Mehrkomponententeile Transparente thermoplastische Elastomere verleihen Kunststoffen besondere Effekte

Auch technische thermoplastische Kunststoffe können von den Eigenschaften transparenter thermoplastischer Elastomere profitieren. Grundlage dafür ist die Entwicklung so genannter HSBC-Compounds, die im Spritzgießverfahren eine Haftverbindung mit technischen Thermoplasten eingehen. Das Ergebnis sind Mehrkomponententeile mit Soft-Touch- und besonderen Farbeffekten für technische Anwendungen.

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Kraiburg TPE GmbH & Co. KG

Mehrkomponenten-Bauteile aus weichen TPE-S-Compounds und Thermoplasten gewinnen an Bedeutung für technische Anwendungen in der Automobil-, Elektro- oder Bauindustrie. Gleiches gilt für die Konsumgüterbranche, in der die Werkstoffverbund-Bauteile für anspruchsvolle Designlösungen sorgen.

Die Gründe dafür liegen zum einen am wirtschaftlichen Herstellungsprozess: Eine aufwändige Montage oder ein Verkleben der Werkstoffkomponenten entfällt, weil das Fertigteil in der Maschine in einem Arbeitsgang entsteht.

Zum anderen lassen sich zusätzliche Bauteileigenschaften erzielen; zum Beispiel Dichtungsfunktion und weiche transparente oder mehrfarbige Oberflächen. Außerdem können komplizierte Bauteilgeometrien erzeugt werden. Dadurch ergeben sich für Designer mehr Gestaltungsmöglichkeiten.

Die stetige Weiterentwicklung auf dem Gebiet der TPE-S-Compounds erschließt dabei immer mehr Anwendungsbereiche, die zuvor nur unbefriedigend abgedeckt werden konnten. Ein besonders attraktives Merkmal stellt die Transparenz der weichen TPE-S-Compounds dar.

Transparente TPE-S-Compounds gefragt

Sie ermöglicht einerseits, dass beim Umspritzen der zugrunde liegende Thermoplast als Kernwerkstoff sichtbar bleibt. Andererseits sorgt die Transparenz für eine ästhetisch anspruchsvolle Farbgebung infolge der guten Sichtbarkeit von Effektfarben, wie Metallic- und Perlglanz-Pigmenten.

Schon seit langem gibt es solche transparente TPE-S-Werkstoffe, denen Standardrezepturen für das Zwei-Komponenten-Spritzgießen zugrunde liegen – auf Polyethylen- oder Polypropylenbasis. Die Entwicklung weiterer TPE-S-Compounds für den Verbund mit technischen Thermoplasten stellt jedoch eine Herausforderung dar: Üblicherweise führen die für diese Anwendungen benutzten haftungsgebenden Rezepturbestandteile zu einem Verlust der Transparenz.

Styrol-Block-Copolymere als Werkstoffbasis

Kraiburg TPE entwickelt entsprechende Compounds, die aufgrund der guten Haftung zu technischen Thermoplasten bei gleichzeitig hoher Transparenz weitere Anwendungsbereiche erschließen. Grundlage dafür ist die Verwendung hydrierter transparenter Styrol-Block-Copolymere (HSBC). Kennzeichnend für diese Copolymere ist die bessere Beständigkeit gegen UV-Licht im Vergleich zu deren nicht-hydrierten transparenten Polymervarianten.

Im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren entsteht die Verbindung zwischen den beiden Komponenten direkt beim Herstellen des Verbundteils. Für einen guten Haftverbund muss die Oberfläche der harten Thermoplastkomponente durch die Schmelze des weichen TPE-S-Compounds benetzt werden können.

Zusammensetzung des TPE-S-Compounds entscheidet Kompatibilität zum Kunststoff

Die Zusammensetzung des TPE-S-Compounds ist also entscheidend für die Kompatibilität zum ausgewählten thermoplastischen Kunststoff – eine Voraussetzung für die sich anschließenden Diffusionsvorgänge an der Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten in den amorphen Bereichen des Thermoplasts: Zusätzlich zu intermolekularen Wechselwirkungen wie Van-der-Waals- oder Dipol-Dipol-Kräften kommt es aufgrund der Diffusion zu einer Verschlaufung der Molekülketten der beiden Komponenten und somit zu einer mechanischen Verankerung mit hoher Festigkeit, die die beiden Werkstoffe miteinander verschweißt.

Weitere Haftungskriterien sind die Verarbeitungsbedingungen in der Spritzgießmaschine und eine eventuell vorhandene Kristallinität des Thermoplasts, die die Diffusion erschwert, weshalb die Spritzgießtemperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des Thermoplasts liegen sollten. Größere Scherung erniedrigt die Viskosität des TPE-S-Compounds, was zu einer besseren Fließfähigkeit führt und damit das Eindringen in kleine Oberflächenstrukturen begünstigt. Zusätzlich verbessert eine erhöhte Spritzgießtemperatur die Diffusionsvorgänge an der Grenzfläche.

Herstellerspezifische Proben erschweren Haftungsvergleich

Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Thermoplast und TPE-S-Compound bestimmen die Festigkeit des Haftverbunds und – im Zusammenspiel mit den Zugfestigkeiten der Komponenten – die Art des Versagens bei Zugbeanspruchung. Schält man in einer geeigneten Vorrichtung oder im Hand-Versuch das weiche TPE-S-Compound von der Oberfläche des Thermoplasts, beobachtet man je nach Werkstoffkombination adhäsives oder kohäsives Versagen. Dabei wird ein Kohäsionsbruch, bei dem das TPE in sich reißt, als Anzeichen für eine gute Haftung wahrgenommen: Sichtbare Reste des TPE bleiben auf der Oberfläche des Thermoplasts zurück.

Demgegenüber wird ein Adhäsionsbruch, bei dem sich das TPE vollständig vom Thermoplasts ablöst, von den Anwendern in der Regel als ein Indiz für schlechte Haftung gewertet. Erreicht das TPE-S-Compound allerdings ungewöhnlich hohe Werte in Zugfestigkeit und Weiterreißfestigkeit, so führt dies selbst bei sehr guter Haftung letztendlich zu einem Adhäsionsbruch an der Nahtstelle zwischen hart und weich.

Haftung der Compounds unterliegt zahlreichen Einflussfaktoren

Um bei der Entwicklung neuer Compounds unterschiedliche Modifikationen quantitativ vergleichen zu können, bedarf es einheitlicher Versuchsbedingungen, denen die Werkstoffe zur Untersuchung der Haftungseigenschaften unterworfen werden. Zusätzlich zu den werkstoffspezifischen Eigenschaften der beiden zu verbindenden Komponenten wie chemische Funktionalität, Schmelztemperatur und Kristallisationsverhalten, die bei der Werkstoffentwicklung aufeinander abzustimmen sind, gibt es noch weitere Einflussfaktoren bezüglich der Haftung. Sie resultieren aus dem Prozess der Prüfkörperherstellung und betreffen unter anderem die Spritzgeschwindigkeit, den Nachdruck und die Kühlzeit.

Die Stärke des Haftverbunds hängt auch davon ab, ob in einem zweistufigen Einlegeverfahren ein kalter thermoplastischer Vorspritzling in ein Werkzeug eingelegt wird, um die weiche Komponente aufzubringen, – oder ob diese beiden Arbeitsschritte unmittelbar aufeinander folgend im noch warmen Zustand in einem Mehrkomponenten-Werkzeug mit sich nacheinander öffnenden Kavitäten erfolgen.

Die Verbundfestigkeit an einem auf diese Art hergestellten Mehrkomponenten-Prüfkörper – ermittelt im Schälversuch – hängt dabei quantitativ von der Größe der Fläche ab, über die die beiden Werkstoffkomponenten in Kontakt miteinander stehen. Ein weiterer Einflussfaktor liegt darin, ob der Schmelzefluss im Werkzeug stumpf aufeinander treffend oder überströmend erfolgte.

Weil es keine einheitlich gültige Norm zur Bestimmung der Verbundfestigkeit von Zwei-Komponenten-Spritzgießteilen gibt, verwenden die TPE-Hersteller jeweils eigene Prüfkörper zur Untersuchung und Quantifizierung der Haftungseigenschaften. Daraus resultieren unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der Kraft, die zum Abschälen der Weichkomponente benötigt wird. Das erschwert einen Vergleich der Haftungseigenschaften zwischen den Compounds unterschiedlicher Hersteller: Diese Eigenschaften hängen entscheidend von der Geometrie der Prüfkörper und der Art des Schältests ab.

Erfahrung aus Automobilbau half beim Versuchsaufbau

Bei Kraiburg TPE besteht der Prüfkörper aus einem Zwei-Komponenten-Spritzgießteil, bestehend aus zwei Streifen des harten Thermoplasts und einem dazwischenliegenden Streifen des weichen TPE-S-Compounds (Bild 1). Die Nahtstelle, über die der Verbund erfolgt, hat eine Breite von 2 mm.

Daraus ergeben sich mehrere Vorteile: Der Haftverbund entsteht durch ein Überströmen des TPE-S-Compounds über die Hartkomponente, die in der Praxis der Verwendung für transparente Überzüge mit weichem Griffgefühl auf Thermoplasten sehr nahe kommt. Die Haftung wird in einem Schälversuch ermittelt, das ermöglicht eine Beurteilung der Haftungsqualität entlang des Fließwegs. Die Bestimmung des Haftvermögens erfolgt in Anlehnung an eine aus der Automobilindustrie stammende Versuchsanordnung (Renault-Vorschrift D 41 1916, (Bild 2).

Wegabhängige Schälkraft gibt Aufschluss über Haftung

In einer Zugprüfmaschine wird ein beweglicher Schlitten befestigt, der den Prüfkörper hält. Zur Vorbereitung wird ein Thermoplast-Streifen vor Beginn des Versuchs manuell entfernt und der verbliebene Thermoplast-Streifen im Schlitten befestigt.

Den TPE-S-Streifen spannt man in die obere Klammer der Zugprüfmaschine ein. Aufgrund der Aufwärtsbewegung der Kammer relativ zum Thermoplaststreifen kommt es zur Abschälung des TPE-S-Compounds. Während dieses Vorgangs wird über ein Seil mit Umlenkrolle der bewegliche Schlitten nachgeführt, so dass der Abschälwinkel immer 90° beträgt.

Aus dem sich durch Aufzeichnung der Zugkraft entlang des Schälwegs ergebenden Diagramm lässt sich die benötigte Schälkraft – bezogen auf die Breite des Haftverbunds – ablesen (Bild 3). Damit kann die Haftung unterschiedlicher Werkstoffkombinationen miteinander verglichen werden.

Haftung contra Transparenz bei klassischen Rezepturen

Ziel der aktuellen Entwicklungsarbeiten ist, die in der Vergangenheit gewonnenen Erkenntnisse über die Zusammensetzung von TPE-S-Compounds für Zwei-Komponenten-Spritzgießteile zu erweitern. Schon lange bekannt sind Standardformulierungen zur Kombination von hoher Transparenz und Haftung zu unpolaren Polyolefinen.

Die Schwierigkeit, eine gute Haftung zu polaren technischen Thermoplasten zu erzielen, zum Beispiel zu Polycarbonat oder ABS, liegt darin, dass das Compound in seiner Polarität angepasst werden muss. Dafür geeignete klassische Rezepturbestandteile sind thermoplastische Polyester- oder Polyurethan-Elastomere, die zwar zu einem guten Haftverbund, aber aufgrund der chemischen Zusammensetzung oder in Kombination mit TPE-S zu einem Verlust der Transparenz führen [1 und 2].

Um durch Compoundieren der einzelnen Rezepturbestandteile ein transparentes Compound zu erhalten, müssen mehrere Kriterien beachtet werden. So ist die Transparenz der einzelnen Rezepturbestandteile eine Grundvoraussetzung. Dies allein reicht aber nicht aus, weil während des Compoundierens einerseits eine möglichst kleine Phasenmorphologie erzielt werden muss.

Andererseits sind die Brechungsindizes der einzelnen Bestandteile aufeinander abzustimmen. Aus der chemischen Zusammensetzung der Komponenten resultiert dabei deren Brechungsindex. Er steigt bei Styrol-Block-Copolymeren mit zunehmendem Styrolgehalt an (Bild 4). Bei nicht hydrierten SBS-Typen ist der Brechungsindex aufgrund der Doppelbindungen des Butadien-Mittelblocks wiederum höher als bei den entsprechenden hydrierten SEBS-Typen gleichen Styrolgehalts.

Transparente Rohstoffe mit kompatiblen Brechungsindizes kombinieren

Die Kunst besteht also darin, geeignete Kombinationen aus solchen Rohstoffen zu finden, die transparent und hinsichtlich der einzelnen Brechungsindizes miteinander kompatibel sind, sich homogen compoundieren lassen und zugleich auf polaren technischen Thermoplasten haften. Zusätzlich hat auch der Verarbeitungsprozess beim Spritzgießen einen Einfluss auf die Qualität der erhaltenen Teile, die frei von Fließlinien und natürlich eine optimale Transparenz haben sollen. Das erfordert, dass die zum jeweiligen Werkzeug passenden Verarbeitungsparameter für den jeweiligen Werkstoff gefunden werden müssen.

Schon länger verfügbar sind auf SBS-Elastomere basierende Compounds. Sie zeigen zwar ein gutes Haftvermögen auf technischen Thermoplasten, verhalten sich hinsichtlich der UV-Beständigkeit allerdings nicht zufriedenstellend. Solche Rezepturen zeigten in Bewitterungstests (Bewitterungsschrank Suntester des Herstellers Atlas, Leistung 500 W/m2, Nass-Trocken-Zyklen) eine Beständigkeit zwischen 50 bis 100 h bis zum Auftreten von oberflächlichen Rissen.

Zu beachten ist dabei auch, dass die ausgewählten UV-Stabilisatoren und Antioxidationsmittel farblos sein sollten. So wird über diesen Weg eine unerwünschte Gelbfärbung vermieden, die das Einfärben, gerade bei hellen Farbtönen, erschwert.

Um dem Wunsch der Kunden nach einer verbesserten UV-Stabilität bei guter Haftung nachzukommen, war es nötig, alternative Rezepturen zu suchen. Im nächsten Schritt wurde zunächst die Elastomerbasis auf hydrierte SEBS-Typen umgestellt. Unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften erhielt man so Compounds, die zwar den steigenden Anforderungen hinsichtlich UV-Beständigkeit genügten, man musste jedoch Rückschläge bei den erzielbaren Haftungswerten hinnehmen.

Gute Haftung mit SEBS-Typen beim 2K-Spritzgießen

Aufgrund der Rohstoffauswahl ist es Kraiburg TPE gelungen, unter Verzicht auf nicht hydrierte SBS-Typen Compounds herzustellen, die alle gewünschten Eigenschaften erfüllen. So wurde auf Basis optimierter hydrierter SEBS-Elastomere im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren eine sehr gute Haftung bei hoher Transparenz und deutlich besseren mechanischen Eigenschaften erreicht (Bild 5).

Nicht nur die Transmission (bei 90%) hat außergewöhnlich hohe und die Trübungswerte (Haze, bei 10%) sehr niedrige Werte, sondern auch die Weiterreißfestigkeit (45 bis 55 N/mm) dieser TPE-S-Compounds in diesem Härtebereich (Tabelle 1 und 2). Aufgrund des Wechsels zu einer hydrierten Elastomerbasis wurde die UV-Beständigkeit um das Fünffache verbessert. Die Werkstoffe halten jetzt in den Bewitterungstests mehr als 500 h stand.

Kostengünstige Substitution von Silikion-Werkstoffen

Außer im Verbund mit Polycarbonat und ABS sind diese Compounds auch als Weichkomponente für Anwendungen auf PBT, SAN, ASA, PETG, PMMA oder Polystyrol geeignet. Dabei erfüllen die einzelnen Rohstoffe selbstverständlich die Anforderungen der FDA, der BfR und der EU-Richtlinie 2002/72/EC hinsichtlich der Eignung für den Kontakt mit Lebensmitteln, wodurch größtmögliche Flexibilität in Bezug auf die ausführbaren Endanwendungen gewährleistet ist.

Die hohe Transparenz der Compounds ermöglicht vielfältige Effekte zur Produktdifferenzierung in Verbindung mit Soft-Touch-Eigenschaften. Die Verwendung transparenter Farben und Effektpigmente erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten bei Griffen und Bedienelementen, beispielsweise im Hygienebereich, etwa bei Zahnbürsten und Rasierern, oder im Elektronikbereich bei Mobiltelefonen. Im Automobilinnenraum oder auch bei Haushaltsgeräten ermöglicht die Transparenz, hintergrundbeleuchtete Schalter bei gleichzeitig weichem Griffgefühl herzustellen. Aufgrund solcher zusätzlichen spezifischen Gestaltungsmerkmale können sich Anwender vom Wettbewerb abheben.

Außerdem ermöglichen die TPE-S-Compounds eine kostengünstige Substitution von Silikon bei guter Verarbeitbarkeit. Im Vergleich zu PVC können sie durch Chlorfreiheit und fehlende Ester-Weichmacher punkten. So lassen sich im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren Artikel für den Strandurlaub, zum Beispiel Schwimmflossen und -Brillen, herstellen.

Dr. Holger Wickel ist Projektleiter im Bereich Entwicklung bei der Kraiburg TPE GmbH & Co. KG in 84478 Waldkraiburg.

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