Beschreibung der Kunststoffe (M.A. Avondet)

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1 Beschreibung der Kunststoffe (M.A. Avondet) Die Polymerwerkstoffe können nach den verschiedensten Kriterien in Gruppen eingeteilt werden. Eine häufig angewendete Einteilung stützt sich auf strukturelle Merkmale ab und ist folgendermassen gegliedert: lineare Makromoleküle schwach vernetzte Makromoleküle stark vernetzte Makromoleküle Thermoplaste Elastomere Duroplaste Weitere Einteilungen ergeben sich z.b. aufgrund der chemischen Zusammensetzung: C, H Polymere (Beispiel Polyethylen) C, H, N, O Polymere (Beispiel Polyamide) C, H, X Polymere (Beispiel Polyvinylchlorid) C, H, O, Si Polymere (Beispiel Siliconkautschuk) C = Kohlenstoff H = Wasserstoff N = Stickstoff O= Sauerstoff X = Halogene wie Chlor oder Fluor Si= Silizium Eine Einteilung ist ebenfalls möglich nach : Temperaturbeständigkeit: (Normal bis 120 C/ Hochtemperatur >120 C) mechanische : hohe Steifigkeit und Festigkeit hohe Schlagzähigkeit Vorstreckbarkeit diverse: Chemikalienbeständigkeit Alterungsverhalten Elektrische Leitfähigkeit Brandverhalten. Eine umfassende Klassifizierung oder Einteilung nach ist aufgrund der grossen Vielfalt von Eigenschaftsmerkmalen kaum möglich, und da aufgrund vielfältiger Modifizierungsmöglichkeiten der gleiche Werkstofftyp mehreren Gruppen zugeordnet werden kann, würde ein solches Schema mehr Verwirrung als Klarheit schaffen. Eine recht gute Einteilung der Polymerwerkstoffe ist aber möglich nach den Herstellungsreaktionen: Polymerisation Polyaddition Polykondensation Diese Herstellungsreaktionen sind auf Seite 13 genauer umschrieben. Als weitere Klassifikationskriterien dienen: Struktur (Lineare oder verzweigte Polymere) chemische Gruppen (Polyolefine usw.) K8/1

2 Daraus ergibt sich die nachfolgende Tabelle: Polymerisate Lineare Polykondensate Polyaddukte Vernetzte Polykondensate Polyaddukte Modifizierte Naturstoffe Polymerisate Polyolefine Stroyrolpolymerisate Halogenhaltige Vinylpolymere Acrylpolymere Polyacetale Polyamide Polycarbonate Polyester Polyimide Polyarylketone Polysulfone Polyurethane Polyphenylene Phenoplaste Aminoplaste Epoxidharze Ungesättigte Polyester Polyurethane Celluloseester Kaseinharze POLYMERISATE Polyolefine Styrolpolymerisate Halogenhaltige Vinylpolymere Acrylpolymere Polyacetale Polyethylen Polypropylen Polybutylen Polymethylpenten Polystyrol Standard Polystyrol schlagfest Styrolacrylnitril Acrylnitrilbutadienstyrol Acrylnitrilstyrol Acrylkautschuk Polyvinylchlorid Polyvinylidenchlorid Polyvinylfluorid Polyvinylidenfluorid Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Cop. Ethylen-Tetrafluorethylen-Cop. Polychlortrifluorethylen Ethylen-Chlortrifluorethylen-Cop. Polymethylmethacrylat Polyoximethylen Polyolefine Polyolefine entstehen durch die Polymerisation von ungesättigten Kohlenwasserstoffen (Olefinen), d.h. diese Polymeren enthalten als chemische Elemente nur Kohlenstoff und Wasserstoff. Polyolefine sind teilkristalline Thermoplaste. Sie sind relativ preiswert und lassen sich mit praktisch allen Verfahren leicht verarbeiten. Sie zählen aus diesen Gründen zu den sogenannten «Massenkunststoffen». K8/2

3 Polyethylen nach DIN 7728: PE Normung: DIN 16776; DIN (EVA) Lupolen (BASF), Hostalen (HOECHST), Vestolen (HUELS) Alkathene (ICI), Moplen (MONTEDISON) Das Eigenschaftsbild von teilkristallinem Polyethylen wird durch zwei Faktoren entscheidend beeinflusst: 1. Struktur linear oder verzweigt 2. relative Molmasse (oder Polymerisationsgrad) Das im Hochdruckverfahren hergestellte LD (Low-density)-Polyethylen besteht aus stark verzweigten Makromolekülen, welche aufgrund gegenseitiger räumlicher Behinderung schlecht kristallisieren und somit eine «niedrige» Dichte aufweisen. Das im Niederdruckverfahren hergestellte lineare HD (High-density)- Polyethylen kristallisiert sehr gut und weist somit eine «hohe» Dichte auf. LDPE Dichte = 0,920 bis 0,940 g/cm 3 (Kristallinität 20 40%) HDPE Dichte = 0,940 bis 0,970 g/cm 3 (Kristallinität 40 80%) LD-Polyethylen ist zäh, weich und biegsam, während HD-Polyethylen hart und steif ist und mit zunehmender Molmasse eine stark ansteigende Zähigkeit aufweist. Alle Polyethylene haben aufgrund ihres apolaren Charakters eine sehr geringe Wasseraufnahme. Die Chemikalienbeständigkeit (siehe Seite 125) ist ebenfalls sehr stark abhängig vom Polymerisationsgrad (relative Molmasse). Fast das gesamte Eigenschaftsbild wird durch die Dichte und den Polymerisationsgrad beeinflusst: Eigenschaft Dichte Polymerisationsgrad LDPE HDPE (rel. Molmasse) niedrig hoch Streckspannung steigt sehr steigt E-Modul steigt stark steigt Kugeldruckhärte steigt steigt mässig Schmelztemperatur steigt keine Änderung Gebrauchstemperatur nimmt zu nimmt mässig zu Versprödungstemperatur füllt nimmt stark ab Schlagzähigkeit steigt nimmt stark zu Quellverhalten nimmt stark ab nimmt ab Permeabilität nimmt ab nimmt etwas ab Spannungsrissverhalten wird besser wird viel besser Transparenz nimmt ab keine Änderung Fliessfähigkeit (Schmelzindex) nimmt ab nimmt stark ab K8/3

4 Polyethylene weisen einen paraffinähnlichen, fettigen Griff auf und brennen tropfend mit bläulich-gelb leuchtender Flamme. Die Schwaden beim Ausblasen riechen ausgeprägt nach Kerzenwachs. Elektrische : Thermische : Hohe elektrische Isolationswerte, niedrige Dielektrizitätszahl und niedriger elektrischer Verlustfaktor sind typisch. Bedingt durch sehr hohe Oberflächenwiderstände zeigen Polyethylene eine sehr starke elektrostatische Aufladung, welche durch Additive (Antistatika, Russ) beinflusst werden kann. Gebrauchstemperatur: LDPE: 80 bis +80 C HDPE: 50 bis +105 C Unstabilisierte LD-Polyethylene weisen eine sehr schlechte und HD-Polyethylene eine schlechte Alterungsbeständigkeit (UV, Wärme) auf, welche mit Stabilisatoren stark positiv beeinflusst werden kann. Spannungsrissbildung: Verarbeitung Niedermolekulare HD-Polyethylene sind unter der Einwirkung von oberflächenaktiven Medien in Kombination mit mechanischen Spannungen sehr anfällig auf die gefürchtete Spannungsrissbildung (spontan, auch nach längerer Zeit). Mit zunehmender Molmasse (abnehmendem Schmelzindex) nimmt die Spannungsrissanfälligkeit stark ab. Speziell spannungsrissbeständige Spezialarten enthalten Polyisobutylen. Polyethylene können mit praktisch allen formgebenden Verarbeitungsprozessen verarbeitet werden: Spritzguss Warmumformen Extrusion Schweissen Blasformen Mechanische Bearbeitung Polyethylene werden als Massenkunststoffe vorwiegend im Verpackungssektor als Spritzgussteile, Blasformteile und Folien eingesetzt. Weitere sind Kabelisolationen, Rohre aller Art und technische Formteile. Spezialsorten: Pulverförmiges, hochmolekulares HD-Polyethylen für Wirbelsintern und Pressverfahren Vernetztes Polyethylen für Kabelisolationen und Fussbodenheizungsrohre Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA) für Dichtungen und Verschlüsse (Vinylacetatgehalt bis 40%) K8/4

5 Polypropylen nach DIN 7728: PP ( H); ( C) Normierung: DIN Hostalen PP (HOECHST), Novolen (BASF), Propathene (ICI), Vestolen P (HUELS), Lacqtere P (ATO), Moplen (MONTE) Elektrische : Thermische : Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung Bedingt durch den isotaktischen Aufbau (vergleiche Seite 17) weist Polypropylen einen relativ hohen Kristallinitätsgrad auf (ca %). Dichte: 0,900 0,915 g/cm 3. Das Homopolymerisat weist eine im Vergleich zu HD-Polyethylen hohe Steifigkeit, Härte und Festigkeit auf. Dagegen bedeutend schlechter ist die Schlagzähigkeit. Nicht modifiziertes Polypropylen bricht unter Schlagbeanspruchung bei Temperaturen unter 0 C. Zur Verbesserung dieser Eigenschaft wird Polypropylen mit Polyethylen copolymerisiert, so verbessern sich die Kälteeigenschaften bis ca. 30 C je nach Anteil des copolymeren Polyethylens. Die Kälteeigenschaften können aber auch durch eine deutliche Erhöhung des ataktischen (amorphen) Anteils des Polypropylens erhöht werden. Die elektrischen sind sehr ähnlich derjenigen der Polyethylene. Obere Gebrauchstemperatur 120 C. Aufgrund ihrer chemischen Struktur sind Polypropylene noch anfälliger gegenüber thermooxidativer Alterung als Polyethylen. Aus diesem Grund sind sie für technische durchwegs stabilisiert (Antioxidantien, evtl. UV-Stabilisatoren). Der Schmelzbereich der kristallinen Anteile beträgt ca. 155 bis 170 C. Aufgrund des apolaren Charakters zeigen Polypropylene eine ähnlich gute Chemikalienbeständigkeit wie Polyethylene. Im Gegensatz zum Polyethylen zeigen aber auch niedermolekulare PP-Typen praktisch keine Spannungsrissanfälligkeit gegenüber Chemikalien wie z.b. Tensiden. Polypropylene sind nicht beständig gegenüber starken Oxidationsmitteln, und sie quellen auf im Kontakt mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen, insbesondere bei erhöhter Temperatur. Polypropylen kann mit praktisch allen formgebenden Verarbeitungsprozessen verarbeitet werden (siehe Polyethylen, Seite 62). Polypropylene als Massenkunststoffe werden dort eingesetzt, wo gegenüber Polyethylen eine etwas höhere Temperaturbeständigkeit und Steifigkeit gefordert wird. Spezialsorten: Anwendungsbereiche: Haushaltartikel Fahrzeugbereich Elektrotechnik Bauwesen Verpackungsbereich Zur weiteren Verbesserung des Kälteverhaltens werden sogenannte PP- Elastomer-Blends hergestellt (einmischen von EPDM-Kautschuken) für speziell im Automobilbau. K8/5

6 Polybuten PB Vestolen BT (HUELS, Polybutylen (SHELL) Trotz der Seitenkettenverlängerung um eine Methylgruppe weist Polybuten ein dem Polypropylen ähnliches Eigenschaftsbild auf. Gewisse sind aber unterschiedlich: Geringeres Kriechverhalten als PE und PP Noch geringere Spannungsrissanfälligkeit als PP Der Kristallitschmelzbereich beträgt 120 bis 130 C, die obere Gebrauchstemperatur ca. 100 C. Polybutene weisen relativ hohe Molmasse auf. Die Kristallinität beträgt ca. 50%. Verarbeitung PB kann mit praktisch allen üblichen thermischen Umformprozessen verarbeitet werden (siehe Polyethylen, Seite 62). Polybutene werden vorwiegend für die Herstellung von Rohren (Warmwasserleitungen) und für die Ummantelung von Hochspannungskabeln verwendet. K8/6

7 Polymethylpenten PMP Handelsname: TPX Polymers (Mutsui, Japan) Dichte ca. 0,83 g/cm 3 PMP ist teilkristallin und weist einen vorwiegend isotaktischen Aufbau auf. Die allgemeinen sind dem Polypropylen ähnlich, mit folgenden Abweichungen: Geringere Schlagzähigkeit und Dehnung Grössere Spannungsrissanfälligkeit Nicht beständig gegenüber verschiedenen organischen Lösungsmitteln Wegen des relativ hohen Kristallschmelzbereiches (ca. 240 C) kann PMP bis ca. 130 C eingesetzt werden. Verarbeitung PMP wird vorwiegend durch Spritzgiessen und Blasformen verarbeitet. Warmumformen ist bei ca. 240 C möglich. Sterilisierbare Laborgeräte (Chemie, Medizin) Folien Durchsichtige Gehäuse K8/7

8 Styrolpolymerisate Die Styrolpolymerisate bilden neben den Polyolefinen und den Polyvinylchloriden die dritte grosse Gruppe der sogenannten Massenkunststoffe. Das reine Polystyrol weist ein für viele mässiges Eigenschaftsprofil auf. Dank der Modifizierung mit den verschiedensten Komponenten können die Styrolpolymerisate mit auf die unterschiedlichsten Verwendungszwecke abgestimmten hergestellt werden. Die modifizierten Styrolpolymerisate zeigen vor allem ein im Gegensatz zum spröden, brüchigen Polystyrol günstiges Festigkeits- und Zähigkeitsverhalten. Pfropfpolymerisation auf Elastomere Homopolymerisation Styrol-Butadien SB Polystyrol Mischen mit speziellen Elastomeren (Butadien) Monostyrol Copolymerisation mit MMA MBS Pfropfpolymerisation Arylnitril auf Elastomeren Copolymerisation mit Acrylnitril ABS SAN Mischung mit Elastomeren ASA Propfpolymerisation mit Acrylnitril auf Acrylelastomeren Mischungen von zwei oder mehreren Polymeren sind keine Copolymere, sondern sie werden Blends genannt. Bei der grossen Gruppe der Styrolpolymerisate sind alle drei Copolymerearten neben den sogenannten Polystyrol-Blends bekannt. K8/8

9 Polystyrol nach DIN 7723 PS Normung: DIN 7741 Vestyron (HUELS), Hostyren (HOECHST) Polystyrol (BASF), Edistir (MONTEDISON) Das Polystyrol-Homopolymerisat ist ein amorpher, daher glasklarer Polymerwerkstoff. Dichte: ca. 1,05 g/cm 3 Das Material ist sehr steif, gleichzeitig auch sehr spröde und kerbempfindlich. Charakteristisch ist auch die bei Raumtemperatur geringe Kriechneigung. Beim Falltest erzeugt das Material einen typischen «blechernen» Ton. Elektrische : Thermische : Alterungsverhalten: Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung Polystyrol weist hohe elektrische Isolationswerte auf, die praktisch unabhängig von der sowieso geringen Wasseraufnahme sind. Es zeigt auch gute, frequenzunabhängige dielektrische. Nachteilig ist die durch den hohen Oberflächenwiderstand verursachte elektrostatische Aufladung, eine Eigenschaft, welche durch die Anwendung von Antistatika verbessert werden kann. Polystyrole können bei Temperaturen von maximal 70 bis 80 C eingesetzt werden. Sie brennen gut mit stark russender Flamme. Polystyrole sind empfindlich gegenüber UV-Strahlung. Eine Stabilisierung ist möglich. Die Beständigkeit gegenüber thermooxidativer Alterung ist relativ gut (Wärme und Sauerstoff). Polystyrole sind gegenüber vielen organischen Lösungsmitteln nicht beständig. Sie werden zum Teil gelöst. Als amorpher Werkstoff zeigen sie eine sehr ausgeprägte Spannungsrissanfälligkeit. Daher sollte bei jeder Anwendung diesem Umstand speziell Rechnung getragen werden, da Spannungsrissbildung z.t. schon an Luft auftreten kann. Polystyrol kann mit vielen formgebenden Verarbeitungsverfahren verarbeitet werden: Spritzguss Extrusion (Blasformen) Warmumformung Ebenfalls möglich sind mechanische Bearbeitung und Verbindungstechniken wie Kleben und Schweissen. K8/9

10 Polystyrolhomopolymerisate werden schwerpunktmässig als Verpackungsmaterialien mit geringen mechanischen Anforderungen eingesetzt. Weitere : Elektrotechnik Beleuchtungstechnik Feinwerktechnik Einweggeschirr Um die Nachteile, insbesondere die sehr schlechte Schlagzähigkeit und Temperaturfestigkeit zu kompensieren, wurde eine Vielzahl von modifizierten Styrol-Polymerisaten entwickelt. Die Herstellung der Copolymerisate erfolgt mit Butadien und/oder Acrylnitril. Styrol und Butadien ergibt SB-Copolymerisate Styrol und Acrylnitril ergibt SAN-Copolymerisate Styrol und Butadien und Acrylnitril ergibt ABS-Terpolymere Aufgrund der schlechten thermooxidativen Beständigkeit des Butadiens wird es z.t. durch Acrylesterkautschuke ersetzt, und es entsteht das ASA-Terpolymer. Daneben werden in neuerer Zeit Modifizierungen mit Methylmethacrylaten, -Methylstyrol sowie PVC und Polycarbonat hergestellt. K8/10

11 Styrol-Butadien (Schlagzähmod. PS) nach DIN 7728 SB Normierung: DIN Hostyren (HOECHST), Polystyrol 400 und Styrolux (BASF), Vestyron (HUELS), Edistir (MONTEDISON) Alterungsverhalten: Verarbeitung SB-Copolymere und Blends sind auch bei niedriger Temperatur schlagzäh durch das stossdämpfende Verhalten der Kautschuk-Komponente, zeigen aber geringere mechanische Festigkeit und erhöhtes Kriechverhalten. Obwohl SB-Formmassen ebenfalls zu den amorphen Werkstoffen gehören, sind sie mit Ausnahme des Styrolux (BASF) nicht mehr transparent (opak). Dichte ca. 1,04 g/cm 3 Die elektrischen sind dem Standard-PS sehr ähnlich mit Ausnahme der etwas höheren dielektrischen Verluste. Der Gebrauchstemperaturbereich beträgt je nach Kautschuk-Anteil etwa 40 bis +75 C. Das generelle Alterungsverhalten ist aber gegenüber dem PS aufgrund der thermooxidativen Anfälligkeit verschlechtert. Die Anlagerung von Sauerstoff an die Doppelbindung des Butadiens führt zur Vernetzung und damit zur Versprödung. Die Stabilisierung mit Alterungsschutzmitteln ist möglich. SB zeigt bezüglich Chemikalienbeständigkeit ein ähnliches Verhalten wie PS, aber bei verringerter Spannungsrissanfälligkeit. Eine sorgfältige Abklärung der chemischen Beständigkeit ist trotzdern immer angezeigt. Schlagzähes Polystyrol kann mit folgenden Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (etwas schlechtere Fliesseigenschaften als PS) Extrudieren Warmumformen (Tiefziehen usw.) Kleben und Schweissen Mechanische Bearbeitung Technische Teile (gute Zähigkeit und Oberflächenglanz) Elektrotechnik (Gehäuseteile, Spulenkörper usw.) Haushaltgeräte Verpackungen K8/11

12 Styrol-Acrylnitril-Copolymere nach DIN 7728 SAN Normung: DIN Luran (BASF), Lustran SAN (MONSANTO), Tyril (DOW), Lacqsan (ATO) Der Acrylnitril-Anteil im SAN beträgt 22 35% je nach Typ. Die Komponente Acrylnitril erhöht die mechanischen gegenüber PS-Standard, aber die Schlagzähigkeit erreicht nicht das Niveau von SB. Als amorpher Werkstoff ist SAN hochtransparent mit hohem Oberflächenglanz. Die elektrischen sind praktisch identisch mit denjenigen des schlagzähen Polystyrols (SB). Die maximale Gebrauchstemperatur liegt mit 90 C deutlich über derjenigen des Standardpolystyrols. SAN weist auch eine gute Wechseltemperaturbeständigkeit auf. SAN ist relativ empfindlich gegenüber UV- Strahlung, d.h. nicht witterungsbeständig. Die Chemikalienbeständigkeit im Kontakt mit apolaren Lösungsmitteln wie Kohlenwasserstoffen ist gegenüber PS deutlich verbessert und Spannungsrissbildung ist im Vergleich zu PS wesentlich geringer. Nicht beständig ist SAN gegenüber halogenierten Lösungsmitteln und Ketonen. Verarbeitung SAN wird mit folgenden Verfahren verarbeitet: Spritzgiessen Extrusion Warmumformen Kleben und Schweissen Mechanische Bearbeitung Hochwertige technische Formteile, bei welchen eine gute Transparenz verlangt wird Elektronik: Gehäuseteile, Batteriegehäuse Haushaltgeräte: Geschirr, Wasserbehälter Verpackungssektor: z.b. SAN-Typen mit 35% ACN mit Barriere-Wirkung für CO 2 -haltige Getränke Sanitärbereich: Badezimmergarnituren K8/12

13 SAN mit Acrylesterelastomeren nach DIN 7728 ASA Handelsname: Luran S (BASF) Normierung: DIN Verarbeitung Das Eigenschaftsbild von ASA ist demjenigen von ABS sehr ähnlich mit folgenden ausgeprägten Abweichungen: Kälteverhalten (Schlagzähigkeit) noch besser Bessere Kratzfestigkeit Stark verbessertes Alterungsverhalten (Wärme, Sauerstoff und UV-Strahlung) ASA kann mit folgenden Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (sehr gut) Extrusion Warmumformen Kleben und Schweissen Mechanische Verarbeitung Spezialtypen können relativ gut galvanisiert werden ASA wird eingesetzt, wo beim ABS aufgrund des Alterungsverhaltens Einschränkungen bestehen. K8/13

14 Acrylnitril-Butadien-Styrol nach DIN 7728 ABS Normierung: DIN Cycolac (BORG-WARNER), Ronfalin (DSM), Terluran (BASF), Novodur (BAYER), Lustran ABS (Monsanto), Lacran (ATO) Chemikalienbeständigkeit: Alterungsverhalten: Verarbeitung Man unterscheidet beim amorphen ABS zwischen sogenannten «Mischtypen», d.h. Polymerblends von verteiltem Butadienkautschuk in der SAN-Grundmasse und den Terpolymerisat-Typen, bei welchen das SAN auf das Butadien aufgepfropft wird (Pfropfpolymerisate). Die ACN und Butadiengehalte betragen bis zu jeweils 30%. ABS wird aber auch mit PVC oder PC zu weiteren Blends verarbeitet. Alle ABS-Typen sind opak (undurchsichtig), und speziell die Pfropfpolymerisate weisen eine sehr hohe Oberflächenbrillanz auf. ABS zeichnet sich aus durch eine ausserordentlich günstige Kombination von hoher Zähigkeit (bis 40 C), Steifigkeit und gute Schalldämpfung durch hohe mechanische Dämpfung. Die elektrischen sind identisch mit denjenigen von SB und SAN. Der Gebrauchstemperaturbereich beträgt 45 C bis ca. +85 C, kurzzeitig bis 100 C. ABS wird auch mit flammhemmender Ausrüstung hergestellt. Die Chemikalienbeständigkeit variiert relativ stark aufgrund der Zusammensetzung (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Sie bewegt sich immer im Bereich des Dreiecks von Polystyrol-Standard SB und SAN. Die Spannungsrissanfälligkeit ist gegenüber etwa Standardpolystyrol reduziert und liegt im Bereich von SB. Wärme, Sauerstoff und UV-Strahlung führen wie beim SB zu einem raschen Abbau der Kautschukkomponente. Erstes Symptom ist eine rasche Vergilbung der Materialoberfläche. Mit Aktivrussen und wirksamen Stabilisatorsystemen kann das Alterungsverhalten stark verbessert werden. Für Aussenanwendungen ist ABS trotzdem nicht geeignet. ABS kann mit folgenden Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (sehr gut) Kleben und Schweissen Extrusion Mechanische Verarbeitung Warmumformen Spezialtypen können relativ gut galvanisiert werden K8/14 Feinwerktechnik und Haushaltgeräte Eiektrotechnik Schutzhelme, technische Spielzeuge, z.b. Lego Fahrzeugbau Sanitärinstallationen, Bootskörper, Telefone Möbelindustrie

15 Halogenhaltige Vinylpolymere Unter Halogenen versteht man Elemente wie Fluor, Chlor, Brom und Jod. Mit Ausnahme des Jodes haben die Halogene eine relativ grosse Bedeutung zur Herstellung von Polymerwerkstoffen. Die Abkürzung Vinyl ist ein Trivialname für Verbindungen, die eine Doppelbindung enthalten, d.h. halogenhaltige Vinylpolymere sind Werkstoffe, die in der Regel aus halogensubstituiertem Ethylen (z.b. Vinylchlorid) aufgebaut sind. Polyvinylchlorid nach DIN 7728 PVC Je nach Herstellart unterscheidet man drei verschiedene Typen von PVC-Polymerisaten: Emulsions-PVC (Emulsionspolymerisation) Suspensions-PVC (Suspensionspolymerisation) Massepolymerisat (Fällungspolymerisation) Die drei PVC-Typen zeigen recht unterschiedliche. Massepolymerisate und Suspensionstypen sind in der Regel qualitativ höherstehende Produkte als Emulsionstypen. Normung: DIN 7746 / 7747 / 7748 / 7749 Hostalit (HOECHST), Vestolit (HUELS), Vinnol (WACKER), Trosiplast (DYNAMIT-NOBEL), Vinoflex (BASF), Welvic (ICI) Nicht modifiziertes PVC (Hart-PVC) ist ein amorpher, harter und spröder Werkstoff mit einer relativ hohen Dichte von 1,38 1,40 g/cm 3. Die mechanischen werden relativ stark vom Polymerisationsgrad (K-Wert; DIN 53726) beeinflusst. Da Hart-PVC ähnlich dem Homopolystyrol zumindest für technische relativ ungeeignet ist, gibt es heute eine sehr grosse Anzahl von PVC- Modifikationen. Praktisch alle zielen darauf, die Schlagzähigkeit zu verbessern. K8/15

16 Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl von möglichen PVC-Modifikationen: Copolymere (innere Weichmachung) Bemerkungen Comonomer: Vinylacetat Acrylester Propylen Acrylnitril erhöhte Wärmeformbeständigkeit Butadien und Acrylnitril Acrylat-Kautschuke besonders schlagfest Ethylenvinylacetat Blends (innere Weichmachung) Mischungskomponenten: chloriertes Polyethylen Acrylnitril-Butadien-Styrol besonders schlagfest Acrylester-Kautschuk Nachchloriertes Polyvinylchlorid Mischungen mit Weichmachern äussere Weichmachung Weichmacher monomer: Dioctylphtalat (Phtalsäureester) Gehalte bis 50% Weichmacher Polymer: siehe Polyblends Aufgrund der grossen Variationsbreite von PVC-Modifikationen kann kein allgemein gültiges Eigenschaftsbild von PVC beschrieben werden. Die mechanischen variieren von sehr hart und spröde (Homopolymer) über schlagzäh, steif (Copolymer/Blend) bis gummiartig, weich und dehnfähig. Elektrische : Thermische : Alterungsverhalten: Gute bis mässige Isolationseigenschaften (je nach Typ und Modifikation), hohe dielektrische Verluste (für HF-Technik ungeeignet), mässige Kriechstromfestigkeit und geringe Neigung zu elektrostatischen Aufladungen. Gebrauchstemperaturbereich: Weich-PVC 50 C bis +60 C Hart-PVC (Copolymer/Blend) 25 C bis +80 C Achtung: Einzelne Typen decken jeweils nur einen Teilbereich ab! PVC ist ausserhalb einer Flamme selbstverlöschend (flammhemmend). Die natürliche Alterungsbeständigkeit von PVC ist relativ schlecht (Wärme, UV). Die Dehydrochlorierung (Abspaltung von Salzsäure) ist ein autokatalytischer Vorgang, der nach der Startreaktion rasch abläuft und über Materialvergilbung bis zum vollständigen Abbau des Materials führt. Eine sehr grosse Anzahl von Stabilisatorsystemen erlauben eine starke Verbesserung dieser Eigenschaft. Gewisse Stabilisatoren sind multifunktional, d.h. sie können gleichzeitig mehrere verbessern, wie z.b. das Verarbeitungsverhalten. K8/16

17 Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung PVC ist in der Regel gegenüber apolaren Chemikalien beständig. Gewisse polare Lösungsmittel können aber PVC stark quellen oder sogar auflösen. Die Chemikalienbeständigkeit ist sehr stark von der Formulierung abhängig. So können z.b. gewisse Chemikalien monomere Weichmacher aus PVC herausextrahieren und so zum Verspröden führen. Bei der Anwendung von Weich-PVC ist immer sorgfältig das Migrationsverhalten (Weichmacherwanderung) bei Materialkombinationen zu prüfen. Das Ausschwitzen von gewissen monomeren Weichmachern läuft schon bei Raumtemperatur ab; d.h. diese Materialien weisen eine schlechte Langzeitstabilität auf. PVC kann je nach Formulierung mit folgenden Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen Extrudieren Warmumformen Kleben und Schweissen Mechanische Bearbeitung Kalandrieren Besondere Verfahren; Streichen, Tauchen, Spritzen, Giessen und Wirbelsintern Maschinen- und Apparatebau Bauwesen Elektrotechnik / Elektronik (z.b. Kabelumhüllungen) Verpackungsbereich (z.b. geblasene Flaschen) Automobilbau Landwirtschaft Möbelindustrie (z.b. Kunstleder) Spielzeugindustrie Bekleidungen und Schuhe K8/17

18 Polyvinylidenchlorid nach DIN 7728 PVDC Diofon (BASF), Saran (DOW) Aus technischen Gründen werden nur PVDC-Copolymerisate (mit Vinylchlorid, Acrylnitril und Acrylestern) eingesetzt. Sie sind etwas weicher und flexibler als Hart-PVC. Der Gebrauchstemperaturbereich beträgt 20 bis +100 C. Ab 160 C tritt eine thermische Zersetzung ein. PVDC muss wegen seiner hohen UV-Empfindlichkeit stabilisiert werden. Als sehr interessante Eigenschaft weisen PVDC-Copolymere sehr geringe Permeationsraten gegenüber Wasserdampf und vielen Gasen (z.b. Sauerstoff) auf. Eine solche Folie ist sehr gut geeignet als Barriere-Schicht. PVDC weist eine recht gute allgemeine Chemikalienbeständigkeit auf. Verarbeitung Spritzgiessen Extrusion (gereckte Folien) Blasformen Beschichten Verbundfolien im Verpackungsbereich (gasdicht) Textilfasern (Bänder, Fäden) K8/18

19 Polyvinylfluorid nach DIN 7728 PVF Tedlar (DU PONT); Dyflor (DYNAMIT) Verarbeitung Anwendung PVF zeigt ein dem Hart-PVC-ähnliches Eigenschaftsbild, aber mit besserem Alterungsverhalten. Bei höheren Temperaturen wird Fluorwasserstoffsäure abgespaltet. PVF löst sich oberhalb von 110 C in speziellen Lösungsmitteln. Die Polymerlösung wird zu Giessfolien verarbeitet. Folien und Beschichtungen. Polyvinylidenfluorid nach DIN 7728 PVDF Dyflor (DYNAMIT), Solef (SOLVAY), Vidor (SKW) PVDF ist ein teilkristallines Material mit einem Schmelzbereich bei ca. 170 C. Das Material ist relativ hart und schlagzäh. Es weist eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit auf (z.b. gegenüber Chlor und Brom). Der Anwendungstemperaturbereich beträgt 60 C bis +150 C. Flaschen (mit guter Chemikalienbeständigkeit) Harte steife Rohre (mit guter Chemikalienbeständigkeit) Schrumpfschläuche Monofile K8/19

20 Polytetrafluorethylen nach DIN 7728 PTFE Normierung: Teflon (DU PONT), Hostaflon TF (HOECHST), Fluor (ICI), Alcoflon (MONTEDISON) keine Normierung nach DIN VDI/VDE 2480 Elektrische : Thermische : Chemikalienbeständigkeit: PTFE ist ein teilkristallines Polymer mit hoher Kristallinität und stark apolarem Charakter. Die Dichte liegt mit 2,14 2,20 g/cm 3 recht hoch. PTFE besitzt eine mässige Festigkeit, Steifigkeit und Härte, aber eine gute Zähigkeit. Das Material neigt relativ stark zum Kriechen. Interessant ist das stark antiadhäsive Verhalten und der sehr geringe Reibungskoeffizient. PTFE zeigt ein sehr gutes elektrisches Isoliervermögen auch bei hoher Luftfeuchtigkeit. Die sehr niedrigen dielektrischen Verluste sind praktisch unabhängig von Frequenz und Temperatur. Die Kriechstromfestigkeit ist sehr gut, aber aufgrund des hohen Oberflächenwiderstandes bilden sich starke elektrostatische Aufladungen. Der Einsatztemperaturbereich beträgt 200 bis +250 C, kurzfristig bis +300 C. Der kristalline Schmelzbereich liegt bei etwa C. Ab etwa 400 C zersetzt sich PTFE unter Bildung von hochtoxischen Zersetzungsprodukten. PTFE ist gegenüber allen üblichen Chemikalien beständig (keine Spannungsanfälligkeit). Ein Angriff findet nur im Kontakt mit geschmolzenen Alkalimetallen und elementarem Fluor statt. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist sehr klein. Das Material zeigt eine ausserordentlich gute natürliche Witterungsbeständigkeit. PTFE ist praktisch unbrennbar, die Gasdurchlässigkeit ist aber relativ hoch. K8/20

21 Verarbeitung Da PTFE auch oberhalb des Schmelzbereiches keine Schmelze bildet, können die üblichen Verarbeitungsverfahren nicht angewendet werden. Mögliche Verfahren sind: Pressintern Beschichten Ramextrusion Heissprägen Schlagpressen Mechanische Bearbeitung Chemische Industrie Maschinenbau, Feinwerktechnik Elektrotechnik Bauwesen Beschichtungen in Haushalt, Industrie und Flugzeugbau K8/21

22 Weitere Fluorpolymere Der Nachteil des PTFE, nicht thermoplastisch verarbeitbar zu sein, konnte durch Änderungen des Molekülaufbaues beseitigt werden. Dabei ist es gelungen, das günstige Eigenschaftsbild des PTFE weitgehend zu erhalten. Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymerisat FEP Handelsname: Teflon FEP (DU PONT) Perfluoralkoxy-Copolymerisat PFA Hostaflon TFA (HOECHST), Teflon PFA (DU PONT) Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymerisat ETFE Hostaflon ET (HOECHST), Tefzel (DU PONT) K8/22

23 Polychlortrifluorethylen PCTFE Voltalef (UGINE KUHLMANN) Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymerisat ECTFE Verarbeitung Die Materialien können mit folgenden Verarbeitungsmethoden verarbeitet werden: Spritzgiessen und Extrusion Ähnliche Einsatzgebiete wie PTFE. K8/23

24 Acrylpolymere Polymethylmethacrylat nach DIN 7728 PMMA Normierung: DIN 7745 Plexiglas (ROEHM), Diakon (ICI), Oroglas (ROHM AND HAAS) Elektrische : Optische : Thermische : Alterungsverhalten: Verarbeitung PMMA ist ein amorpher, daher glasklarer Werkstoff mit einer Dichte von 1,18 g/cm 3. Das Material ist hart und steif, aber mässig schlagzäh. PMMA-Formmassen weisen einen hohen Oberflächenwiderstand auf, welcher weitgehend unabhängig ist von der geringen Wasseraufnahme. Die Kriechstromfestigkeit ist gut. Der hohe Oberflächenwiderstand hat aber starke elektrostatische Aufladungen zur Folge. Aufgrund der hohen Lichtdurchlässigkeit und Brillanz dient PMMA als Ersatz für Glas. Das Material ist relativ kratzfest. Die maximale Gebrauchstemperatur beträgt 65 C, bei wärmeformbeständigen Typen 95 C. Die Wechseltemperaturbeständigkeit ist gut. PMMA brennt gut ohne abzutropfen. PMMA weist eine gute natürliche Aussenwitterungsbeständigkeit (UV-Strahlung) auf. PMMA ist relativ gut beständig gegenüber apolaren Chemikalien, wird aber angegriffen von polaren Lösungsmitteln. Als amorpher Werkstoff neigt es mit vielen Chemikalien zu ausgeprägter Spannungsrissbildung. Daher sind bei jeder Anwendung mit Chemikalienkontakt das Einspannungsniveau und die Spannungsrissbeständigkeit zu überprüfen. PMMA wird zur Verbesserung der Chemikalienbeständigkeit und der mechanischen mit Acrylnitril zu AMMA copolymerisiert. PMMA kann mit praktisch allen thermischen Umformprozessen verarbeitet werden: Spritzgiessen Extrusion Warmumformen Kleben und Schweissen Mechanische Bearbeitung Optik Haushaltgeräte Elektrotechnik Fahrzeugbau Bauwesen Werbetechnik K8/24

25 Polyacrylnitril nach DIN 7728 PAN Dralon, Orlon, Dolan PAN hat für technische keine Bedeutung, da es sich vor Erreichen der Erweichungstemperatur oberhalb von 200 C zersetzt und daher nicht thermoplastisch verarbeiten lässt. Grund dafür sind die starken zwischenmolekularen Kräfte, zwischen den Nitrilseitengruppen. In stark polaren Lösungsmitteln wie Dimethylformamid ist PAN aber löslich und kann so zu Fäden versponnen werden. Durch eine 12fache Reckung bei +180 C erhalten die Fäden eine hohe Reissfestigkeit. PAN-Fasern eignen sich sehr gut zur Herstellung von Textilgeweben. Durch eine Hochtemperatur-Pyrolyse werden aus PAN-Fasern auch die hochfesten Kohlefasern für Verbundwerkstoffe hergestellt. Bei vielen Copolymerisaten wird Acrylnitril als Comonomer verwendet (vergleiche SAN, ABS, MBS usw.). K8/25

26 Polyacetale (Polyoximethylen) Kurzeichen: nach DIN 7728 POM Neben Formaldehyd wird auch trimerisiertes Formaldehyd (Trioxan) zur Herstellung verwendet. Man unterscheidet zwischen Homo- und Copolymerisaten. Bei der Copolymerisation wird z.b. Ethylenoxid als Comonomer verwendet. Bei der Homopolymerisation müssen zur Erziehung einer ausreichenden thermischen Stabilität die Kettenendgruppen chemisch stabilisiert werden. Bei den Copolymeren ergibt sich eine im Vergleich zu Homopolymerisaten höhere thermische Stabilität durch eine Nachbehandlung mit wässrigen alkalischen Lösungen. Die dabei entstehenden Endgruppen sind stabiler als diejenigen der Homopolymerisate. Homopolymer = Delrin (DU PONT) Copolymer = Hostaform C (HOECHST), Vitraform (BASF) Elektrische : Thermische : Chemische : Alterungsverhalten: Polyoximethylene sind hochkristalline Thermoplaste. Aufgrund der hohen Kristallinität sind sie opak weiss. Sie weisen eine hohe Festigkeit, Härte und Steifigkeit auf bei gleichzeitig hoher Zähigkeit. Homopolymerisate besitzen wegen der etwas höheren Kristallinität eine höhere Dichte, Härte und Steifigkeit, dafür aber etwas geringere Verformungsfähigkeit und Schlagzähigkeit. Polyacetale zeigen ebenfalls eine gute Zeitstandfestigkeit und sind aufgrund des guten Federungsvermögens ausgezeichnet geeignet für Schnappverbindungen. Weitere sind gute Verschleissfestigkeit und ein niedriger Gleitreibungskoeffizient. Die guten elektrischen wie Isolationsvermögen und Durchschlagfestigkeit werden durch die geringe Feuchtigkeitsaufnahme kaum negativ beeinflusst. Polyoximethylene sind gut wärmebeständig und einsetzbar von 40 C bis +100 C. Sie brennen mit bläulicher Flamme und riechen stechend nach Formaldehyd. Sie haben auch eine gute Chemikalienbeständigkeit gegenüber vielen organischen Lösungsmitteln und sind gut hydrolysebeständig. Angegriffen werden sie durch oxydierend wirkende Agenzien und starke Säuren. Die Spannungsrissempfindlichkeit ist bei optimal niedrigem Eigenspannungsniveau relativ gering. Das Alterungsverhalten ist relativ gut, bei Aussenanwendungen müssen aber stabilisierte oder russgefüllte Typen verwendet werden. K8/26

27 Verarbeitung Polyacetale können mit vielen thermischen Verarbeitungsprozessen verarbeitet werden: Spritzgiessen Extrudieren Extrusionsblasformen Warmumformen Schweissen Mechanische Verarbeitung Kleben ist aufgrund der guten Chemikalienbeständigkeit kaum möglich. Feinwerktechnik (Zahnräder usw. Outsert-Technik) Maschinenbau Fahrzeugbau Haushaltgeräte Bau- und Möbelindustrie Sportindustrie K8/27

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29 PA 6: Ultramid B (BASF), Grilon (EMS), Durethan B (BAYER) PA 66: PA 610: PA 612: PA 11: PA 12: Zytel (DUPONT), Ultramid A (BASF), Maranyl A (ICI) Zytel (DU PONT), Ultramid S (BASF), Maranyl B (ICI) Zytel (DU PONT) Riisan B (ATO) Rilsan A (ATO), Grilamid (EMS), Vestamid (HUELS) PA 6-3-T: Trogamid T (DYNAMIT), Grilamid TR 55 (EMS) Polyamide sind teilkristalline (PA 6-3-T amorph!) Werkstoffe mit einer Kristallinität von bis zu 60%. Bedingt durch ihren stark polaren Aufbau, zeigen sie eine mittlere bis hohe Wasseraufnahme (siehe Wasseraufnahme). Polyamide sind sehr schlagzäh bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, die dynamische Belastbarkeit ist ebenfalls gut. Sie verfügen über eine hohe Abriebfestigkeit neben guten Gleiteigenschaften. PA 6 ist zähhart mit gutem Dämpfungsvermögen. PA 66 zeichnet sich durch grosse Härte und Wärmeformbeständigkeit aus und ist daher der bevorzugte Werkstoff für mechanisch und thermisch hoch beanspruchte Formteile. PA 610/612/11 und 12 nehmen im Vergleich zu PA 6/66 relativ wenig Wasser auf, daher ist die Masshaltigkeit gut und die Abhängigkeit der mechanischen vom Wassergehalt stark verringert. Die Härte und Steifigkeit ist aber gegenüber konditioniertem PA 6/66 verringert. Polyamide sind geräuschund schwingungsdämpfend. Die Festigkeit kann durch den Zusatz von Glasfasern (bis 50%) beträchtlich erhöht werden, bei gleichzeitiger Verbesserung von Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Die Glasverstärkung reduziert aber die Schlagzähigkeit beträchtlich. Mit Glaskugeln modifizierte Polyamide werden für masshaltige, verzugsarme Formteile verwendet. Die amorphen Polyamide vereinigen eine gute Transparenz mit den guten mechanischen der Polyamide. Nachteilig sind aber eine mittlere bis hohe Spannungsrissanfälligkeit und die hohe Wasseraufnahme. Elektrische : Thermische : Die elektrischen sind stark abhängig vom Wassergehalt. Der günstige Oberflächenwiderstand verhindert elektrostatische Aufladungen weitgehend. Polyamide zeigen aber hohe dielektrische Verluste; die Kriechstromfestigkeit ist gut. Die obere Dauergebrauchstemperatur beträgt je nach Typ 80 bis 120 C. Kristallitschmelzbereiche: Werkstoff Kristallitschmelzbereich [ C] PA PA PA PA PA PA 3-6-T zeigt einen Erweichungsbereich (Glasübergang) von 130 bis 140 C, welcher abhängig ist vom Wassergehalt. Alterungsbeständigkeit: Die mässige thermooxidative Beständigkeit und die UV-Empfindlichkeit können durch entsprechende Stabilisatorsysteme (Alterungsschutzmittel) stark verbessert werden. K8/30

30 Chemikalienbeständigkeit: Wasseraufnahme: Polyamide sind beständig gegenüber Kohlenwasserstoffen, Benzin, Ölen, Fetten, vielen Lösungsmitteln und schwachen Laugen. Sie sind nicht beständig gegenüber starken Säuren, Laugen und Oxidationsmitteln. Amorphe Polyamide zeigen eine starke Spannungsrissanfälligkeit gegenüber Ethanol, Aceton und Dichlormethan. Teilkristalline Polyamide zeigen z.t. Spannungsrissbildung im Kontakt mit wässrigen Lösungen von Zinkchlorid. Die Wasseraufnahme bei Normalklima (23 C / 50% rf) verläuft bei Formteilen sehr langsam. Daher werden Spritzgussteile nach der Verarbeitung in normalem Wasser konditioniert. Die verschiedenen Polyamide zeigen folgende Wasseraufnahme: Wasseraufnahme (%) in Wasser bei 20 C bei Normalklima 23/50 Klistallinität hoch tief hoch tief PA 006 8,5 11 2,8 3,2 PA 066 7,5 10 2,5 2,7 PA ,2 1,4 PA 011 1,8 02,2 0,8 1,2 PA 012 1,5 01,8 0,7 1,1 PA 3-6-T 6,5 3 Durch den Kristallinitätsgrad und den Wassergehalt werden viele der Polyamide in folgender Weise beeinflusst: Eigenschaft zunehmender zunehmende Kristallinität Wassergehalt E-Modul fällt nimmt zu Streckspannung fällt nimmt zu Zähigkeit nimmt stark zu fällt Bruchdehnung nimmt zu fällt Elektr. Isoliereigenschaft fällt Dielektrizitätszahl nimmt zu fällt Wasseraufnahmevermögen fällt Lichtdurchlässigkeit fällt Chemische Beständigkeit nimmt zu Verarbeitung Polyamide können mit vielen thermischen Formgebungsprozessen verarbeitet werden: Spritzgiessen (Material vortrocknen!) Extrusion (Material vortrocknen!) Mechanische Bearbeitung und Schweissen Wirbelsinterung, Flammspritzen und elektrostatische Beschichtung Reaktionsgiessen von Gusspolyamid Maschinenbau und Feinwerktechnik Fahrzeugbau Elektrotechnik Sanitärtechnik Bau- und Möbelindustrie Diverses wie Medizin, Verpackungsfolien, Seile und Textilfasern K8/31

31 Sondertypen: Thermoplastische Polyamidelastomere (TPAE) Grilamid ELY (EMS), Pebax (ATO) Durch die Copolymerisation von Polyethern und Polyestern mit Polyamid 12 entstehen die sogenannten thermoplastischen Polyamidelastomere (TPAE). Sie verbinden die thermoplastische Verarbeitbarkeit mit den gummielastischen der Elastomere. Durch die Variation der Copolymerenzusammensetzung können die vom reinen PA 12 bis zu sehr weichen Typen mit hohem Weichsegmentanteil (Polyether/- ester) verändert werden. Als Basis für die Typenbezeichnung dient z.b. die Härte Shore D. Sportbereich (Schuhe) Elektrotechnik (Kabelummantelungen) Maschinenbau (Schläuche, Riemen) Medizin Automobilbau K8/32

32 Lineare Polyester Polyethylenterephthalat / Polybutylenterephthalat nach DIN 7728 PETP = Polyethylenterephthalat PBTP = Polybutylenterephthalat PETP PBTP Normierung: DIN PETP: Crastin (CIBA), Rynite (DU PONT), Arnite (AKZO) PBTP: Crastin (CIBA), Orgater (ATP), Pocan (BAYER), Valox (GEP), Ultradur (BASF) PETP kann aufgrund einer geringen Kristallisationsgeschwindigkeit je nach Verarbeitungsbedingungen in amorphtransparentem oder teilkristallinem Zustand (30 40%) vorliegen. Zur Beschleunigung des Kristallisationsvorganges werden dem PETP sogenannte Nukleierungsmittel beigefügt. PBTP ist ebenfalls ein teilkristalliner Werkstoff mit etwas günstigeren Kristallisationseigenschaften. Beide Materialtypen gelten als relativ anspruchsvoll in der Verarbeitung. PETP hat eine hohe Härte, Steifigkeit und Festigkeit bei guter Zähigkeit bis 40 C. Es weist günstige Abrieb- und Gleiteigenschaften auf. PBTP weist eine bessere Zähigkeit auf. Gleichzeitig sind aber Härte, Steifigkeit und Festigkeit etwas reduziert. Beide Materialtypen werden zur Verbesserung der Festigkeit, E-Modul und Zeitstandfestigkeit mit bis zu 30% Kurzglasfasern versetzt. Gleichzeitig verschlechtern sich aber die Zähigkeitswerte. Transparentes, gerecktes (praktisch amorphes) PETP gewinnt zunehmend an Bedeutung für PET-Getränkeverpackungen. Durch das biaxiale Recken während des Blasvorgangs erhält das Material ein günstiges Permeationsverhalten gegenüber Kohlendioxid der zu verpackenden Getränke. Ein grosser Vorteil der PET- Flaschen liegt bei der verringerten Splitterbildung bei Bruch. K8/33

33 Elektrische : Thermische : Kristallitschmelzbereich: Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung PETP und PBTP weisen ein gutes elektrisches Isolationsvermögen auf. Die hohe Durchschlagsfestigkeit wird kaum beeinflusst durch die geringe Wasseraufnahme. Das dielektrische Verhalten ist günstig. Die Gebrauchstemperatur beträgt 60 C (PETP 40 C) bis ca. 110 C, mit Glasfaserverstärkung bis +200 C. PETP: 250 bis 260 C PBTP: 220 bis 230 C PETP und PBTP sind beständig (Auswahl!) gegenüber Kohlenwasserstoffen, Ölen, Fetten, Treibstoffen, aliphatischen Estern, schwachen Säuren und Laugen. Sie sind nicht beständig gegenüber heissem Wasser und Wasserdampf (Hydrolyse), Aceton, Halogenkohlenwasserstoffen und konzentrierten, starken Säuren und Laugen. Polyester lassen sich mit folgenden thermischen Verfahren verarbeiten: Spritzgiessen (Vortrocknen!) Extrudieren Warmformen (mit Einschränkungen) Schweissen und Kleben Diverse: mechanische Bearbeitung, polieren auf Hochglanz Maschinenbau (Feinwerktechnik) Elektrotechnik (vorwiegend mit flammhemmender Ausrüstung) Verpackungsbereich (PET-Flaschen) Haushaltgeräte - Sondertypen Blends: PETP wird mit Polycarbonaten zu sogenannten Blends (Mischungen, Legierungen) verarbeitet (siehe Polycarbonat). Thermoplastische Polyester-Elastomere: Durch die Copolymerisation mit Polyethern (Weichsegmenten) zu sogenannten Polyetherester-Blockcopolymeren (PEE-Elastomeren) entstehen thermoplastisch verarbeitbare Elastomere, deren in einem weiten Bereich durch das Variieren der Weichsegmentkonzentration eingestellt werden können. Arnitel (AKZO), Hytrel (DU PONT) Laufrollen, Dichtungen, Riemen Bälge usw. K8/34

34 Polycarbonat nach DIN 7728 PC Makrolon (BAYER), Lexan (GEP), Orgalon (ATO) Normierung: DIN 7744 Polycarbonat zählt als transparenter Werkstoff zu den amorphen Thermoplasten. Dichte = 1,20 g/cm 3. Polycarbonat zeigt eine hohe Steifigkeit, kombiniert mit einer hervorragenden Schlagzähigkeit bis in tiefste Temperaturbereiche von 80 C. Die sehr gute Formfestigkeit erreicht bei geringer Temperaturabhängigkeit 130 C. Polycarbonate zeigen eine gute Arbeitsaufnahme bei stossartigen Beanspruchungen. Zur Erhöhung der Festigkeit, Zeitstandfestigkeit und Steifigkeit können Polycarbonate mit bis zu 40% Kurzglasfasern modifiziert werden, aber bei gleichzeitig verminderter Schlagzähigkeit. Elektrische : Thermische : Chemikalienbeständigkeit: Polycarbonate weisen von Feuchtigkeitsgehalten und Temperatur praktisch unabhängige gute Isolationseigenschaften auf. Die dielektrischen Verluste zeigen eine charakteristische Frequenzabhängigkeit. Bedingt durch die hohen Oberflächenwiderstände zeigen Polycarbonate ausgeprägte elektrostatische Aufladungen. Der Gebrauchstemperaturbereich beträgt 80 bis +130 C. Mit Glasfaserverstärkung zeigen Polycarbonate relativ geringe Ausdehnungskoeffizienten. Polycarbonate brennen mit russender Flamme mit einem typischen Geruch nach Phenol. Sie sind selbstverlöschend. Polycarbonate weisen eine relativ gute, natürliche thermooxidative Beständigkeit auf. Beim Einsatz unter Aussenbewitterung müssen sie aber mit UV-Stabilisatoren geschützt werden. Erste Symptome für eine Veränderung durch UV-Strahlen ist eine Vergilbung der Oberfläche. Als amorpher Werkstoff ist Polycarbonat bei Chemikalienkontakt speziell anfällig für die sogenannte Spannungsrissbildung. Eine erste Voraussetzung zur Risikoverminderung sind optimal verarbeitete Formteile mit niedrigem Eigenspannungsniveau (siehe Prüfung auf Eigenspannung). Polycarbonate sind beständig (Auswahl!) gegenüber gesättigten Kohlenwasserstoffen, verdünnten Mineralsäuren und Alkoholen (Ausnahme Methanol). Nicht beständig ist PC gegenüber starken Laugen, aromatischen Kohlenwasserstoffen und halogenierten Kohlenwasserstoffen. Methylenchlorid löst PC auf. Speziell spannungsrissauslösend wirken Tetrachlorkohlenstoff und Toluol. K8/35

35 Verarbeitung Polycarbonate können mit folgenden thermischen Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (Vortrocknung notwendig!) Extrudieren Warmumformen Diverse: Schweissen und Kleben Mechanische Verarbeitung Elektrotechnik Optik Feinwerktechnik, Apparatebau Haushaltartikel Diverse: Schutzhelme, Schutzschilde und schlagfeste Leuchtabdeckungen, Folien Sondertypen Zur Verbesserung gewisser Werkstoffeigenschaften werden Polycarbonate mit verschiedenen anderen Thermoplasten gemischt (Blend = Legierung). PC und ABS; Handelsname Bayblend (BAYER) PC und PBTP; Handelsname Makroblend (BAYER), Xenoy (GEP) K8/36

36 Polyetherimid PEI Elektrische : Thermische : Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung Handelsname: Ultern (GEP) Polyetherimid als Vertreter der amorphen Thermoplaste zählt zu den sogenannten Hochleistungs-Polymerwerkstoffen. PEI ist transparent mit einer dunkelbraunen Eigenfarbe. Der strukturelle Aufbau von PEI bewirkt eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit schon im unverstärkten Zustand. PEI zeigt eine mittlere Schlagzähigkeit, ist aber gleichzeitig relativ kerbempfindlich (niedrige Kerbschlagzähigkeit). Die schon gute Steifigkeit von PEI kann mit Textilglasfasern oder Kohlefasern noch weiter gesteigert werden. Die günstigen dielektrischen sowie der hohe Durchgangswiderstand von PEI bleiben über einem weiten Temperaturbereich konstant und werden auch von Umgebungseinflüssen kaum beeinträchtigt. Der Verlustfaktor ist niedrig und wenig frequenzabhängig. Die Dauergebrauchstemperatur von PEI beträgt 170 C. Mit Glasverstärkung sind kurzzeitig über 200 C möglich. Die Erweichungstemperatur (Glasumwandlung) beträgt 217 C. PEI zeigt generell einen relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizient, mit 30% Glasfasern ist er praktisch identisch mit demjenigen von Aluminium. PEI zeigt sehr gutes Wärmeverhalten und Witterungsbeständigkeit. Hervorragend ist auch das Brandverhalten. So erreicht PEI bei geringen Wanddicken eine UL-Klassierung V-O. Beim Verbrennen entstehen mässig toxische Brandgase. PEI ist beständig gegenüber (Auswahl) Mineralsäuren und schwachen Laugen, Kraftstoffen, Ölen, Schmierstoffen, Alkohole, Tetrachlorkohlenstoff und Ether. Wie alle amorphen Thermoplaste ist auch PEI gegen einige Medien spannungsrissanfällig. Es ist nicht beständig gegenüber Chloroform, Ethylacetat, MEK, Trichlorethan und Methylenchlorid. PEI weist aber eine gute Hydrolysebeständigkeit auf. Polyetherimid wird vorwiegend im Spritzgiessverfahren verarbeitet. Die Spritzgussverarbeitung ist gekennzeichnet durch sehr hohe Massentemperaturen von C. Bearbeitung mit mechanischen Verfahren oder mit Lasertechnik ist möglich. Hochspannungsschutzschalter-Gehäuse Bauteile von Mikrowellenöfen Lötbeständige Klemmleisten Träger integrierter Schaltungen Lagerkäfige Flugzeug-Sitzschalen (Brandverhalten) K8/37

37 Polysulfone + Polyethersulfone nach DIN 7728 PSU; PES Polysulfon (PSU) Polyethersulfon (PES PSU: Udel, Mindel (UNION CARBIDE) PES: Ultrason (BASF), Vicrex (ICI) Elektrische : Thermische : Polysulfone zählen zu den amorphen Thermoplasten. Sie sind transparent mit gelblicher Eigenfarbe. Polysulfone zeigen eine hohe Festigkeit, gute Steifigkeit, geringe Kriechneigung bis 180 C und eine gute Zähigkeit auch bei tiefen Temperaturen. Allerdings weisen die Materialien eine relativ grosse Kerbempfindlichkeit auf. Die mechanischen können auf Kosten der Zähigkeit durch den Zusatz von Glasfasern verbessert werden. Polysulfone weisen gute Isolationseigenschaften auf und zeigen geringe dielektrische Verluste in Abhängigkeit der Umgebungseinflüsse. PSU zeigt einen Gebrauchstemperaturbereich von 70 C bis +150 C. PES von 70 C bis +200 C. Sie weisen eine gute Wärmealterungsbeständigkeit auf, müssen aber im Ausseneinsatz UV-stabilisiert werden. Polysulfone haben kleine Wärmedehnzahlen, sind schwer entflammbar und brennen mit geringer Rauchentwicklung. K8/38

38 Chemikalienbeständigkeit: Verarbeitung Polysulfone sind beständig gegenüber (Auswahl), verdünnten Säuren und Laugen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und sind gut hydrolysestabil. Als amorphe Werkstoffe sind Polysulfone im Kontakt mit gewissen Chemikalien speziell anfällig für die sogenannte Spannungsrissbildung. Eine Voraussetzung zur Risikoverminderung neben der Beständigkeitsabklärung sind optimal verarbeitete Formteile mit niedrigem Eigenspannungsniveau. Polysulfone sind nicht beständig gegenüber Ketonen, Halogenkohlenwasserstoffen und aromatischen Kohlenwasserstoffen. PSU kann mit folgenden Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (Vortrocknen) Extrusion (Vortrocknen) Warmumformen Kleben Schweissen (Ultraschall) Mechanische Bearbeitung Elektrotechnik, Feinwerktechnik Fahrzeugbau Haushaltgeräte Diverse: Medizinaltechnik, Optik, Schnappverbindungen K8/39

39 Polyphenylensulfid nach DIN 7728 PPS Ryton PPS (PHILIPS-PETROLEUM) Craston (CIBA-GEIGY) Verarbeitung PPS weist eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Härte auf. Der Werkstoff ist aber relativ spröde, so dass die Zähigkeit relativ niedrig ist. PPS gehört zu den teilkristallinen Polymeren und weist eine braune Eigenfarbe auf. Die Wärmebeständigkeit von den glasfaserverstärkten Standardtypen (40%) ist ausserordentlich gut ( C). Der Kristallitschmelzbereich beträgt C. Mit 40% Glasfasern ist der Längenausdehnungskoeffizient identisch mit demjenigen von Aluminium. PPS ist sehr gut alterungsbeständig, schwer entflammbar und selbstverlöschend. Die Chemikalienbeständigkeit ist sehr gut. Nicht beständig ist PPS gegenüber konzentrierter Salpetersäure. PPS kann mit folgendem Verfahren verarbeitet werden: Spritzgiessen (Massetemperaturen bis 380 C!) Formpressen Kleben (Cyanacrylat / Epoxi) Schweissen (Ultraschall) Mechanische Bearbeitung Diverse: Wirbelsintern, Aufspritzen Für mechanisch, thermisch, elektrisch und chemisch hochbeanspruchte Formteile in folgenden Anwendungsbereichen: Elektrotechnik/Elektronik Apparatebau (Chemie) Fahrzeugbau Antihaftbeschichtungen K8/40