Soluciones industriales individuales con elastómeros de poliuretano
Los elastómeros de poliuretano son materiales versátiles que se caracterizan por sus excelentes propiedades físicas y su adaptabilidad a una amplia gama de requisitos industriales. Gracias a su estructura única, los elastómeros de poliuretano de P+S ofrecen una combinación excepcional de elasticidad, resistencia a la abrasión y productos químicos
Was ist Thermoplastisches Polyurethan (TPU)?
Definition:
Thermoplastisches Polyurethan (TPU) sind Polyurethan-Polymere, die beim Erhitzen plastisch werden und beim Abkühlen wieder erhärten. Sie vereinen gummiähnliche Elastizität mit den Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten. TPU entsteht durch Polyaddition von Diisocyanaten mit Polyolen, wobei sich harte und weiche Segmente in der Polymerstruktur ausbilden.
Chemische Struktur undAufbau:
Thermoplastisches Polyurethan hat eine segmentierte Struktur: Lange, flexible Weichsegmente (Polyester- oder
Polyetherketten) wechseln sich mit kurzen, starren Hartsegmenten ab.
Weichsegmente bestehen aus langen Polymerketten (z. B. Polyether- oder Polyesterdiol) und sorgen für hohe Elastizität, Geschmeidigkeit und Beständigkeit bei niedrigen Temperaturen. Hartsegmente sind kurze, stark gebundene Abschnitte aus Diisocyanaten und kurzen Glykolen. Sie vermitteln Festigkeit, Formstabilität sowie Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit – sie wirken wie physikalische Vernetzungen.
Durch diese Kombination ist thermoplastisches Polyurethan gleichzeitig dehnbar und mechanisch hochbelastbar.
Abgrenzung zu anderen Polyurethan-Arten:
Im Gegensatz zu den meisten PU-Elastomeren (Gießharze) ist TPU thermoplastisch: Es kann mehrfach geschmolzen und umgeformt werden. Gieß-Polyurethane wie Vulkollan®, Vulkocell®, Diepothan, Diepocell® oder Diepolast® härten irreversibel als Thermoset aus.
Heißvergossene PU-Elastomere bieten meist höhere Elastizität und mechanische Festigkeit, sind dafür nicht schmelzbar oder recycelbar. Thermoplastisches Polyurethan dagegen ermöglicht einfache Fertigung (Spritzguss, Extrusion, 3D-Druck) und Recycling, hat aber geringere dynamische Belastbarkeit als Gieß-PU.
Anwendungsgrenzen und genaue Leistungsunterschiede zwischen TPU und Gieß-PU sollten im Einzelfall geprüft werden – etwa hinsichtlich Abriebfestigkeit oder Dauergebrauchstemperatur.
Wichtigste Eigenschaften von TPU-Materialien:
Mechanische Eigenschaften
Elastizität und Flexibilität: Thermoplastisches Polyurethan ist von Natur aus sehr elastisch und flexibel. Es lässt sich stark dehnen und kehrt nach Entlastung wieder in seine Ursprungsform zurück. Auch bei kalten Bedingungen bleiben viele TPU-Typen (insbesondere Polyether-TPU) gummielastisch, dank der langen Weichsegmente im Molekül. Die weichen Segmente gewährleisten hohe Rückstellkraft, während die harten Segmente für Tragfähigkeit und Dimensionserhalt sorgen.
Shore-Härte und Festigkeit: Thermoplastisches Polyurethan deckt ein breites Härtespektrum ab – von weich und flexibel bis sehr hart und zäh. Typische Shore-A-Härtewerte reichen von etwa 60 Shore A (sehr weich und elastisch) bis 98 Shore A; einige Typen erreichen sogar bis zu 80 Shore D. TPU verfügt über hohe Zug- und Reißfestigkeiten sowie einen geringen bleibenden Verformungsrest (Compression Set).
Abriebfestigkeit: Thermoplastisches Polyurethan ist extrem abriebfest und verschleißarm. Unter Reibung verliert das Material nur sehr wenig Masse, daher eignet es sich besonders für dynamisch beanspruchte Teile wie Lager, Fördergurte oder Schuhsohlen. Viele andere Thermoplaste oder Elastomere (z. B. Silikone, Standard-TPE) bieten bei gleicher Flexibilität geringeren Verschleißwiderstand.
Chemische Beständigkeit
Thermoplastisches Polyurethan zeigt gute Beständigkeit gegen Öle, Fette und viele Chemikalien. Polyester-TPUs sind besonders öl- und kraftstoffresistent sowie abriebfest; Polyether-TPUs überzeugen durch sehr gute Hydrolyse- und Kältebeständigkeit.
Standard-TPUs sind relativ beständig gegen UV-Strahlung und Ozon. Aromatische TPU-Typen können unter UV schneller altern, wogegen aliphatische Sorten UV-stabiler sind – besonders wichtig im Außenbereich.
Vorsicht: Chemische Zusätze (Flammschutzmittel, Weichmacher) im TPU können migrieren. Beim Verbrennen können gesundheitsschädliche Dämpfe entstehen.
Thermische Eigenschaften
Thermoplastisches Polyurethan behält seine Elastizität typischerweise von etwa –40 °C bis +80 °C (je nach Typ). Kurzzeitig kann es bis ca. +100…120 °C eingesetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise im Bereich 180–220 °C.
Im Vergleich zu Silikon und Hochleistungskautschuken (die +200 °C vertragen) sind die Einsatztemperaturen von thermoplastischem Polyurethan begrenzt.
Toxizität und Sicherheitsaspekte
Ausgehärtetes thermoplastisches Polyurethan ist als fester Werkstoff in der Regel unbedenklich und nicht giftig. Kritisch sind jedoch die Ausgangsstoffe: Isocyanate sind reizend und toxisch (beim Einatmen oder Hautkontakt). Bei Herstellung oder Verarbeitung müssen daher Schutzmaßnahmen (Belüftung, Atemschutz, Handschuhe) eingehalten werden.
Im Brandfall kann TPU giftige Gase freisetzen (z. B. Blausäure, Isocyanatdämpfe). Darüber hinaus können Zusätze wie Weichmacher oder Flammschutzmittel ins Produkt eingebracht sein – einige gelten als gesundheitlich bedenklich, da sie migrieren können.
Fazit: Thermoplastisches Polyurethan selbst gilt beim Endprodukt als relativ sicher; die größten Gefahren entstehen im Produktions- (Isocyanate) und Entsorgungs-/Brandfallbereich.
TPU-Typen
Polyester-basierte TPU
Polyether-basierte TPU
Basis: Perfekt für Schläuche, Kabelummantelungen, Medizintechnik (biokompatible Sorten) sowie Anwendungen im Nassbereich. Polyetherpolyole (Diol). Anwendung:Eigenschaften: Etwas geringere Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit als Polyester-Typen. Hervorragende Hydrolysebeständigkeit und Kälteflexibilität, sehr elastisch, verzögert Alterung durch Feuchte. Nachteile:
Thermoplastische Elastomere Herstellung und Verarbeitungsverfahren
Produktionsprozess von TPU
Die thermoplastische Elastomere Herstellung erfolgt industriell durch Polyaddition von Diisocyanaten mit Diolen. Nach dieser Synthese kann thermoplastisches Polyurethan als Granulat (für Schmelzverfahren) oder als Lösung (für Beschichtungen) aufbereitet werden.
Schmelzverfahren: TPU-Granulat wird geschmolzen und formgebend verarbeitet. Lösungsverfahren: TPU wird in Lösungsmittel aufgelöst und dann aufgetragen (Folien, Vliesstoffe), das Lösungsmittel verdampft. Die thermoplastische Elastomere Herstellung ermöglicht flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungsprofile.
Verarbeitungsmethoden
Spritzguss:
TPU-Granulat wird im Spritzguss (180–220 °C) in Metallformen eingebracht. Geeignet für komplexe Teile wie Gehäuse, Griffe oder Schutzhüllen.
Extrusion:
Schmelze wird durch Düsen gezogen, um Profile, Rohre, Folien oder Filamente zu erzeugen (z. B. Kabelummantelung, Schläuche, Dichtungen).
Blasformen:
Thermoplastische Polyurethan-Folie wird in eine Form geblasen, um Hohlkörper oder dünnwandige Rohre zu fertigen.
3D-Druck (FDM/FFF):
Elastische Filamente aus TPU erlauben den additiven Bau flexibler Prototypen und Serienbauteile (z. B. Gelenke, Dichtungen, Stoßdämpfer).
Weitere Methoden:
Kalanderbeschichten (Beschichtungen auf Rollen), Meltblown (nonwoven Vliesstoffe aus TPU).
Anwendungsbereiche von TPU
Maschinenbauindustrie
Thermoplastisches Polyurethan findet Einsatz für formstabile, verschleißfeste Komponenten im Maschinenbau. Beispiele: abriebfest beschichtete Lager und Zahnräder, Gummipuffer und flexible Kupplungen. Überall dort, wo Gummi zu schnell verschleißt oder härtere Kunststoffe (z. B. Nylon) unflexibel sind, bietet thermoplastisches Polyurethan die nötige Kombination aus Elastizität und Festigkeit.
Transportindustrie
Schienen- und Luftfahrt: Türdichtungen, Oberflächenprofile – thermoplastisches Polyurethan bietet Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit.
Elektromobilität: Isolierende Komponenten, robuste Schläuche in Kühlsystemen, EMV-abschirmende TPU-Mischungen.
Agrarindustrie
TPU im Vergleich zu anderen Materialien
TPU vs. Vulkollan®
Vulkollan® ist ein NDI-basierter PU-Cast (Thermoset) mit extrem hoher Zug- und Reißfestigkeit (80–90 Shore A bzw. bis 60 Shore D). Herausragend in Dynamikbelastbarkeit und Dauerfestigkeit – besonders bei wiederkehrenden Hochlastzyklen.
Thermoplastisches Polyurethan ist schmelzverarbeitbar und recycelbar, weist aber geringere dynamische Höchstbelastbarkeit auf. Vulkollan® hat einen niedrigeren Verformungsrest und höhere Kurzzeithitzebeständigkeit. Für extreme mechanische Anforderungen – etwa Schwerindustrie oder hochdynamische Rollen – bietet Vulkollan® die höhere Lebensdauer und Belastbarkeit. TPU punktet mit einfacher Massenfertigung und Variabilität.
TPU vs. Diepothan®
Diepothan® ist ein hochbelastbares Gießpolyurethan (Thermoset) – extrem abrieb- und chemikalienbeständig. Entwickelt für anspruchsvolle Umgebungen (Schiffbau, Pipeline, Offshore), Härtebereich 50–98 Shore A (bis 64 Shore D).
Thermoplastisches Polyurethan ist in der Regel weniger druckfest bei gleichen Härten und erreicht nicht die gleiche Hydrolyse Beständigkeit. Diepothan® ist die erste Wahl bei hohen Temperaturen, aggressiven Medien oder permanenter Feuchtebelastung. TPU ist recyklierbar und konfigurierbar, muss aber Material- und Prozessgrenzen beachten.
TPU vs. Vulkocell®
Vulkocell® ist ein geschlossenzelliges PU-Elastomer (Thermoset) mit mikrozellulärer Struktur (Dichte 300–850 kg/m³). Stark volumenkompressibel bei geringer lateraler Ausdehnung – entscheidend in engen Einbauräumen. Hoch dynamisch belastbar und zudem mit hohen Weiterreißfestigkeit ausgestattet.
Thermoplastisches Polyurethan ist ein kompaktes Material ohne Zellen – zwar elastisch, aber nicht volumenkompressibel. Für Anwendungen mit dynamischen Lasten im begrenztem Bauraum ist Vulkocell® daher besser geeignet!
TPU vs. Diepocell®
Diepocell® ist ein gemischtzelliges PU-Elastomer (Thermoset) mit hervorragender Dämpfung und Energieabsorption. Hohe Volumenkompressibilität bei geringer Querdehnung – ideal für Anschlagpuffer, Stoßdämpfer in Aufzügen, Kran- und Hafentechnik. Nimmt erheblich mehr Energie auf als kompakte Elastomere.
Thermoplastisches Polyurethan leistet elastische Rückfederung, ist aber als massives Material nicht volumenkompressibel. Für schwere Stoßdämpfung mit großem Verformungsweg ist Diepocell® deutlich leistungsfähiger. Für anspruchsvolle Dämpfungsaufgaben – etwa Hafenpuffer, Krananschläge oder Schwerlast-Stoßdämpfer – bietet Diepocell® die überlegene Performance.
Nachhaltigkeit und Recycling von TPU
Recyclingfähigkeit von TPU
Aufgrund seiner Thermoplastizität kann thermoplastisches Polyurethan recycelt werden: Verschnitt und Ausschuss lässt sich wieder granulieren und einspritzen oder extrudieren. Hersteller sammeln Granulate ein, regenerieren daraus neues Material (Cradle-to-Cradle-Ansatz). Das reduziert Abfall und Materialkosten.
Im Gegensatz dazu sind gegossene PU-Elastomere thermisch vernetzt und nicht rückverformbar. Zukünftige Entwicklungen: Chemische Recyclingverfahren (z. B. Depolymerisation zu Ausgangsmonomeren) sind in Forschung.
Normen und Standards
Es gelten allgemeine Kunststoff-Normen: Zugversuch (DIN EN ISO 527), Härteprüfung (ISO 868), Abrieb (ISO 4649). Für spezifische Anwendungen existieren Standards (z. B. ISO 10993 für Biokompatibilität in Medizintechnik, FDA/LFGB-Zulassung für Lebensmittelkontakt).
conclusión
elastómeros de poliuretanoElastizität, mechanische Festigkeit sowie Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit in einem Material vereint. Dank seiner thermoplastischen Verarbeitbarkeit lässt es sich beliebig oft umformen und recyceln.
In der Praxis findet TPU häufig Verwendung in Bauteilserien mit hohen Stückzahlen ohne herausfordernden Belastungen oder Umgebungsgseinflüssen. Heißgieß-Elastomere hingegen werden häufig in Anwendungen mit hohen dynamischen Belastungen, sowie schwierigen Umgebungseinflüssen oder begrenztem Bauraum eingesetzt. Die Stückzahlen sind häufig auf kleine oder mittlere Seriengrößen beschränkt.
Häufig gestellte Fragen zu PU-Formteilen
Nein: Das fertige thermoplastische Polyurethan ist als festes Polymer normalerweise nicht toxisch. Kritisch sind aber die Ausgangsstoffe – Isocyanate sind giftig und/oder reizend. Beim Verbrennen oder Überhitzen können schädliche Dämpfe entstehen (z. B. Blausäure, Isocyanate). Außerdem können in TPU-Formulierungen Weichmacher enthalten sein, die migrieren können und als bedenklich gelten.
Thermoplastisches Polyurethan ist im Vergleich zu einigen Gieß-PU-Elastomeren weniger dehnbar (geringere Bruchdehnung) und kann unter höchsten Lasten schneller ermüden. Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Polyester-TPUs hydrolysieren bei kombiniert hoher Feuchte und Temperatur und verlieren ihre Festigkeit.
Temperaturgrenzen: Langfristig nutzbar meist nur bis ~+80 °C – darüber nimmt TPU dauerhaft an Festigkeit ab.
Kosten: Hochleistungstypen (UV-stabil, medizintechnisch) sind teurer als Standardkunststoffe.
Nein: Thermoplastisches Polyurethan ist ein Polyurethan-Kunststoff (Kohlenstoffpolymer), während Silikon auf Silizium-Ketten basiert. TPU ist in Härte und Temperaturbereich verschieden: Silikone sind weicher und hitzebeständiger, TPU härter und reißfester.