht durch Vulkanisation, sondern wie Thermoplaste durch Aufschmelzen und Abkühlen verarbeitet. Aufgrund der thermischen Verarbeitung weist TPU eine geringere Temperaturbeständigkeit auf und neigt bei erhöhter Temperatur zu bleibender Verformung.

Typische Anwendungsfälle sind verschleißbeanspruchte Abstreifer, Dichtlippen, Rollenbeläge und Puffer bei denen geringe chemische und keine besondere thermische Belastung auftritt.

1. Was ist TPU?

TPU gehört zu den thermoplastischen Elastomeren (TPE) und verhält sich deshalb bei Raumtemperatur gummielastisch, schmilzt jedoch bei Erwärmung wie ein Thermoplast und kann spritzgegossen oder extrudiert werden. Innerhalb der TPEs gilt TPU als die mechanisch leistungsfähigste Variante: Zugfestigkeit, Weiterreißwiderstand und Abriebfestigkeit liegen über den Werten der meisten vulkanisierten Kautschuke. Über die Rohstoffauswahl und das Verhältnis von Hart- zu Weichsegmenten lässt sich das Eigenschaftsprofil innerhalb eines breiten Bereichs anpassen – von weich und flexibel bis hin zu nahezu steifen Konstruktionswerkstoffen.

Was ist der Unterschied zwischen TPU, TPE-U, PUR und Handelsnamen wie Elastollan oder Desmopan?

TPU und TPE-U bezeichnen denselben Werkstoff. TPU ist die nach ISO 18064 gültige Kurzbezeichnung, TPE-U eine ältere, im deutschsprachigen Raum weiterhin verbreitete Schreibweise. PUR bzw. PU ist dagegen der Oberbegriff für alle Polyurethane – vom Hartschaum über Lacke bis zum Elastomer. Dazu zählen auch Gieß-Polyurethane sowie die walzbaren Urethankautschuke AU (Polyester-Basis) und EU (Polyether-Basis). Diese sind chemisch vernetzt und lassen sich nach der Formgebung nicht wieder aufschmelzen. TPU ist hingegen physikalisch vernetzt und damit thermoplastisch verarbeitbar. Elastollan (BASF), Desmopan (Covestro), Estane und Pellethane (Lubrizol) sind Handelsnamen für TPU-Typen verschiedener Hersteller und keine eigenen Werkstoffkategorien. Mögliche Unterschiede zwischen den Produkten ergeben sich aus der Polyol-Basis, der Härte, der Zugabe verschiedener Additive und der Herstellung des Rohmaterials.

Wie ist TPU chemisch aufgebaut?

TPU entsteht durch Polyaddition aus drei Grundbausteinen: Polyol, Diisocyanat und einem Kettenverlängerer. Langkettige Polyole (P) wie Polyester-, Polyether-, Polycaprolacton- oder Polycarbonatdiol werden durch ein Diisocyanat (D) wie Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder Methylenediphenylisocyanate (MDI) verknüpft. Als kurzkettiger Kettenverlängerer (C) wird häufig 1,4-Butandiol verwendet. An jeder Verknüpfungsstelle zwischen Diisocyanat und Polyol bzw. Kettenverlängerer entsteht eine Urethangruppe, die dem Werkstoff seinen Namen gibt.

Abbildung 1: Aufbau einer TPU-Polymerkette aus flexiblen Segmenten (Polyol P und Diisocyanat D) und festen Segmenten (Diisocyanat D und Kettenverlängerer C)

Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt einer TPU-Polymerkette. Im linken Abschnitt wechseln sich Polyol und Diisocyanat ab (D–P–D–P–D). Die langen, beweglichen Polyolketten bilden flexible Segmente, auch Weichsegmente genannt, während Diisocyanat und Kettenverlängerer in kurzen Abständen aufeinander (C–D–C–D–C) folgen und ein festes Segment aus kompakten, steifen Einheiten bilden. Entlang der gesamten Kette wiederholt sich diese Abfolge vielfach, weshalb TPU zu den Blockcopolymeren zählt.

Die festen Segmente benachbarter Ketten lagern sich zu kristallinen Hartsegmenten zusammen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Urethangruppen stabilisiert werden. Diese Hartsegment-Domänen wirken als physikalische Vernetzungspunkte, eingebettet in eine weiche, elastische Matrix aus den flexiblen Segmenten (vgl. Morphologie im Beitrag TPE und Abbildung 2).

Abbildung 2: TPU bildet kristalline Hartsegmente aus, umgeben von einer flexiblen Matrix

Beim Erwärmen lösen sich die Hartsegment-Domänen auf, die Polymerketten werden beweglich, das TPU schmilzt und wird flüssig. Beim Abkühlen ordnen sich die festen Segmente erneut zu Domänen an. Dieser thermisch reversible Vorgang unterscheidet TPU von vulkanisierten Elastomeren mit irreversibel chemisch vernetzten Stellen.

Das Mengenverhältnis von festen zu flexiblen Segmenten (in Abbildung 1 der Anteil der rechten gegenüber den linken Kettenabschnitten) bestimmt das Werkstoffverhalten. Je höher der Hartsegmentanteil, desto höher sind Härte, Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Ein höherer Weichsegmentanteil erhöht wiederum die Elastizität und die Kälteflexibilität.

2. Eigenschaften von TPU

TPU zeichnet sich durch eine Kombination aus sehr hoher mechanischer Belastbarkeit, guter Elastizität und Beständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und Ozon aus. Bei hohen Temperaturen schmilzt TPU jedoch und ist daher auch nicht für den Einsatz in heißem Wasser sowie in polaren Lösungsmitteln geeignet. TPU ist zudem gegen viele Chemikalien beständig:

Hohe Beständig­keit	Bedingte Beständig­keit
Abrieb und Verschleiß	UV-Strahlung (aromatische Typen)
Mineralöle und Fette	Wasser bei Raumtemperatur (Polyester-TPU)
Ozon	Verdünnte Säuren und Laugen
Aliphatische Kraftstoffe	Aromatische Kraftstoffe
Sauerstoff und Alterung	Alkohole

Tabelle 1: Chemische Beständigkeit von TPU

Mechanisch erreicht TPU, abhängig von Härte, Polymerbasis und Additiven, Zugfestigkeiten von etwa 30 bis 60 MPa und Reißdehnungen von 400 bis 700 %. Der Abriebverlust nach ISO 4649 liegt häufig im Bereich von 20 bis 40 mm³ und damit deutlich unter den Werten vieler vulkanisierter Elastomere. Zusätzlich besitzt TPU eine hohe Tragfähigkeit und gute Dämpfungseigenschaften, was den Werkstoff für Puffer und Dämpfungselemente sowie beispielsweise für Schuhsohlen interessant macht. Die Dichte liegt mit etwa 1,1 bis 1,2 g/cm³ etwas über der von TPE-S oder EPDM. TPU weist gute elektrische Isoliereigenschaften auf und wird daher häufig für Kabelmäntel eingesetzt. Der Werkstoff ist hygroskopisch und nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, weshalb insbesondere bei der Verarbeitung eine vorherige Trocknung erforderlich ist.

Bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt und längerer Belastung neigt TPU zu einem höheren Druckverformungsrest als chemisch vernetzte Elastomere. TPU eignet sich deshalb für dynamische, verschleißbeanspruchte Dichtungen bei moderaten Temperaturen und eher weniger für statische Dichtungen unter dauerhafter Verpressung bei hoher Temperatur.

Shore-Härten bei TPU

Der verfügbare Härtebereich von TPU reicht typischerweise von 60 Shore A bis 75 Shore D und wird über das Verhältnis von Hart- zu Weichsegmenten eingestellt. Es ist damit eher wie FKM oder HNBR bei den härteren Basispolymeren einzuordnen, mit dem Zusatz, dass TPU auch im deutlich härteren Shore-D-Bereich eingesetzt wird. TPU im Bereich von etwa 60 bis 80 Shore A wird für Anwendungen mit hoher Flexibilitätsanforderung eingesetzt, beispielsweise für Schläuche, Folien, Membranen, Dichtlippen und Soft-Touch-Oberflächen. Weiche Typen sind allerdings anspruchsvoller in der Verarbeitung und neigen stärker zum Kleben in der Form. Härtebereiche von etwa 85 bis 95 Shore A werden für technische Bauteile wie Hydraulik- und Pneumatikdichtungen, Abstreifer, Rollenbeläge, Puffer und Kabelmäntel verwendet. In diesem Bereich ergibt sich ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Elastizität, Verschleißfestigkeit und Druckverformungsrest. Harte TPU-Typen im Bereich von etwa 50 bis 75 Shore D werden eingesetzt, wenn hohe Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit gefordert ist, beispielsweise bei Zahnrädern, Gleit- und Führungselementen, Kupplungselementen oder Stützringen.

Reinheits- & Sauberkeitsanforderungen an TPU

Bei Reinheits- und Sauberkeitsanforderungen bietet TPU einen strukturellen Vorteil gegenüber vulkanisierten Elastomeren. Da keine Vulkanisation stattfindet, entfallen Rückstände von Vernetzungsmitteln und Beschleunigern, und in vielen TPU-Typen werden auch Weichmacher nicht verwendet. Dadurch weisen sie in der Regel geringe Anteile an extrahierbaren und migrationsfähigen Bestandteilen auf, was den Einsatz in der Medizintechnik und im Lebensmittelkontakt begünstigt. TPU benötigt daher keine separate FDA-Konformität, sondern wird über die in der Mischung enthaltenen Zusätze freigegeben. Das bedeutet, dass Additive wie Stabilisatoren, Gleit- und Entformungsmittel oder Flammschutzmittel, die an die Oberfläche migrieren und dort ausblühen können, für den Einsatz unter besonderen Bedingungen geprüft werden müssen.

3. Verarbeitung & Herstellung von TPU

TPU wird in thermoplastischen Fertigungsverfahren verarbeitet und benötigt keine Vulkanisation. Für Formteile kommt vor allem das Spritzgießen zum Einsatz, Schläuche, Profile, Folien und Kabelmäntel werden extrudiert. Darüber hinaus lässt sich TPU blasformen, kalandrieren und additiv verarbeiten, etwa für Prototypen im FDM- oder SLS-Verfahren.

Da TPU hygroskopisch ist, muss das Granulat vor der Verarbeitung auf eine Restfeuchte von unter 0,02 % getrocknet werden, typischerweise im Trockenlufttrockner für 2 bis 3 Stunden, abhängig von der Härte. Zu hohe Restfeuchte führt zu Blasen und Schlieren im fertigen Bauteil sowie zu einem Molekulargewichtsabbau, der die mechanischen Eigenschaften des Bauteils dauerhaft verschlechtert.

Abbildung 3: TPU-Granulat

Beim Spritzgießen liegen die Verarbeitungstemperaturen des Rohmaterials je nach Härte und Typ im Bereich von etwa 180 bis 230 °C und die gekühlten Werkzeuge meist zwischen 30 und 60 °C. Weiche Typen werden tendenziell kälter, harte Typen wärmer verarbeitet. Da die Urethanbindung bei Überhitzung oder zu langer Verweilzeit thermisch abgebaut wird, müssen Temperaturführung und Zykluszeit eng kontrolliert werden.

Nach der Formgebung können TPU-Bauteile getempert werden, typischerweise mehrere Stunden bei 80 bis 100 °C. Das Tempern schließt die Ausbildung der Hartsegment-Domänen ab, baut Eigenspannungen ab und verbessert insbesondere den Druckverformungsrest und die Formstabilität. Aufgrund seiner thermoplastischen Basis eignet sich TPU sehr gut für Mehrkomponenten-Spritzguss und Overmolding. Auf technischen Kunststoffen wie PC, ABS oder PA lässt sich in vielen Fällen ein direkter Haftverbund ohne Haftvermittler erreichen, was die Herstellung von Kunststoff-Verbundteilen vereinfacht. Wirtschaftlich bietet die TPU-Verarbeitung kurze Zykluszeiten, geringe Nacharbeit sowie die Möglichkeit, Angüsse in begrenztem Umfang als Regenerat wiederzuverwenden. Dem stehen höhere Werkzeugkosten für Spritzgießwerkzeuge gegenüber, weshalb TPU-Spritzguss vor allem bei mittleren bis hohen Stückzahlen eingesetzt wird.

Von der TPU-Verarbeitung abzugrenzen sind Gießpolyurethane und vulkanisierte Urethankautschuke (AU/EU). Gieß-PU wird flüssig in offene oder geschlossene Formen gegossen und chemisch vernetzt, was sich insbesondere für großvolumige Bauteile eignet. AU- und EU-Mischungen werden wie klassische Kautschuke im Kompressions- oder Transferpressen verarbeitet und vulkanisiert und sind daher meist die günstigere Alternative bei geringeren Losgrößen.

4. Materialvergleich: TPU vs. andere Elastomere

Für TPU sind insbesondere Vergleiche mit NBR, HNBR und EPDM aussagekräftig, da diese Werkstoffe bei Dichtungen, Abstreifern und verschleißbeanspruchten Formteilen häufig als Alternativen diskutiert werden.

Werkstoff	Thermo­plastisches Poly­urethan	Nitril-Kautschuk	Hydrierter Nitril-Kautschuk	Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
Internationales Kurzzeichen	TPU	NBR	HNBR	EPDM
Härtebereich (in Shore)	60A – 75D	20A – 75D	50A – 95A	20A – 95A
Mechanische Eigenschaften bei RT
Reißfestigkeit
Reißdehnung
Rückprall­elastizität
Weiterreiß­widerstand
Abrieb­widerstand
Druckverformungsrest
bei max. Dauereinsatz­temperatur
bei Raumtemperatur
Thermisches Verhalten
Kälteverhalten (Tg) bis °C	−40	−30	−30	−50
Max. Dauereinsatz­temperatur bis °C	80	110	150	130
Beständigkeit gegen
Benzin
Mineralöl (bei 100 °C)
Säuren (wässrige anorg. Säuren bei RT)
Laugen (wässrige anorg. Laugen bei RT)
Wasser (bei 100 °C, dest.)
Witterung und Ozon

Tabelle 2: Materialvergleich von TPU (thermoplastisches Polyurethan) mit NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk), HNBR (hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk) und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk). TPU-Werte für Polyester-TPU mittlerer Härte; Polyether-TPU weist bei Wasser- und Kälteverhalten bessere Werte auf.

Was kostet TPU?

Die Kosten von TPU liegen im mittleren Bereich der technischen Elastomere: über denen von EPDM und NBR, jedoch deutlich unter denen von Hochleistungswerkstoffen wie HNBR oder FKM. Innerhalb der TPEs zählt TPU zu den höherpreisigen Typen. Der konkrete Preis hängt von der Polyol-Basis, der Härte, den Farbanforderungen, den Zertifizierungen sowie der Abnahmemenge ab.

Material	EPDM	NBR	CR	TPE/​TPU	Silikon (LSR)	Silikon (HTV)	HNBR	FKM
Kosten­faktor	× 1,0	× 1,0	× 1,2	× 1,3	× 1,4	× 1,8	× 2,9	× 3,7

Tabelle 4: Kostenvergleich von TPU mit anderen gängigen Elastomeren

Für die Bauteilkosten ist der Materialpreis allein nicht entscheidend. Der Wegfall der Vulkanisation, kurze Zykluszeiten und eine geringe Nacharbeit gleichen den höheren Rohstoffpreis bei größeren Stückzahlen häufig aus.

Was sind die Unterschiede zwischen TPU und NBR?

TPU und NBR sind beide gut gegen Mineralöle und Fette beständig. TPU bietet jedoch eine deutlich höhere Abrieb- und Weiterreißfestigkeit und ist damit bei dynamisch und abrasiv belasteten Dichtungen überlegen. NBR ist dagegen bis ca. 110 °C einsetzbar, weist einen geringeren Druckverformungsrest auf und ist bei statischen Dichtungen unter Dauerverpressung die wirtschaftlichere Wahl.

Was sind die Unterschiede zwischen TPU und HNBR?

HNBR erreicht Festigkeiten, die denen von TPU ähneln, und ist bis ca. 150 °C einsetzbar, bei gleichzeitig guter Öl- und Ozonbeständigkeit. TPU bleibt bei Abrieb- und Weiterreißfestigkeit überlegen und ist deutlich kostengünstiger. HNBR wird deshalb gewählt, wenn neben mechanischer Belastung auch höhere Temperaturen auftreten.

Was sind die Unterschiede zwischen TPU und EPDM?

EPDM ist sehr beständig gegen heißes Wasser, Dampf, Witterung und Ozon, quillt jedoch stark in Mineralölen und Kraftstoffen auf. TPU verhält sich nahezu umgekehrt: hohe Öl- und Verschleißbeständigkeit, aber begrenzte Beständigkeit gegenüber heißem Wasser. Entsprechend wird EPDM für wasserführende und Außenanwendungen eingesetzt, während TPU für mechanisch beanspruchte Bauteile mit Öl- und Fettkontakt eingesetzt wird.

Was sind die Unterschiede zwischen TPU und anderen TPEs?

Im Vergleich zu TPE-S und TPE-O ist TPU mechanisch deutlich belastbarer und ölbeständiger, jedoch teurer und aufwendiger in der Verarbeitung, da es getrocknet werden muss. TPE-V weist gegenüber TPU einen geringeren Druckverformungsrest und eine bessere Beständigkeit gegenüber Heißwasser auf. TPU wird daher innerhalb der TPEs immer dann gewählt, wenn Verschleißfestigkeit und mechanische Belastbarkeit im Vordergrund stehen.