Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modifizierung von styrolbasierten TPE mit Kurzfasern

Der entscheidende technologische Vorteil von Thermoplastischen Elastomeren (TPE) gegenüber Gummi besteht darin, dass TPE zwar gummielastische Eigenschaften haben, aber nicht (irreversibel) vulkanisiert werden müssen. TPE können immer wieder thermisch umgeformt werden. Die Nachteile der TPE ergeben sich aus ihrem größten Vorteil, nämlich ihrer thermoplastischen Natur: TPE-Produkte sind thermisch und auch dynamisch weniger belastbar als „klassische“ Gummierzeugnisse. Vor allem aber weisen sie eine relativ hohe bleibende Verformung unter Druck (Druckverformungsrest) sowie eine deutlich erhöhte Kriechneigung bei lang anhaltender oder dynamischer Belastung auf.

Ziel dieses Projektes ist es daher, TPE so zu modifizieren, dass sie sich im Rückstellverhalten und der dynamischen Belastbarkeit deutlich von konventionellen TPE abheben. Der Ansatz dafür ist die Optimierung der TPE mit kurzen Fasern. Dadurch konnten in Voruntersuchungen mit Gummi drastische Veränderungen im viskosen, mechanischen und thermischen Verhalten erzielt werden. Um die vielversprechenden Vorteile der Faserverstärkung für TPE ausnutzen zu können, müssen im Projekt technisch umsetzbare Lösungen gefunden werden, textilen Kurzschnitt homogen zu verteilen und die Fasern zu vereinzeln. Weiterhin ist die Haftung zwischen der textilen Verstärkung und der TPE-Matrix soweit zu erhöhen, dass die Eigenschaften der Fasern vollständig auf den gesamten Verbund übertragen werden.

Mit den neuen fasermodifizierten TPE stehen rezyklierbare Alternativprodukte zu vernetzten Elastomeren zur Verfügung. KMU der Kautschuk- und TPE-verarbeitenden Industrie können ihre Produktionskosten senken, da die Nachteile von Gummi (aufwendig herzustellende Compounds, langwierige Vulkanisation, kein Recycling) durch die Substitution mit TPE schlagartig entfallen. Ferner können z. B. durch den Einsatz von Mehrkomponententechniken (z. B. Hart-Weich-Spritzgießen) aufwändige Montageschritte reduziert und neue Anwendungsfelder erschlossen werden.

Ergebniszusammenfassung:

Mit einigen der ausgewählten Kurzschnitte, insbesondere den RFL-modifizierten Polyester- und Rayontypen, ist eine direkte Compoundierung des Textils in das Elastomer möglich, während andere Fasern hier Schwierigkeiten bereiten.

Die Prozesse, die zu homogener Faserverteilung in das TPS führen, basieren auf Fasergranulaten, hergestellt über die Ummantelung von Garn mit TPS und anschließendem Schnitt zu Granulat, oder aus gesonderten Verfahren (insbesondere Langfasergranulat); über diese Wege erzielt man geringe Schwankungsbreiten der werkstofflichen Parameter.

Mit steigender Fasermenge nehmen die Spannung bei niedriger Dehnung und die Härte kontinuierlich zu; bei einer noch gut handhabbaren Konzentration von 5 % Fasern steigt die Spannung um 200…300 % und die Härte um 15…20 Shore A. Die Zugfestigkeit und die Dehnung bei Zugfestigkeit in einer Größenordnung von 30…40 % ab. Die (ausgewählten) Fasern unterscheiden sich qualitativ in ihrem Effekt, in jedem Fall nimmt aber mit steigender Länge die Verstärkung zu. Dies fällt vor allem bei geringen Faserlängen auf – geht man von 1 mm auf 2 mm Faserlänge, so wächst die Spannung bei niedrigen Dehnungen um etwa 50 %. Die fasergefüllten TPE behalten ihre dynamische Beständigkeit. Erst wenn man Menge und/oder Länge der Fasern über ein bestimmtes Maß erhöht (etwa oberhalb von 7 %), muss man beginnend mit Abstrichen rechnen. Bei höherer Temperatur fällt zwar die Steifheit des TPS auch bei Faserverstärkung ab, das Niveau verbleibt dennoch deutlich über dem des reinen Elastomers. Der Druckverformungsrest hängt mit der Ausrichtung der Fasern zusammen – belastet man in Faserrichtung, quasi „auf die Fasern“, beobachtet man ein niedrigeres Niveau, senkrecht zur Faserrichtung dagegen erhöhte Werte. Es wurden industriell umsetzbare Rezepturen dargestellt, die ohne Hürden seitens der Verfahrenstechnik durch Compoundierunternehmen direkt hergestellt und vermarktet werden können.