Teil 3 unserer Serie „Material World“: Thermoplastisches Polyurethan baut die Brücke zwischen Gummi und Kunststoff
Eines ist Dr. Jürgen Hieber, Entwickler bei Freudenberg Sealing Technologies (FST) in Schwalmstadt, gleich zu Beginn des Gesprächs wichtig klarzustellen: „Wir sprechen nicht von normalem Polyurethan, wie es zum Beispiel als Schaum für Matratzen verwendet wird. Bei Freudenberg arbeiten wir mit Thermoplastischem Polyurethan, kurz TPU.“
Dieses TPU ist ein Hybridmaterial, das die Eigenschaften von Gummi und Kunststoff vereint. „Unsere japanischen Kollegen sprechen gerne von Iron Rubber, Eisengummi. Unser Werkstoff verhält sich elastisch dehnbar wie Gummi, ist aber – sinnbildlich – so stabil wie Eisen.“ Diese enorme Festigkeit macht TPU als Dichtungswerkstoff zur ersten Wahl, wenn hohe Drücke walten. Zum Beispiel in der Hydraulik.
Vollbeladene Baggerschaufeln manövrieren
Klassische Anwendung für TPU sind Zylinder, die dafür sorgen, dass sich Baggerschaufeln selbst vollbeladen und komplett ausgefahren sicher manövrieren lassen. In diesen Zylindern kommen Stangen-, Kolbendichtungen und Abstreifer aus TPU zum Einsatz. Hier müssen sie bis zu 400 bar Druck standhalten. Zum Vergleich: Der Reifendruck eines Autos liegt zwischen 2 und 3 bar. Auch in anderen Baumaschinen sowie in Land-, Werkzeugmaschinen und Schlagbohrern sind TPU-Dichtungen gefragt.
Der Standort Schwalmstadt ist das TPU-Kompetenzzentrum von FST. „Wir stellen unser TPU selbst her, haben ungefähr 50 unterschiedliche TPU-Materialien regelmäßig im Einsatz“, erklärt Dr. Hieber und fügt hinzu: „Unser Know-how besteht darin, die richtigen Rohstoffe auszuwählen und in den richtigen Mengen zu kombinieren, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.“ Das verhält sich bei TPU kaum anders als beim Werkstoff Gummi.
Die TPU-Herstellung findet allerdings ganz anders statt, und zwar in großen Reaktoren wie in der chemischen Industrie. Der Fachbegriff für diese chemische Reaktion lautet Polymerisation. Dabei reagieren Polyole, Isocyanate, Kettenverlängerer, Farbstoffe, Fließmittel und Stabilisatoren zu Molekülen mit langen Ketten, sogenannten Polymeren. Ein Zukunftsthema ist, TPU aus biobasierten Rohstoffen herzustellen.
Der Anti-Chipstüten-Effekt
TPU ist nicht nur besonders druckresistent. Es ist extrem ozonbeständig und hält zudem Belastungen durch mineralische Hydraulikmedien gut Stand. Neben seiner Widerstandsfähigkeit und Verschleißfestigkeit steht auch Weiterreißfestigkeit auf der langen Liste der TPU-Pluspunkte. „Weiterreißfestigkeit erkläre ich gerne mit dem Chipstüten-Effekt. Eine Chipstüte lässt sich am Anfang oft schwer öffnen, es braucht Kraft. Doch ist die Tüte erst einmal aufgerissen, reißt sie sehr schnell weiter auf. Nicht jedoch bei TPU. Wenn es verletzt oder eingeschnitten ist, reißt es nicht weiter. Das sorgt für eine lange Lebensdauer.“ Bei hohen Temperaturen stößt das „Eisengummi“ allerdings an seine Leistungsgrenzen. Bei 120 Grad Celsius ist gewöhnlich Schluss.
Ein positiver Aspekt in Sachen Nachhaltigkeit: Angüsse lassen sich beim Werkstoff TPU einschmelzen, regranulieren, also wiederverwenden. Das geht bei Gummi nicht.
Rollen statt dichten
Zwei-Komponenten-Verbindungen mit Metall oder anderen Kunststoffen sind bei TPU ebenfalls möglich – auch jenseits klassischer Dichtungsanwendungen. Ein höchst interessanter Einsatzbereich sind sogenannte Texturierscheiben. Texturierung heißt ein Veredelungsprozess für Kunstfasern in der Textilindustrie. Dabei werden an Angelschnüre erinnernde glatte Kunstfaserfäden mit enormer Geschwindigkeit über sich rasant drehende Laufscheiben mit definierter Oberfläche geführt. Diese aufrauenden Texturierscheiben verleihen den Fäden eine bauschige baumwollartige Struktur samt entsprechenden Eigenschaften. FST versorgt den global führenden Hersteller dieser Friktionsscheiben mit einer Zwei-Komponenten-Lösung: Das Lead Center in Schwalmstadt bringt auf ein kreisrundes Kunststoffträgerteil ringsum einen Belag aus TPU auf. Beide Komponenten verkrallen sich dabei rein mechanisch ineinander.
TPU statt PTFE?
Was die Zukunft des Werkstoffs TPU angeht, sind weitere Anwendungen in der Marktnische „Scheiben und Rollen“ denkbar. Ein zusätzlicher Ansatzpunkt in Richtung morgen und übermorgen ist der Ersatz des Highend-Werkstoffs PTFE durch TPU. PTFE gehört zu den schwer abbaubaren „Ewigkeitschemikalien“, Fachbegriff PFAS, auf die der Gesetzgeber auf internationaler Ebene ein kritisches Auge geworfen hat. „PTFE hat Alleinstellungsmerkmale in puncto Temperatur- und Medienbeständigkeit, die TPU nicht erfüllen kann. PTFE wird aber bisher in Zylindern oft auch an Stellen eingesetzt, an denen seine hohe Performance gar nicht gebraucht wird. Hier bieten wir mit TPU eine verlässliche Alternative“, blickt Hieber nach vorn.
Farbliche Akzente
Eine Dichtung ist (ruß-)schwarz? Bei Weiten nicht immer! TPU zum Beispiel ist hellbeige. Es lässt sich wie alle Thermoplaste gut einfärben. Zum Beispiel in Freudenberg-Blau. Diese Farbe repräsentiert zum einen das Unternehmen. Zum anderen steht die Farbe Blau in Lebensmittelmaschinen hoch im Kurs. Denn: Kein Lebensmittel ist blau. So würde ein ungewollt aus dem Dichtungswerkstoff herausgelöster Partikel sofort ins Auge fallen.
