Soft-Touch mit Siliconen

Verbraucher erwarten von Kunststoffoberflächen zunehmend, dass sie sich samtig-weich anfühlen und selbst nach intensivem Gebrauch noch hochwertig aussehen. Mit einem neuen siliconbasierten Additiv können Verarbeiter die Härte von thermoplastischen Elastomeren auf einfache Weise verringern und für eine angenehme Haptik sorgen.

Thermoplastische Elastomere – kurz TPE – sind für ihre guten mechanischen Eigenschaften, ihre Verschleißfestigkeit und Kälteflexibilität bekannt. Sie sind in vielen Artikeln aus dem Sport- und Freizeitbereich ebenso zu finden wie in der Mikroelektronik, dem Maschinenbau sowie der Automobil-, Elektro- und Medizintechnik.

Die in großen Mengen hergestellten und verarbeiteten Standardtypen der thermoplastischen Polyurethan-Elastomere (TPU) sind in der Regel relativ hart – typisch sind Shore-Härten von etwa 80 A bis 45 D. Bauteile, die aus solchen Typen hergestellt wurden, fühlen sich oftmals ein wenig gummiartig und stumpf an. Gute haptische Eigenschaften sind jedoch ein wichtiges Qualitätsmerkmal für Artikel, die der Konsument immer wieder berührt oder die er direkt am Körper trägt.

„Auf dem Markt befinden sich allerdings nur wenige weiche TPU-Typen“, sagt Dr. Peter Randel vom Technischen Marketing Plastics & Coatings bei WACKER SILICONES. „Sie sind schwierig herzustellen; in vielen Fällen enthalten sie Weichmacher, die aus dem Kunststoff migrieren und andere Gegenstände kontaminieren können.“

Kunststoffhersteller und Compoundeure suchen daher Möglichkeiten, thermoplastische Polyurethan-Elastomere weicher zu machen und ihnen möglichst genau die vom Verbraucher erwartete Haptik mitzugeben, ohne dabei andere Eigenschaften des Kunststoffs merklich zu verschlechtern. Ziel ist letztendlich, dem Werkstoff neue Anwendungen zu erschließen. Einen einfachen Weg dazu eröffnet das neue siliconbasierte Additiv GENIOPLAST^® Pellet 345, das WACKER auf der diesjährigen internationalen Messe für Kunststoff und Kautschuk, der K 2019, erstmals einem breiten Fachpublikum vorstellt.

Wenn sich Konsumenten für ein Produkt entscheiden, geben häufig das Aussehen und die haptischen Eigenschaften den Ausschlag. „Im Trend liegen derzeit Soft-Touch-Oberflächen“, erklärt Dr. Randel. „Also Oberflächen, die sich samtig-weich und trocken anfühlen und der Hand schmeicheln.“ Soft-Touch-Oberflächen sind nicht nur bei Kunststoffen im Automobil­innenraum gefragt. Verbraucher erwarten das samtig-­weiche Griffgefühl immer häufiger auch bei anderen Anwendungen, etwa bei Smartphone-Hüllen und bei den sogenannten Wearables. Als Wearables werden tragbare Mikrocomputer bezeichnet, die mit anderen Geräten – etwa dem Smartphone – vernetzt sind und Daten über Aktivitäten des Nutzers aufnehmen, erfassen und auswerten. Beispiele sind Activity-Tracker, Fitness-Armbänder und Smartwatches.

Solche Mikrocomputer werden oft als Accessoire am Arm getragen. Gehäuseschale und Armband eines Wearables müssen nicht nur mit einer guten Festigkeit und Elastizität für den Schutz der teuren Geräte sorgen, sondern auch schick aussehen und zudem weich genug sein, um den hohen Anforderungen an das Griffgefühl genügen zu können.

Die Entwicklungsarbeiten führten zu einem polar modifizierten Silicon-Copolymer, aufgebaut aus elastischen Silicon-Weichsegmenten und funktionellen, polaren organischen Polymersegmenten. Der Anteil und das Molekulargewicht der jeweiligen Copolymer-Segmente wurden optimiert, um die in den Endprodukten angestrebten Eigenschaften zu erreichen und gleichzeitig eine gute Verarbeitung des Silicon-Copolymers zu gewährleisten. Resultat war das neue Additiv GENIOPLAST^® Pellet 345. Mit diesem Produkt ergänzt die Wacker Chemie AG ihr Sortiment der siliconbasierten Performance-Additive, die in der Kunststoff­industrie bei der Compoundierung thermoplastischer Kunststoffe eingesetzt werden.

„Anders als gewöhnliche Siliconelastomere ist unser neues, modifiziertes Silicon nicht chemisch, sondern physikalisch vernetzt“, betont Dr. Schäfer. Zwischen einzelnen Segmenten sich berührender Moleküle dieses Silicon-Copolymers bilden sich nicht-kovalente Bindungen aus, welche die Moleküle fest zusammenhalten. Der Zusammenhalt ist jedoch schwächer als bei einer chemischen Vernetzung: Diese Bindungen können damit durch Wärmezufuhr gezielt gelöst werden; sie bilden sich jedoch beim Abkühlen erneut aus. Somit lässt sich das neue Additiv thermoplastisch verarbeiten. Das Additiv wurde im anwendungstechnischen Labor von Dr. Schäfer eingehend geprüft. Neben den Verarbeitungseigenschaften standen dabei seine Wirkungen im Vordergrund: Modifiziert es die technischen Eigenschaften der Kunststoffe in der gewünschten Weise? Wie wirkt es sich auf die haptischen Eigenschaften aus? Mit welchen Nebenwirkungen ist zu rechnen? Die Ergebnisse bestätigen die Tragfähigkeit des von den Entwicklern verfolgten Konzepts.

Um die Wirkungen des neuen Additivs zu untersuchen, stellten die WACKER-Techniker Prüfkörper aus thermoplastischen Elastomeren her, denen sie GENIOPLAST^® Pellet 345 in unterschiedlichen Dosierungen zugesetzt hatten. Bei den ausgewählten Polyurethanen handelte es sich um handelsübliche TPU-Typen mit Härten zwischen 70 und 90 Shore A und Reißfestigkeiten zwischen 25 und 50 Megapascal.

Die Prüfungen ergaben, dass die Dosierung des neuen Additivs einen sehr starken Einfluss auf die Effekte ausübt. In niedrigen Einsatzmengen – bis etwa zehn Prozent – wirkt sich die Additivzugabe vor allem auf die Oberflächeneigenschaften, jedoch nur sehr geringfügig auf die Härte, Festigkeit und Elastizität des Kunststoffs aus. So reduziert sich bei geringer Additiv­zugabe der Gleitreibungskoeffizient (CoF-Wert) und verbessern sich die Abrieb- und die Kratzfestigkeit. Wurden fünf Prozent GENIOPLAST^® Pellet 345 zugegeben, verringerte sich im Abriebtest nach DIN ISO 4649 A die Menge des abgeriebenen Materials um durchschnittlich etwa 60 Prozent.

Die verbesserten Oberflächeneigenschaften machen sich zum Beispiel bei Smartphone-Hüllen positiv bemerkbar: Viele Nutzer stecken ihr Smartphone in die Hosentasche und ziehen es täglich Dutzende Male heraus. Die Oberfläche einer besonders abrieb- und kratzfesten Schutzhülle bleibt länger optisch ansprechend. Zudem trägt die geringere Oberflächenreibung dazu bei, dass der gummiartige Charakter der Oberfläche verschwindet und sich die Hülle gut anfühlt. Bei Einsatzmengen ab etwa zehn Prozent ändern sich die mechanischen Eigenschaften und die Härte des Kunststoffs merklich. Je mehr GENIOPLAST^® Pellet 345 in das thermoplastische Polyurethan-Elastomer eingearbeitet wird, desto weicher wird der Kunststoff. Die Härte nimmt dabei nahezu linear mit der Einsatzmenge ab. Als Faust­regel fanden die Techniker um Oliver Schäfer, dass ein Zusatz von zehn Prozent die Härte des thermoplastischen Kunststoffs um etwa fünf Punkte auf der Shore-A-Skala verringert.

Die Reißdehnung erhöht sich durch die Additivzugabe und wird in der Regel maximal bei Einsatzmengen zwischen 10 und 20 Prozent. Die vergrößerte Dehnbarkeit spiegelt eine höhere Elastizität wider und stellt ebenfalls einen erwünschten Effekt dar. So muss etwa eine Smartphone-Hülle elastisch genug sein, um das empfindliche Smartphone zuverlässig vor Stößen schützen zu können.

Die Anwendungstechniker beobachteten aber auch, dass die Festigkeit des Kunststoffs bei Einsatzmengen von über zehn Prozent abnimmt – eine unerwünschte Nebenwirkung, die sich nicht vermeiden lässt und auch bei konkurrierenden Technologien auftritt. Wird die Einsatzmenge von GENIOPLAST^® Pellet 345 von 10 auf 30 Prozent erhöht, kann sich zum Beispiel die Reißfestigkeit halbieren. Die Verringerung der Reißfestigkeit kann der Compoundeur ausgleichen, indem er eine entsprechend reißfeste TPU-Type als Matrix auswählt. Ein Benchmarking von weichen TPU-Compounds gleichen Härtegrads ergab, dass die Festigkeitsverringerung mit dem neuen Additiv vergleichsweise schwach ausfällt: „Die Festigkeitswerte der Compounds, die mit GENIOPLAST^® Pellet 345 hergestellt wurden, waren jedenfalls deutlich besser als die Werte der geprüften Vergleichsprodukte“, betont Oliver Schäfer. Wenn es um das optische Erscheinungsbild eines Kunststoffartikels geht, spielt neben der Kratz- und Abriebfestigkeit auch die Verschmutzungsneigung eine wichtige Rolle. Gerade Smartphones, Wearables und andere mobile Geräte der Unterhaltungselektronik samt zugehörigen Kabeln kommen im Gebrauch oftmals mit Substanzen in Kontakt, welche die Oberflächen verfärben können. Besonders starke und hartnäckige Verfärbungen verursachen Senf und der in Jeans verwendete Farbstoff Indigo.

Die großen Unternehmen der Unterhaltungselektronik-Branche haben Listen mit Sub­stanzen erstellt, deren verfärbende Wirkung in sogenannten Staining-Tests geprüft wird. Die WACKER-Anwendungstechniker führten die vorgeschriebenen Untersuchungen mit den aufgelisteten Substanzen durch und fanden heraus, dass das neue Additiv die unerwünschten Farbänderungen bei thermoplastischen Elastomeren verringert.

Eigenschaften, die durch die Polyurethanmatrix vorgegeben sind, lässt das neue Additiv unverändert. So behält das thermoplastische Polyurethan-Elastomer seine naturgemäß guten Haftungseigenschaften auf etlichen polaren Thermoplasten. Auch auf die chemische und die Hitzebeständigkeit hat das Additiv keinen Einfluss.

Wegen der unverändert guten Haftung eignet sich ein Blend aus TPU und GENIOPLAST^® Pellet 345 als Weichkomponente für Hart-weich-Verbunde, wie sie etwa von Zahnbürstengriffen bekannt sind. „Solche Verbunde können kostengünstig im Zweikomponenten-Spritzguss hergestellt werden, wobei ein polarer, harter Thermoplast als Hartkomponente dient“, betont Dr. Peter Randel, der die Vermarktung des neuen Additivs verantwortet.

Mit GENIOPLAST^® Pellet 345 können die Hersteller von thermoplastischen Elastomeren ihre Position auf dem stark wachsenden Markt der mobilen Unterhaltungs- und Mikroelektronik stärken. „Zum Einsatz kommen können solche Compounds bei allen Artikeln, bei denen die Verbraucher eine Soft-Touch-Oberfläche und dauerhaft gutes Aussehen erwarten“, erklärt Dr. Randel. Kabelmäntel für Lade- oder Kopfhörerkabel, Gehäuseschalen von Laptops, Tablet-Computern oder Spielekonsolen sowie Griffe von Werkzeugen oder Tennisschlägern und Griffelemente von Skistöcken bieten ein großes Anwendungsspektrum. Weil GENIOPLAST^® Pellet 345 gut an die Polyurethanmatrix angebunden ist, kann es zudem nicht aus dem Kunststoff herausmigrieren. In Europa hat es bereits die Zulassung für Lebensmittelanwendungen erhalten.

Prinzipiell – so die Einschätzung der Entwickler und Anwendungstechniker – eignet sich GENIOPLAST^® Pellet 345 auch zur Modifizierung von thermoplastischen Polyamid-Elastomeren (TPA) und thermoplastischen Copolyester-Elastomeren (TPC). Entsprechende Versuche werden derzeit in den anwendungstechnischen Labors von WACKER durchgeführt. „Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend“, erklärt Dr. Oliver Schäfer.