Was sind technische Kunststoffe?

1. Kunststoffe: Eine kurze Einführung

Technische Kunststoffe ist der Sammelbegriff für eine Familie von Kunststoffmaterialien mit hervorragender Festigkeit und Hitzebeständigkeit. Genauer gesagt handelt es sich bei technischen Kunststoffen um hochfunktionelle Harze mit einer typischen Hitzebeständigkeit von über 100 °C, Festigkeit von über 49 MPa (500 kgf/㎠) und einem Biegemodul von über 2,4 GPa (24.500 kgf/㎠).

Um die einzigartigen Eigenschaften technischer Kunststoffe zu würdigen, ist ein grundlegendes Verständnis von Kunststoffen im Allgemeinen erforderlich. Kunststoffe sind Substanzen, deren chemische Struktur aus Kettenpolymeren besteht; wie in Abbildung 1 gezeigt, sind dies längliche Moleküle, in denen bis zu 1.000 oder mehr Kohlenstoffatome in einer flexiblen Struktur aneinandergekettet sind, die sich isoliert relativ frei bewegen kann. Wenn diese langen Moleküle jedoch zusammengepackt werden, sind sie so eng miteinander verflochten, dass es – zumindest bei Normaltemperaturen – schwierig ist, ein Molekül von den anderen zu trennen. Bei hohen Temperaturen hingegen wird die Molekularbewegung aktiviert und die Kräfte, die benachbarte Moleküle einschränken, lassen allmählich nach, wodurch die Moleküle sich freier bewegen können. Aus diesem Grund schmelzen Kunststoffe bei hohen Temperaturen.

Wenn Kunststoffe in Lösungsmitteln reißen oder zerfallen, liegt das daran, dass sich ihre länglichen Moleküle voneinander trennen. Die Länge der Molekülketten, aus denen typische Kunststoffe bestehen, ist jedoch ausreichend, um sicherzustellen, dass sich die Moleküle unter normalen Verwendungsbedingungen nicht trennen.
Diese Verhaltenseigenschaften von Kettenpolymeren genügen, um die wichtigsten Eigenschaften von Kunststoffen zu erklären:

(1) Ihre Festigkeit und Härte sind für den praktischen Einsatz ausreichend.
(2) Bei Zimmertemperatur sind sie fest.
(3) Bei höheren Temperaturen schmelzen sie und können in nahezu jede beliebige Form gebracht werden.

2. Was sind technische Kunststoffe?

Unter den verschiedenen Kunststoffarten bezeichnet der Begriff „technische Kunststoffe“ eine besondere Familie von Kunststoffmaterialien mit ungewöhnlich hoher Leistung. Um ein Schmelzen – auch bei hohen Temperaturen – zu verhindern und den Abbau in Gegenwart von Lösungsmitteln zu minimieren, muss die Bewegung der Molekülketten in Kunststoffen verhindert werden. Wie in Spalte 1 beschrieben, gibt es verschiedene Strategien, um dies zu erreichen. Bei technischen Kunststoffen besteht der gängigste Ansatz darin, andere Atome als Kohlenstoff (in Abbildung 2 mit X gekennzeichnet) in die Molekülketten einzufügen.

CX-Bindungen unterdrücken die Molekülbewegung stärker als CC-Bindungen und erhöhen dadurch die Schmelztemperaturen. Das Einfügen von Benzolringen anstelle einzelner Atome führt zu einer noch stärkeren bewegungshemmenden Wirkung.

3. Arten von technischen Kunststoffen

Unter den verschiedenen Kategorien technischer Kunststoffe sind die so genannten Allzweck-Technikkunststoffe die am häufigsten verwendeten, wobei die fünf wichtigsten Arten als die fünf wichtigsten Technikkunststoffe bezeichnet werden.​
Um weitere Leistungssteigerungen zu erreichen, müssen in der Regel die Vorteile von Benzolringen ausgenutzt werden. Technische Kunststoffe, die mit einer höheren Konzentration von Benzolringen in Primärketten hergestellt werden – wodurch verschiedene physikalische Eigenschaften, insbesondere die Hitzebeständigkeit, verbessert werden – werden manchmal als Super-Technical-Plastic bezeichnet.

Viele weitere Informationen zu den verschiedenen Kategorien und Typen technischer Kunststoffe und Super-Technischer Kunststoffe finden Sie in der Reihe „Foundations of CAE Analysis“ und insbesondere in Band 2: „Basic Aspects of Plastic CAE“.

4. Übersicht über die fünf wichtigsten technischen Kunststoffe

Tabelle 1 bietet einen Überblick über die fünf wichtigsten technischen Kunststoffe.

Die oberen drei Sorten sind kristalline Harze (siehe Spalte 2), aufgelistet in der Reihenfolge von der höchsten bis zur niedrigsten Kristallinität. Die unteren beiden Sorten sind nichtkristalline Harze. Unter allen technischen Allzweckkunststoffen ist Polycarbonat das einzige transparente nichtkristalline Harz. Obwohl modifizierter Polyphenylenether (PPE) ebenfalls ein nichtkristallines Harz ist, wird PPE selten isoliert verwendet; stattdessen wird es typischerweise als Polymerlegierungsmaterial verwendet (Spalte 3). Reines PPE weist eine hohe Hitzebeständigkeit auf, lässt sich aber nur schwer in komplexe Formen bringen; durch Legierung mit anderen Harzen wie Polystyrol erhält man Materialien, die leicht formbar sind und gleichzeitig eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften bieten.

Im Folgenden geben wir einen kurzen Überblick über die Hauptmerkmale der fünf wichtigsten technischen Kunststoffe.

Polyacetal (POM）

Von den fünf wichtigsten technischen Kunststoffen hat Polyacetal die höchste Kristallinität und sorgt so für eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, die es zum idealen Material für Zahnräder, Achsaufhängungen und andere Komponenten macht, die häufigen Gleitbewegungen standhalten müssen. POM gibt es in zwei Varianten: Homopolymer und Copolymer (Spalte 3). Homopolymer-POM hat einen hohen Schmelzpunkt und ausgezeichnete Festigkeit und Steifigkeit, während Copolymer-POM flexibel ist und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen hitzebedingten Abbau, Chemikalienbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit bietet.

Polyamid (PA)

Polyamid (PA) gibt es in vielen Varianten. Die beiden am häufigsten als Strukturmaterialien verwendeten technischen Kunststoffe für allgemeine Zwecke sind PA6 und PA66. PA ist ein kristallines Harz, bei dem starke intermolekulare Kräfte, die durch die Anwesenheit von Amidgruppen bedingt sind, für hervorragende mechanische Eigenschaften und Lösungsmittelbeständigkeit sorgen. Zu den am häufigsten verwendeten Polyamidharzen zählen Spezialtypen, die in bestimmten Bereichen wie Flammschutz oder Hitzebeständigkeit besonders hohe Leistung bieten, sowie festigkeitsverstärkte Typen, die mit Glasfasern oder anderen Füllstoffen hergestellt werden.
Neben den technischen Allzweckkunststoffen PA6 und PA66 gibt es viele spezielle Varianten von Polyamidharzen, darunter PA612 und PA12, die weniger Amidgruppen enthalten, um die Wasseraufnahme zu verringern; PA610 und PA11, die aus pflanzlichen Inhaltsstoffen hergestellt werden; und PA4T, PA6T und PA9T, die Benzolringe enthalten, um die Hitzebeständigkeit zu erhöhen.

Polybutylenterephthalat (PBT)

PBT, ein kristallines Harz, dessen Primärketten Benzolringe enthalten, bietet hervorragende mechanische Eigenschaften und Beständigkeit gegen Lösungsmittel. Dieses Material zeichnet sich außerdem durch geringe Wasseraufnahme, gute Dimensionsstabilität und hervorragende elektrische Eigenschaften aus und lässt sich leicht modifizieren, um Flammschutz oder Faserverstärkung hinzuzufügen. Diese Eigenschaften machen PBT zu einem weit verbreiteten Material für Automobil- und Elektrokomponenten.

Polycarbonat (PC)

Polycarbonat (PC), ein nichtkristallines Harz, dessen Primärketten Benzolringe enthalten, ist das einzige transparente Material unter den technischen Allzweckkunststoffen. PC wird zur Herstellung von Linsen und anderen optischen Komponenten sowie optischen Speichermedien wie DVDs verwendet. Legierungsmaterialien, die durch Mischen von PC mit ABS entstehen, weisen eine hervorragende Schlagfestigkeit und gute Formeigenschaften auf und werden für Produkte wie Gehäuse von Haushaltsgeräten verwendet.

Modifizierter Polyphenylenether (m-PPE)

M-PPE ist ein nichtkristallines Harz mit der niedrigsten Dichte aller technischen Kunststoffe für allgemeine Zwecke und eignet sich daher gut für Leichtbauteile, um die Gewichtsreduzierung von Produkten zu erleichtern. M-PPE zeichnet sich durch gute Hitzebeständigkeit, gute Beständigkeit gegen anorganische Chemikalien und hohe Maßgenauigkeit aus. Aufgrund seiner Brennbeständigkeit lässt es sich außerdem relativ leicht flammhemmend machen. Obwohl PPE, wie oben erwähnt, eine hohe Hitzebeständigkeit aufweist, ist es aufgrund seiner schlechten Formbarkeit schwierig, aus reinem PPE komplexe Formen herzustellen. Aus diesem Grund wird PPE häufig durch Legierung mit Polystyrol oder anderen Harzen modifiziert, um leicht formbare Materialien mit einer Reihe anderer wünschenswerter Eigenschaften zu erhalten. In den letzten Jahren wurde PPE mit einer zunehmend größeren Vielfalt von Nicht-Polystyrol-Harzen gemischt, um neuartige Materialien für ein breites Spektrum von Anforderungen zu erhalten. Der Begriff M-PPE, die Abkürzung für „modifiziertes PPE“, soll Materialien beschreiben, die durch die Nutzung von Polymerlegierungen besonders einfach zu verwenden sind.

5. Die Umweltauswirkungen technischer Kunststoffe

Im Vergleich zu Allzweckkunststoffen verringert sich durch die Verwendung von technischen Kunststoffen die Gesamtmenge der Materialbestandteile, die zur Herstellung von Produkten gleicher Qualität erforderlich sind. Darüber hinaus trägt der Ersatz von Kohlenstoffatomen durch andere Elemente in Primärketten dazu bei, die Menge der Treibhausgase zu verringern, die beim Verbrennen von Produkten nach Gebrauch freigesetzt werden. Darüber hinaus sind viele der zur Herstellung von technischen Kunststoffen verwendeten Bestandteile – darunter Alkohole, Carbonsäuren, Phenole, Amine und Amide – entweder pflanzlichen Ursprungs oder können leicht aus pflanzlichen Substanzen synthetisiert werden, was die Bemühungen zur Reduzierung der Nutzung fossiler Brennstoffressourcen erleichtert. Beispielsweise ist Rizinusöl – ein wichtiger Bestandteil zur Herstellung von Polyamid 11 und Polyamid 610 – pflanzlichen Ursprungs, während Formalin zur Herstellung von Polyacetal durch Oxidation von Methanol gewonnen wird, das wiederum durch Fermentation pflanzlicher Bestandteile hergestellt werden kann.
Zu den wichtigsten und zahlreichsten Produkten aus technischen Kunststoffen zählen Industriekomponenten, wohingegen Einwegkunststoffe– die Hauptanwendung der meisten Allzweckkunststoffe – selten sind.
Angesichts des immer gravierenderen Problems der globalen Erwärmung muss man sich dringend mit dem Ziel befassen, den ökologischen Fußabdruck in allen Lebensbereichen zu verringern – und technische Kunststoffe bilden hier keine Ausnahme: Bemühungen, sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verwendung technischer Kunststoffe Materialmengen zu reduzieren und die Produktlebensdauer zu verlängern, sind von zentraler Bedeutung. Wenn sich die Nutzungsdauer eines Produkts verdoppelt, kann man tatsächlich davon ausgehen, dass sich seine gesamten Umweltauswirkungen – von der Verwendung bis zur Entsorgung –halbieren.
Daher stellt die Herausforderung, die Funktionalität einer breiten Palette von Materialien zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern, einen entscheidenden Schritt zur Minimierung der Schäden für die Umwelt der Erde dar.

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Spalte 1: Leistungssteigerungsstrategien für kettenförmige Polymere

Die Herausforderung, die Materialeigenschaften von Kunststoffen zu verbessern – darunter Festigkeit, chemische Beständigkeit und Hitzebeständigkeit – lässt sich, wenn man es nur ein wenig vereinfacht, auf ein übergeordnetes Ziel reduzieren: die Einschränkung der Molekülbewegung. Das Phänomen der Formverformung tritt beispielsweise auf, wenn benachbarte Moleküle ihre dynamische Konfiguration ändern, während Phänomene wie Zerreißen, Schmelzen und Auflösen darauf zurückzuführen sind, dass sich benachbarte Moleküle voneinander trennen. Um das Auftreten all dieser Phänomene zu unterdrücken, muss man also die Molekülbewegung unterdrücken, und es gibt eine Reihe von Strategien, um dies zu erreichen. Die wichtigsten sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, kann die Leistung auf zwei Arten gesteigert werden: durch Einschränkung der individuellen Bewegung der Moleküle selbst oder durch Unterdrückung der intermolekularen Bewegung von Molekülen relativ zu anderen benachbarten Molekülen. Im ersten Fall ist die Länge der kettenförmigen Moleküle in einem Kunststoff der entscheidende Faktor; je länger jede Molekülkette ist, desto stärker wird ihre Bewegung durch die Anwesenheit benachbarter Ketten eingeschränkt, was wiederum die Leistung steigert. Die Leistung kann weiter gesteigert werden, indem man in die Molekülketten Nicht-Kohlenstoffatome oder Benzolringe einfügt, um ihre Steifigkeit zu erhöhen (Abbildung 2), oder indem man die Seitenketten vergrößert, um die Molekülbewegung zu behindern. Durch Modifizierung der Primärketten wird die Hitzebeständigkeit erhöht. Diese Techniken werden ausnahmslos eingesetzt, um die Leistung von technischen Kunststoffen zu verbessern (Tabellen 2 und 3).

Die Strategie, Seitenketten zu vergrößern, um die Steifigkeit zu erhöhen, ist relativ einfach umzusetzen und wird daher verwendet, um die Eigenschaften von Allzweckkunststoffen zu diversifizieren. Dieser Ansatz beeinflusst jedoch nicht die Struktur der Primärketten und führt daher nur zu einer minimalen Verbesserung der Wärmebeständigkeit.

Der andere Ansatz, die Stärkung der intermolekularen Kräfte, soll die Trennung benachbarter Moleküle verhindern und umfasst Strategien wie die Kristallisation zur Erzeugung geordneter Konfigurationen, Techniken zur Optimierung Molekülstrukturen und Bemühungen zur Erhöhung der intermolekularen Affinitäten.

Spalte 2: Kristallinität

Wenn sich ein kettenförmiges Molekül verlängert, nimmt es eine Zickzack-Konfiguration an, wie in Abbildung 3 dargestellt. Wenn sich ein Molekül in einem solchen Zustand einem anderen Molekül nähert, gelangen die Moleküle allmählich in einen Zustand maximaler Stabilität bei einem bestimmten festen intermolekularen Abstand. Wenn sich dieser Prozess wiederholt, bilden die verlängerten Ketten schließlich eine Konfiguration aus periodischen Anordnungen regelmäßig angeordneter Moleküle (Abbildung 3) – das heißt, sie bilden einen Kristall. Kristalle sind stabiler und dichter als nichtkristalline Materiezustände, und ihre starken intermolekularen Kräfte sorgen für hohe Hitzebeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften.
Die einzigen Polymere, die Kristalle bilden können, sind solche, deren Molekülstruktur eine einfache Anordnung in Arrays ermöglicht; Kunststoffe, die aus solchen Materialien hergestellt werden, werden als kristalline Kunststoffe bezeichnet. Kunststoffe, die keine Kristalle bilden, werden dagegen als nichtkristalline Kunststoffe bezeichnet.

Spalte 3: Copolymere und Polymerlegierungen

Eine weit verbreitete Technik besteht darin, Kunststoff X mit Kunststoff Y zu mischen, um ein neues Material mit Eigenschaften zu erhalten, die zwischen denen der beiden Komponenten liegen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, gibt es hierfür zwei Hauptmethoden. Der erste Ansatz, die sogenannte Copolymerisation, besteht darin, die Komponenten X und Y auf submolekularer Ebene zu mischen, wodurch Produkte entstehen, die als Copolymere bezeichnet werden. Polymere, die nur eine einzige Molekülkettenkomponente enthalten, werden als Homopolymere bezeichnet.
Beim zweiten Ansatz werden zunächst Moleküle der Substanz X und Moleküle der Substanz Y getrennt voneinander gebildet und dann die beiden Molekülarten gemischt, um eine Polymerlegierung zu erhalten – ein Begriff, der aus der Metallurgie stammt, um die Analogie zu Metalllegierungen hervorzuheben.

 

(Geschrieben von Isao Sato, Technisches Büro von Isao Sato)

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