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Der zunehmende Einsatz Thermoplastischer Elastomere (TPE) in 2-Komponentenanwendungen mit Thermoplasten erfordert ein solides Verständnis der Einflüsse auf das Haftungsvermögen. Das gilt insbesondere dann, wenn die harte Komponente ein Polyamid ist und die Anwendung hohe Brandschutzanforderungen stellt. Der folgende Beitrag erläutert die Problematik und den Stand der Technik.
Der Markt für Polyamide verzeichnet seit Jahrzehnten ein kontinuierliches Wachstum, wobei immer mehr Compounds speziell nach kundenspezifischen Anforderungen modifiziert und optimiert werden. Gleichzeitig besteht in vielen Einsatzbereichen ein verstärkter Trend hin zur Integration von Funktionen, wie sie meist nur Elastomere bieten – wie Vibrations- und Geräuschdämpfung, Soft-Touch-Effekte, griffige Oberflächen oder Abdichtung gegen Umgebungseinflüsse.
Dabei stellen die immense Typenvielfalt der Polyamide und deren unterschiedliche Zusammensetzung eine besondere Herausforderung bei der Materialwahl für entsprechende Hart/Weich-Kombinationen dar. Und dies umso mehr bei Spritzgussanwendungen aus flammwidrigem Polyamid im Verbund mit einem ebenfalls flammwidrigen Thermoplastischen Elastomer.
Bewährte halogenfreie Flammschutzausrüstung
KRAIBURG TPE verfügt über weitreichende Erfahrung in der Entwicklung von TPE mit halogenfreier Flammschutzausrüstung. Für 2-K-Anwendungen mit Polypropylen wurde jüngst erst eine zweite Produktreihe mit Flammwidrigkeitseinstufung gemäß UL Standard 94 V0 bei 1,5 mm Wanddicke gemäß UL Standard 94 eingeführt. Eine weitere Serie mit Einstufung V0 bei 3 mm ist schon seit geraumer Zeit erfolgreich im Programm und nun folgt die nächste Produktreihe. Begründet durch eine hohe Nachfrage erweitert KRAIBURG TPE sein Portfolio mit einer flammgeschützten PA-Haftungsreihe. Die Entwicklung dieser Materialien stellte die Spezialisten von KRAIBURG TPE jedoch vor einige Herausforderungen. Haftungsversuche ergaben eine erhebliche Streubreite, die auf unterschiedliche Einstellungen und Modifikationen flammgeschützter Polyamid-Formulierungen zurückzuführen sind.
Überprüft wurden während der Entwicklung mehr als ein Dutzend unterschiedlicher PA-Compounds von UL94 V2- bis V0-Einstufung. Im weiteren Verlauf des Projekts konzentrierten sich die Tests auf halogenfrei flammwidrige und V0-eingestufte Materialien, da diese beiden Eigenschaften in entscheidenden Einsatzbereichen, wie der Elektrotechnik und Elektronik, eine immer größere Rolle spielen.
UL94 V0-gelistete Materialien sind selbstverlöschend im Brandfall und bilden auch keine brennenden Tropfen. Dieser Anforderung werden die Materialien gerecht und das ohne den Einsatz halogenhaltiger Flammschutzmitteln. Die Halogenfreiheit der KRAIBURG TPE-Materialien entspricht der IEC 61249-2-21, welche Grenzwerte für Brom, Chlor sowie Gesamthalogene festschreibt.
Für betroffene Personen im Brandfall bedeutet dies mehr Sicherheit durch weniger desorientierende Rauchentwicklung sowie eine geringere Rauchgastoxizität. Chlor- und bromfreie Flammschutzmittel minimieren zudem die potenzielle Gefahr der Schädigung von Inventar und Gebäudesubstanz durch korrosive Rauchgase, wie sie beim Brand halogenhaltiger Stoffe entstehen. Deren Korrosivität kann darüber hinaus sogar negative Auswirkungen auf den Eigenschaftserhalt und die wirtschaftliche Verwertbarkeit von Altmaterialien haben, wie beispielsweise beim Recyceln von Altfahrzeugen.
Breit gestreute Testergebnisse
Die Verbundfestigkeit wurde auf einer Zugprüfmaschine an fünf Proben jeder Materialkombination getestet, um den Schälwiderstand des TPE nach VDI 2019 zu ermitteln. Dabei wird die Probe in einen beweglich gelagerten Schlitten gespannt und die weiche Komponente über eine Umlenkrolle mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min senkrecht nach oben gezogen. Als Ziel wurde ein Schälwiderstand von mindestens 2,5 N/mm festgelegt.
Erwartungsgemäß liefert die Haftungsprüfung von TPE/PA-Kombinationen in diesem Flammschutzbereich je nach Polyamidformulierung sehr unterschiedliche Ergebnisse (Abbildung 1). Bei einigen Polyamidtypen stellt sich eine gute Haftung ein, bei anderen ist sie unzureichend. Die Ausrüstung der Polyamide mit entsprechenden Flammschutzmitteln und Additiven ist hier der wesentliche Faktor. Gegenproben mit TPE-Typen ohne Flammschutzausrüstung, die grundsätzlich eine gute Haftung zu nicht flammgeschützten Polyamidtypen aufweisen, führen zu ähnlichen Resultaten. Untersuchungen, die KRAIBURG TPE in Kooperation mit ausgewählten Polyamidherstellern durchgeführt hat, bestätigen, dass die Ursache für die nicht erzielte Verbindung einer solchen TPE/PA-Kombination auf der Polyamidseite zu finden ist.
Komplexer Haftungsmechanismus
Schon bei früheren Haftungsversuchen mit nicht-flammgeschützten TPE/PA-Proben war aufgefallen, dass eine gute Anbindung offensichtlich durch Glasfaseranlagerungen an der Schnittfläche beeinträchtigt werden kann. Als weitere potenzielle Einflussgrößen gelten Schlagzähmodifikatoren, Stabilisatoren, Farben, Dispergier-, Trenn- und Verarbeitungshilfsmittel, wenn diese an die Oberfläche migrieren und so die Benetzung und Verankerung behindern.
Neben der Formulierung des Polyamids stellt die Temperaturempfindlichkeit der Flammschutzmittel eine besondere Herausforderung dar. Nicht-flammgeschütztes TPE wird in 2-K-Anwendungen häufig mit Temperaturen von 240°C verarbeitet, um einen optimalen Haftverbund zu erreichen. Bei den flammgeschützten Neuentwicklungen von KRAIBURG TPE hat sich ein Optimum der Haftung bei einer vergleichsweise niedrigen Massetemperatur von 190°C gezeigt, was der Temperaturempfindlichkeit der Flammschutzmittel entgegenkommt.
Generell ist bei der Bewertung der Haftungsqualität neben dem reinen Messwert des Schälwiderstands auch das Bruchbild zu betrachten. Die flammgeschützten Materialien zeigen trotz eines kohäsiven Bruchs (Bruchbild D) niedrigere Haftungswerte aufgrund der geringeren mechanischen Eigenschaften des Materials – verglichen mit haftungsoptimierten Compounds ohne Flammschutz.
Maßgeschneiderte Lösungen
Gleichwohl haben die Tests gezeigt, dass sich in spezifischen Fällen auch mit flammgeschützten TPE im Härtebereich ab 60 Shore A eine ausgezeichnete Haftung zu flammwidrigen PA erzielen lässt. Der Schlüssel dazu liegt in einer möglichst frühzeitigen Vorabprüfung der in Betracht gezogenen Materialkombinationen, um inkompatible Verbundpartner noch vor der Prototypenphase auszuschließen und gezielt besser geeignete TPE/PA-Kombinationen zu ermitteln. KRAIBURG TPE verfügt nicht nur über die entsprechende Ausstattung und Entwicklungskompetenz für derartige Projekte, sondern liefert auf Wunsch auch einen Prüfbericht über die getesteten Haftungseigenschaften nach einschlägigen Normen, wie VDI 2019.
Die Kerneigenschaften zweier THERMOLAST® K-Compounds, die bei den Haftungsversuchen am besten abschnitten, sind in Abbildung 2 zusammengefasst. Beide Materialien sind bei Wanddicken ab 3 mm V0-eingestuft und bieten sehr gute Verarbeitungseigenschaften im Spritzgießverfahren. Die naturfarbenen Materialien sind individuell einfärbbar.
Das breite Spektrum der möglichen 2-K-Anwendungen aus flammgeschützten TPE/PA-Kombinationen in der Elektrotechnik und Elektronik reicht von Steckverbindern über Relaisbauteile und Schutzschalter bis hin zu Schaltkästen und Kabeldurchführungen. Signifikante weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen bei Kraft-, Nutz-, Schienen- und Luftfahrzeugen sowie im Bauwesen und in der Gebäudetechnik.
Während der kommenden K 2019 vom 16. bis 23. Oktober in Düsseldorf präsentiert sich KRAIBURG TPE erneut als Kompetenzführer im Markt der Thermoplastischen Elastomere (TPE). Am Stand C58-4 in der „Gummistraße“ von Halle 6 sowie am „Innovation Center“ Stand E22, ebenfalls in Halle 6, thematisiert der Hersteller zentrale Herausforderungen und Trends im wachsenden TPE-Geschäft.
Fazit
Das vielfältige Angebot modifizierter Polyamide und deren unterschiedliche Zusammensetzung erschweren die Materialwahl geeigneter Compounds für 2-Komponentenanwendungen mit TPE vor allem dann, wenn hohe Flammwidrigkeit zu den geforderten Materialeigenschaften zählt. Um die bestmögliche Hart-/Weich-Kombination mit gesicherter Haftfestigkeit und halogenfreiem Flammschutz zu finden, sind in jedem Fall gründliche Verträglichkeitsprüfungen erforderlich, die ein solides Verständnis der Haftungsmechanismen und der Auswirkung von Zuschlagstoffen auf das Haftvermögen voraussetzen. Im Idealfall ziehen Verarbeiter und Endkunden daher die Materialzulieferer möglichst früh in den Prozess der Anwendungsentwicklung mit ein, um teure Überraschungen zu vermeiden und die termingerechte Markteinführung ihrer Produkte nicht zu gefährden. KRAIBURG TPE verfügt über umfassende Kompetenz in der Formulierung und zuverlässigen Kompatibilisierung flammwidriger TPE für den Verbund mit Polyamiden und unterstützt seine Kunden auch durch entsprechende Haftungstests nach VDI 2019. Diese Produkterweiterung erschließt neue Anwendungsbereiche und Marktchancen für TPE-Materialien.
Firmenprofil
KRAIBURG TPE ist ein weltweit agierender Hersteller von Thermoplastischen Elastomeren. Gegründet im Jahr 2001 als Tochterfirma der traditionsreichen Firmengruppe KRAIBURG, die seit 1947 besteht, nahm KRAIBURG TPE von Anfang an eine Pionierrolle ein. Mit Produktionswerken in Deutschland, den USA und Malaysia bietet das Unternehmen ein breites Portfolio an Compounds für Anwendungen im Automotive-, Industrie- und Consumer-Bereich sowie für die streng regulierten Medizinal-Anwendungen.
Die bekannten Produktlinien THERMOLAST®, COPEC®, HIPEX® und For Tec E® werden im Spritzgussverfahren oder in der Extrusion verarbeitet und bieten den Herstellern zahlreiche Vorteile in punkto Verarbeitung und Produktdesign. Die hohe Innovationskraft und weltweite Nähe zum Kunden mit maßgeschneiderten Produktlösungen zeichnen KRAIBURG TPE gemeinsam mit verlässlichem Service aus.
Das Unternehmen ist am Standort in Deutschland nach ISO 50001 sowie an allen Standorten weltweit nach ISO 9001 und ISO 14001 zertifiziert. Im Jahr 2019 erwirtschaftete KRAIBURG TPE mit rund 640 Mitarbeitern einen Umsatz von 190 Mio. Euro.
KRAIBURG TPE Produktionsstätte in Waldkraiburg, Deutschland
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Firmenbroschüre (PDF-Datei, 3 MB)
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KRAIBURG TPE GmbH & Co. KG
