TPU vs. Silikon: Ein ausführlicher Vergleich zwischen zwei Materialien

Bei der Materialauswahl für Produkte in verschiedenen Branchen – von Konsumgütern bis hin zu medizinischen Geräten – kann das Verständnis der Eigenschaften und der Anwendung von thermoplastischem Polyurethan (TPU) und Silikon sehr wichtig sein.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die vielfältigsten und bedeutsamsten Eigenschaften, Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen TPU und Silikon. So können Sie die richtige Entscheidung treffen, die speziell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten ist.

TPU und Silikon verstehen

1. Über TPU

1.1. Was ist TPU? Typische Anwendungen

TPU ist ein synthetisches Polymer, das die Flexibilität von Gummi mit der Festigkeit von Kunststoff verbindet. Es eignet sich daher perfekt für Produkte, die widerstandsfähig gegen alltägliche Abnutzung sein müssen. Viele Hersteller wählen TPU häufig für:

• Handyhülle: TPU-Handyhüllen sind für ihre Langlebigkeit und gute Griffigkeit bekannt und schützen Geräte vor Stürzen und Kratzern.
• Tragbare Geräte: Die Flexibilität von TPU ist perfekt für den Tragekomfort von Armbändern und Zubehör, die eng und ohne Spiel sitzen müssen.
• Autoteile: Die Öl- und Abriebbeständigkeit von TPU verschafft ihm gegenüber Fahrzeugkomponenten, die einem Verschleiß ausgesetzt sind, einen Vorteil.
• Industrielle Anwendungen: Bei Produkten, die eine höhere Haltbarkeit unter anspruchsvollen Bedingungen erfordern, ist die Robustheit von TPU ein großes Plus.

1.2. Die Chemie von TPU

Thermoplastisches Polyurethan (TPU) wird in einem zweistufigen chemischen Prozess hergestellt, bei dem aus verschiedenen Monomeren ein sowohl hartes als auch weiches Polymer aufgebaut wird. 

• Polykondensationsreaktion

Bei der Polykondensation handelt es sich zunächst um eine Reaktion zwischen zwei Arten von Monomeren, nämlich Diolen und Diisocyanaten. Diese Stoffe sind für die Bildung des Grundprepolymers TPU unabdingbar.

• Diole: Diese Verbindungen sind langkettige Moleküle, die zwei Hydroxylgruppen (-OH) enthalten. Die ausgedehnte Struktur des Moleküls ermöglicht die Bildung fester Bindungen und Flexibilität dank der Polymerbildung.
• Diisocyanate: Diese langkettigen Moleküle enthalten zwei Isocyanatgruppen (-NCO), wodurch sie effektiv mit Diolen reagieren können. Die hochwertigen Diisocyanate sorgen für minimale Verunreinigungen, was für die Herstellung eines starken, konsistenten Präpolymers unerlässlich ist.

Bei der Polykondensation verbinden sich Diole und Diisocyanate unter kontrollierten Bedingungen und bilden ein Präpolymer mit reaktiven Enden. Dieses Präpolymer bildet die Grundlage für die Flexibilität und Haltbarkeit von TPU.

• Kettenverlängerung

Als nächstes durchläuft das Präpolymer einen Kettenverlängerungsprozess. Dann wird ein Kettenverlängerer an die Enden des Präpolymers angefügt, was zu längeren Polymeren führt. Diese Phase des Prozesses ist der Grundstein einer langkettigen Polymerstruktur, die als integraler Bestandteil von TPI-Elastomeren dient. Dadurch können Elastomere mit hoher Verschleißfestigkeit und hoher Elastizität hergestellt werden.

Das Endprodukt, TPU, ist ein thermoplastischer Polymer, der eine Kombination aus Härte und Flexibilität bietet.

1.3. Klassifizierung von TPU

Normalerweise wird TPU je nach Zusammensetzung in zwei Typen eingeteilt: auf Polyesterbasis und auf Polyetherbasis.

• TPU auf Polyesterbasis ist stark und zäh und eignet sich daher für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Da es ein Polyester-Rückgrat besitzt – es bildet die Basis dafür –, weist dieses Material die besten mechanischen Eigenschaften auf.
• TPU auf Polyesterbasis besteht aus einem Polyether-Grundgerüst und ist sehr stark und beständig gegen Hydrolyse und niedrige Temperaturen. Daher eignet es sich perfekt für Produkte, die Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Häufige Anwendungsgebiete sind Sportausrüstung und Outdoor-Equipment.

2. Über Silikon

2.1. Was ist Silikon? Typische Anwendungen

Silikon ist ein flexibles Elastomer mit ausgezeichneter Hitzebeständigkeit, chemischer Stabilität und ungiftigen Eigenschaften, weshalb es für Produkte in den Bereichen Küche, Medizin und Isolierung hoch geschätzt wird. Silikon ist ideal für:

• Küchengeschirr: Aufgrund der hohen Hitzebeständigkeit eignet sich Silikon hervorragend für Backgeschirr, Spatel und andere Kochutensilien.
• Medizinische Geräte: Silikon ist ungiftig und biokompatibel, daher ist es ein wirksames Material für gesundheitsbezogene Produkte.
• Isolierung: Aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften wird Silikon häufig in der Elektronik verwendet.
• Dichtungen und Dichtungsringe: Bei Rohrleitungs- oder Industrieanwendungen fungiert Silikon als langlebiger und flexibler Bestandteil, der dabei hilft, dichte und langlebige Dichtungen zu bilden.

2.2. Die Chemie des Silikons

Silikon besteht aus einer Silikon- und Sauerstoffkette, die ein langes und flexibles Netzwerk bildet. Dank dieser Vielfalt zeichnet sich Silikon dadurch aus, dass es seine Besonderheiten Flexibilität, Hitzebeständigkeit und Stabilität zeigen kann. Wie also wird Silikon genau hergestellt?

• Aufbau des Silikon-Rückgrats

Silikon beginnt mit Silizium- und Sauerstoffatomen, die in Reparatureinheiten angeordnet sind und eine starke, flexible Kette bilden, die als Siloxanbindung (Si-O-Si) bezeichnet wird.

An diese Silizium-Sauerstoff-Kette werden kleine organische Gruppen, wie Methyl (-CH₃), angehängt, die verändert werden können, um das Verhalten von Silikon anzupassen. Diese Seitengruppen machen Silikon je nach gewünschten Eigenschaften flexibler oder wasserbeständiger.

• Polymerisationsprozess

Um Silikon herzustellen, reagiert Silikon mit anderen Chemikalien und bildet kleine Bausteine, sogenannte Silanole. Diese Silanole verbinden sich dann zu langen Ketten und bilden das Silikonpolymer. Bei diesem Schritt wird Wasser als Nebenprodukt freigesetzt.

• Aushärtung für mehr Stärke

Silikon härtet häufig aus oder lässt sich nur schwer haltbar machen. Dies kann durch Additionshärtung geschehen, bei der Nebenprodukte freigesetzt werden, die in medizinischem Silikon nicht vorhanden sind, oder durch Kondensationshärtung. Dies ist ein Prozess, bei dem Nebenprodukte freigesetzt werden und der daher häufig in industriellem Silikon verwendet wird.

2.3. Silikonarten

Silikontypen werden auf verschiedene Leistungsanforderungen zugeschnitten und häufig von den Herstellern individuell angepasst. Hier sind einige gängige Typen:

• Methyl-Silikone: Diese Silikone zeichnen sich durch Wasserbeständigkeit und Temperaturstabilität aus und werden am häufigsten in feuchtigkeitsbezogenen Anwendungen verwendet.
• Vinyl-Silikone: Diese werden durch die Zugabe von Vinylgruppen modifiziert, die dazu beitragen, dass die Silikone in einer feuchteren oder wärmeren Umgebung haltbar bleiben. Deshalb werden sie häufig für anspruchsvollere Anwendungen verwendet.
• Fluorsilikone: Durch das Vorhandensein eines fluorierten Grundgerüsts sind diese Silikone widerstandsfähiger gegen Chemikalien und Öle. Daher können mit diesen Silikonen Produkte hergestellt werden, die aggressiven Substanzen ausgesetzt sind.
• Phenyl-Silikone: Dank ihrer einzigartigen Ringstruktur können Phenylsilikone eine ausgezeichnete Wahl für Hochtemperaturanwendungen sein, da sie sowohl Stabilität als auch Flexibilität bieten.

Physikalische und chemische Eigenschaften von TPU und Silikon

1. Eigenschaften von TPU

TPU ist dank seiner hohen Belastbarkeit und Flexibilität besonders wertvoll und damit das richtige Material für Dinge, die den unsichersten Bedingungen und ständiger Abnutzung ausgesetzt sind.

• Hervorragende Flexibilität und Elastizität: Die Flexibilität und Elastizität von TPU ermöglichen eine Dehnbarkeit ohne zu brechen und es ist ideal für Produkte wie Handyhüllen und Uhrenarmbänder, die wiederholt gebogen, gedehnt und in ihre ursprüngliche Form zurückgebracht werden müssen.
• Hohe Abriebfestigkeit: TPU ist äußerst widerstandsfähig gegen Materialbeschädigungen oder Oberflächenabrieb und eignet sich daher hervorragend für Produkte, die wiederholt Reibung oder Stößen ausgesetzt sind, wie etwa Autoteile oder Koffer.
• Chemische Beständigkeit: TPU ist aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegen Öl, Chemikalien und Fette eines der chemikalienbeständigsten Materialien. Produkte aus TPU besitzen die Eigenschaft, in solchen Umgebungen dem Abbau standzuhalten, sodass ihre Leistung gut erhalten bleibt.
• Wasserdicht und wetterfest: Die Wasserundurchlässigkeit von TPU ermöglicht den Einsatz als Teil von Geräten oder Materialien im Außenbereich, die Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Dies gilt umso mehr, als es aufgrund seiner Wasserdichtigkeit nicht witterungsanfällig ist.
• Mäßige Hitzebeständigkeit: TPU ist bis zu einem gewissen Grad hitzebeständig, in den meisten Fällen etwa 100 °C, einige halten bis zu 130 °C aus. Es ist jedoch nicht für Anwendungen mit hohen Temperaturen geeignet, da seine Hitzebeständigkeit im mittleren Bereich liegt.
• Aufwendiger Recyclingprozess: TPU kann leicht recycelt und wiederverwendet werden, da TPU-Abfallmaterialien nach dem Zerkleinern in einem Brecher wiederverarbeitet werden können. Daher ist es für umweltbewusste Kunden interessant und kann auf umweltfreundlichen Märkten verkauft werden.
  
• Hohe Scherfestigkeit: Die Fähigkeit von TPU, Scherkräften zu widerstehen, macht dieses Material zur richtigen Wahl für stark beanspruchte Anwendungen, beispielsweise industrielle Dichtungen und Dichtungsringe. Diese Eigenschaft verhindert Risse und Verformungen und sorgt dafür, dass die Struktur des Produkts auch unter Druck seine Integrität behält.
• Kann klar hergestellt werden: Die Transparenzfähigkeit von TPU verleiht Produkten, bei denen Sichtbarkeit erforderlich ist, wie etwa Schutzhüllen oder Etuis, bei denen das Design des Produkts durchscheinen muss, ohne den Schutz zu beeinträchtigen, einen ästhetischen und funktionalen Reiz.
• Öl- und Fettbeständigkeit: TPU ist ölbeständig und daher ideal für Autoteile, industrielle Anwendungen oder jedes Produkt, das ölhaltigen Umgebungen ausgesetzt ist. Diese Beständigkeit verringert den Abbau und verlängert die Produktlebensdauer unter schwierigen Bedingungen.

2. Eigenschaften von Silikon

Die Eigenschaften von Silikon machen es zu einem sehr anpassungsfähigen Material, das vor allem für seine Fähigkeit geschätzt wird, seine Struktur auch unter rauen Umweltbedingungen beizubehalten und für seine Ungiftigkeit.

• • Hohe Wärmeformbeständigkeit: Silikon besitzt bis zu einer Temperatur von 200°C, und einige halten sogar 350 °C aus. Einige bemerkenswerte und geeignete Artikel sind Backgeschirr, Kochgeschirr, Utensilien usw.
  • Ungiftig und hygienisch: Wenn es um hochwertige Materialien für Anwendungen in der Lebensmittel- und Medizinbranche geht, ist Silikon die beste Wahl. Da Silikon ein ungiftiges Material ist, kann es die gesetzlichen Normen für Biokompatibilität erfüllen. 
  • Vielseitige Formulierung: Silikon wird in verschiedenen Qualitäten für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt, beispielsweise im Bauwesen und sogar im Gesundheitswesen. Somit ist jede Qualität ein Teil, das gut zu einer bestimmten Anwendung passt und es den Herstellern ermöglicht, die unterschiedlichen Anforderungen des Marktes zu erfüllen.
  • Chemische und thermische Stabilität: Die Beständigkeit von Silikon gegenüber chemischer Belastung und extremen Temperaturen gewährleistet seine Langlebigkeit, insbesondere in rauen Umgebungen. Diese Qualität ist eine der am meisten bevorzugten Optionen bei Anwendungen, bei denen Materialstabilität erforderlich ist, wie z. B. bei medizinischen Geräten und Laborausrüstung.
  • Hervorragende elektrische Isolierung: Aufgrund seiner sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit ist Silikon ein hervorragender Isolator und schützt somit elektronische Teile vor elektrischen Störungen. Es eignet sich hervorragend für elektronische Geräte, Kabel usw.

• Flexibel und elastisch: Die Flexibilität von Silikon sorgt für eine angenehme Weichheit. Die Stoßfestigkeit und Flexibilität sind möglicherweise die Schlüsseleigenschaften, um die integralen Teile des Geräts bei Stößen zu schützen.

• Geringere Reißfestigkeit: Obwohl es dehnbar ist, hat Silikon im Gegensatz zu TPU eine viel geringere Reißfestigkeit und bricht in Situationen mit hohem Druck leichter. Dies ist wichtig für Gegenstände, die intensiver oder wiederholter Belastung ausgesetzt sind. 

Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen TPU und Silikon

Ähnlichkeiten von TPU und Silikon

• Branchenübergreifend für viele Anwendungen einsetzbar

TPU und Silikon sind beides hochflexible Materialien, die in den Bereichen Konsumgüter, Automobil, Medizin und Industrie weit verbreitet sind. 

Ihre Einsatzbereitschaft unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Leistungsanforderungen. Und das ist ein klares Indiz dafür, sie als vertrauenswürdige Option für Produkte auszuwählen, die langlebig, elastisch oder hitzebeständig sein müssen.

TPU wird beispielsweise häufig für stoßempfindliche Anwendungen wie Handyhüllen verwendet, während Silikon aufgrund seiner Hitzebeständigkeit in Backformen und medizinischen Geräten Verwendung findet.

• Synthetischer Ursprung und Anpassbarkeit

TPU und Silikon gehören zu den synthetischen Polymeren, ihre chemische Struktur unterscheidet sich jedoch erheblich. Sie haben denselben synthetischen Ursprung, sodass Hersteller Materialien mit besonderen Eigenschaften herstellen können, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

Ihre Kunststoffbeschaffenheit verleiht ihnen hohe Stabilität und eignet sich optimal für die Herstellung von zum Beispiel hochpräzisen medizinischen Geräten oder Automobildetails.

• Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit

Die Verschleißfestigkeit ist die gemeinsame Eigenschaft von TPU und Silikon. Die gemeinsamen Monomere in beiden Polymeren sind für ihr problemloses Verhalten gegenüber Oberflächenabrieb und physischer Abnutzung verantwortlich. Dies gewährleistet ihren Einsatz in Anwendungen, bei denen es auf Festigkeit ankommt.

Aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit eignen sich TPU und Silikon hervorragend für Produkte, die häufigem Gebrauch oder mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind, wie etwa Handyhüllen und Autodichtungen.

Unterschiede zwischen TPU und Silikon

• Kann recycelt werden und ist umweltfreundlich

Sowohl TPU als auch Silikon sind umweltfreundlich und unterscheiden sich nur geringfügig in der Recyclingfähigkeit. TPU ist aufgrund seiner thermoplastischen Beschaffenheit zwar schwer zu recyceln, es gibt aber auch biologisch abbaubare Varianten, die umweltbewusste Verbraucher lieben.

Silikon hingegen wird häufiger recycelt, da es ungiftig ist und in Anlagen verarbeitet werden kann, die über Hochtemperatur-Behandlungsgeräte verfügen. Unternehmen, die umweltfreundliche Produktwerbung betreiben, können diese Teile verwenden, insbesondere für Verbraucher, die umweltfreundliche Alternativen suchen.

• Einfache Verarbeitung und Herstellung

Man unterscheidet zwischen TPU und Silikon in der Herstellung. TPU ist ein thermoplastischer Kunststoff, der durch Erhitzen formbar wird und nach dem Abkühlen aushärtet.

Silikon ist ein duroplastisches Elastomer und durchläuft einen Aushärtungsprozess, der seine Struktur fixiert und ein erneutes Schmelzen verhindert. 

Dies hat Auswirkungen auf die Herstellbarkeit: TPU lässt sich viele Male wiederverarbeiten, wohingegen Silikon nach der Aushärtung seine Struktur behält und somit sehr hitzebeständig ist.

• Leistungs- und Qualitätsschwankungen

Die wesentlichen Eigenschaften der Materialien TPU und Silikon weisen unterschiedliche Vorteile auf. TPU ist langlebig, flexibel und stoßfest, weshalb es sich gut für Konsumprodukte wie Koffer und Sportgeräte eignet.

Silikon wiederum zeichnet sich durch chemische Stabilität, ungiftige Wirkungen und Hitzebeständigkeit aus, wodurch es dort eingesetzt werden kann, wo Sterilität sehr wichtig ist. Einige typische Produkte aus Silikon sind medizinische Geräte und Küchenutensilien. Die besonderen Eigenschaften jedes Materials führen dazu, dass es je nach Endanwendungsumgebung angezeigt/verwendet wird.

• Anwendungseignung

Materialien für verschiedene Nischen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften:

• TPU ist eine gute Wahl in Situationen, in denen Abriebfestigkeit, Flexibilität und Haltbarkeit von größter Bedeutung sind. Beispiele hierfür sind Handyhüllen, Sportartikel, Schuhe und einige Autoteile. Seine Elastizität und Schlagfestigkeit sind wichtige Eigenschaften für Gegenstände, die häufigen physischen Belastungen ausgesetzt sind.
• Silikon eignet sich am besten für spezielle Anwendungen, bei denen eine hohe Hitzebeständigkeit, chemische Inertheit und fehlende Biokompatibilität erforderlich sind. Beispielsweise medizinische Artikel, Backgeschirr, Dichtungsmittel und Autoteile wie Dichtungen, Schläuche usw.
• Kosten

Im Allgemeinen ist die Herstellung von TPU kostengünstiger als die von Silikon, insbesondere bei großvolumigen Verbraucheranwendungen. Die Produktionskosten von Silikon sind aufgrund des Aushärtungsprozesses und der höheren Rohstoffkosten höher, weshalb Silikonprodukte oft zu einem höheren Preis vermarktet werden.

Verkäufer können diesen Kostenunterschied nutzen, um je nach Zielmarkt das beste Material zu bestimmen: TPU für kostensensible Produkte und Silikon für Hochleistungsartikel mit Premium-Preispotenzial.

• Haltbarkeit im Laufe der Zeit

Silikon ist in der Regel langlebiger als TPU-Varianten, da es sowohl UV-beständig als auch unter rauen Umweltbedingungen stabil ist. Im Gegensatz zu TPU-Varianten können Silikonmaterialien hohen Temperaturen und UV-Strahlen standhalten und bleiben intakt.

TPU kann jedoch recycelt werden, vergilbt jedoch und wird unter diesen Bedingungen spröde. Unter den Materialien, deren wichtigste Eigenschaft eine lange Lebensdauer ist, kann Silikon die beste Wahl sein, während TPU sich hervorragend für nicht kritische mittel-/langfristige Anwendungen eignet.

Zusammenfassung

Kurz gesagt sind TPU und Silikon zwei sehr formbare Materialien, die jeweils über hervorragende Eigenschaften verfügen. TPU ist besonders abriebfest und flexibel und eignet sich daher für stoßanfällige Anwendungen. Gleichzeitig ist Silikon unschlagbar hitzebeständig und chemisch stabil, was es zur besten Wahl für Küchengeschirr und medizinische Geräte macht.

Die endgültige Entscheidung zwischen den beiden kann nur unter Berücksichtigung Ihrer speziellen Anwendungsanforderungen sowie technischer Überlegungen und Budgetbeschränkungen getroffen werden.