Chemische Beständigkeit von TPE 

Warum das Zusammenspiel von Material, Medium und Bauteildesign entscheidet

Dichtungen kommen mit Reinigungsmitteln in Kontakt, Griffe mit Ölen und Fetten, Komponenten im Fahrzeug mit Kraftstoffen oder Betriebsflüssigkeiten und Bauteile in industriellen Anwendungen mit unterschiedlichsten Prozessmedien. Thermoplastische Elastomere (TPE) sind in vielen Anwendungen regelmäßig chemischen Substanzen ausgesetzt.

Eine zentrale und absolut berechtigte Frage, die meine Kolleginnen und Kollegen aus Vertrieb und Entwicklung häufig hören, lautet: Wie beständig ist Ihr TPE gegenüber diesem oder jenem Medium? Doch eine pauschale Antwort darauf gibt es nicht. Die chemische Beständigkeit eines TPEs hängt nicht allein vom Werkstoff oder von der Chemikalie ab. Entscheidend sind Punkte wie Materialaufbau, Medium, Temperatur, Kontaktdauer, Kontaktart und Bauteilgeometrie. Ebenso wichtig ist die Frage, was beim Kontakt auf molekularer Ebene passiert.

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten der Wechselwirkung unterscheiden: physikalische und chemische Effekte. Bei einem physikalischen Effekt reagiert das Medium nicht chemisch mit dem Polymer. Stattdessen kann es beispielsweise die Struktur des TPE beeinflussen. Solche Vorgänge sind auch in manchen Fällen reversibel: Wird das Medium entfernt, kann sich der ursprüngliche Zustand – abhängig von Material, Medium und Beanspruchung – zumindest weitgehend wieder einstellen. Ein typisches Phänomen ist die Quellung: Moleküle des Kontaktmediums dringen in den Werkstoff ein, wodurch sich dessen Volumen vergrößert und sich mechanische Eigenschaften verändern können.

Weitere mögliche Auswirkungen von physikalischen Effekten sind Gewichts- oder Volumenänderungen, Erweichung, aber auch irreversible Versprödung oder Veränderungen beziehungsweise Defekte an der Oberfläche.

Anders verhält es sich bei einem chemischen Effekt. Hier findet tatsächlich eine chemische Reaktion mit Bestandteilen des Polymers statt. Polymerketten oder andere Bestandteile der Rezeptur können verändert oder abgebaut werden. Dieser Prozess ist irreversibel. Die Folgen sind entsprechend dauerhaft. Dazu zählen unter anderem Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, Versprödung und Verfärbungen. Je nach Beanspruchung kann damit langfristig auch die Funktion des Bauteils beeinträchtigt werden.

Für die Einschätzung der Beständigkeit hilft ein grundlegendes Prinzip aus der Chemie: Gleiches löst sich in Gleichem. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass Stoffe mit ähnlicher Polarität häufig eine stärkere Wechselwirkung miteinander zeigen. Ein unpolares Polymer ist beispielsweise gegenüber bestimmten unpolaren Medien empfindlicher, während polare Medien im Kontakt mit unpolaren Polymeren ein anderes Verhalten zeigen.

Für Thermoplastische Elastomere ist diese Betrachtung besonders relevant, da es sich hier um eine sehr vielfältige Materialklasse handelt. Polymerbasis, Additive, Weichmacher, Füllstoffe und weitere Rezepturbestandteile bestimmen in Verhältnis und Kombination, wie polar oder unpolar ein Compound ist und entsprechend auf ein bestimmtes Medium reagiert. Deshalb lässt sich die chemische Beständigkeit unter keinen Umständen pauschal für „TPE“ beurteilen.

Auch ein grundsätzlich geeignetes Material kann unter veränderten Einsatzbedingungen ein anderes Verhalten zeigen. Zwei der wichtigsten Einflussgrößen sind Temperatur und Kontaktdauer.

Mit steigender Temperatur können Diffusionsprozesse beschleunigt werden. Medien dringen unter Umständen schneller oder tiefer in das Material ein, gleichzeitig können chemische Reaktionen schneller ablaufen. Ein TPE, das bei Raumtemperatur über kurze Zeit kaum Veränderungen zeigt, kann bei höherer Temperatur oder längerer Exposition deutlich anders reagieren.

Deshalb sollten Angaben zur Medienbeständigkeit immer gemeinsam mit den tatsächlichen Einsatzbedingungen betrachtet werden. Die Aussage „beständig gegen Medium X“ ist ohne Informationen zu Temperatur und Zeit nur begrenzt aussagekräftig.

Neben dem Werkstoff selbst und dessen Umgebungsbedingungen wird ein weiterer Faktor häufig unterschätzt: die Geometrie des Bauteils. Insbesondere die Wandstärke beeinflusst, wie stark sich die Aufnahme eines Mediums auf ein Bauteil auswirken kann. Dünnwandige Bereiche können schneller vollständig durchdrungen werden als massive Bereiche.

Auch Ecken, Kanten, Kerben oder Übergänge verdienen besondere Aufmerksamkeit. Dort können mechanische Spannungen konzentriert auftreten. Treffen chemische oder physikalische Einflüsse auf bereits hoch beanspruchte Bereiche, können sich Effekte gegenseitig verstärken. Die chemische Beständigkeit ist deshalb nicht ausschließlich eine Materialfrage, sondern immer auch eine Frage des Bauteildesigns.

Tabellen und Beständigkeitslisten sind ein hilfreicher Ausgangspunkt für die Vorauswahl eines Werkstoffs. Sie können die tatsächlichen Einsatzbedingungen eines Bauteils jedoch nur begrenzt abbilden. Für eine belastbare Materialbewertung müssen deshalb mehrere Fragen zusammengeführt werden: Welches Medium kommt zum Einsatz? In welcher Konzentration? Bei welcher Temperatur? Wie lange und auf welche Weise besteht Kontakt? Welche Geometrie besitzt das Bauteil und welchen mechanischen Belastungen ist es gleichzeitig ausgesetzt?

In unserem zertifizierten Labor haben wir die Möglichkeit, eine breite Auswahl an Tests und Simulationen durchzuführen und Sie bestmöglich zu beraten. Und auch wie in unseren letzten Newslettern bereits angesprochen, ist es immer von Vorteil, wenn Materialanbieter möglichst früh in Projektphasen einbezogen werden.

Denn gerade bei TPE zeigt sich ein Grundsatz der Werkstoffauswahl besonders deutlich: Chemische Beständigkeit ist keine isolierte Materialeigenschaft. Erst das Zusammenspiel von Polymerbasis, Rezeptur, Umgebungsbedingungen, Konstruktion und Verarbeitung entscheidet darüber, wie sich ein Werkstoff in der konkreten Anwendung langfristig verhält.

Welche Medien und Einsatzbedingungen stellen Sie bei der Auswahl von TPE vor die größten Herausforderungen? Wir freuen uns auf Ihre Kommentare.