Was ist Polybutylenterephthalat (PBT)?

1. Was ist Polybutylenterephthalat (PBT)?

Polybutylenterephthalat (PBT) ist ein kristallines Material, das als technischer Allzweckkunststoff klassifiziert wird. PBT, ein Polyestertyp aus Terephthalsäure und 1,4-Butandiol, bietet eine Reihe hervorragender Eigenschaften – darunter hohe chemische Beständigkeit, wünschenswerte elektrische Eigenschaften und hohe Eignung für Formgebung und andere industrielle Prozesse –, die es zu einem häufig gewählten Material in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen gemacht haben, darunter elektrische und elektronische Geräte, Automobilteile und Extrusionsformen für Folien. Andererseits macht die Prävalenz von Esterbindungen in PBT es anfällig für Abbau in Gegenwart starker Basen und anfällig für Hydrolyse in warmen, feuchten Umgebungen.

Ester werden durch die chemische Formel RCOOR' beschrieben und können durch die Reaktion eines Alkohols mit einer organischen Säure gebildet werden, wie das unten abgebildete Reaktionsschema veranschaulicht.

Kunststoffe bestehen aus kettenförmigen Polymeren. Zur Herstellung langer Esterketten werden als Bestandteile ein zweiwertiger Alkohol und eine zweiwertige organische Säure verwendet. Dabei kommt es über das unten dargestellte Reaktionsschema zur wiederholten Bildung von Esterbindungen, wodurch ein kettenförmiges Polymer entsteht.

Die Forschung zur praktischen Anwendung von Polyestern begann mit der Untersuchung von Fettpolyestern für synthetische Fasern. Die auf diese Weise hergestellten Materialien hielten jedoch der Temperatur heißer Bügeleisen – eine wichtige Voraussetzung für Fasern – nicht stand und konnten daher nicht kommerziell verwertet werden.
Irgendwann kam die Idee auf, die Hitzebeständigkeit durch Hinzufügen aromatischer Ringe zu verbessern, und dies führte zu einem Material, das für Fasern verwendet werden konnte: Polyethylenterephthalat (PET), hergestellt aus Terephthalsäure und Ethylenglykol. Heute wird PET nicht nur für synthetische Fasern, sondern auch für Filme, Flaschen und viele andere Produkte verwendet.
Obwohl PET manchmal als Material für Formprodukte verwendet wird, ist es aufgrund der relativ schwierigen Kristallisationseigenschaften dieses Materials schwierig, komplexe Formen daraus herzustellen. Um ein Material zu erhalten, das effizient zu Hochleistungsprodukten geformt werden kann, musste der Kristallisationsprozess irgendwie angeregt werden – zum Beispiel durch die Beimischung kristallisationsfördernder Additive in PET-basierte Formmaterialien.
Schließlich wurde jedoch entdeckt, dass der Ersatz der Ethylengruppen (C2) in PET durch Butylen (C4) – wodurch Polybutylenterephthalat (PBT) entstand – ein Material ergab, das leicht kristallisierte und keine kristallisationsfördernden Zusätze benötigte. Dies machte PBT zu einem häufig gewählten Material insbesondere für Spritzgussanwendungen. Heute wird PBT aus Terephthalsäure und 1,4-Butandiol hergestellt.

2. Hauptmerkmale von PBT

Die Esterbindungen und aromatischen Ringe in PBT sorgen für eine starke chemische Beständigkeit und gute elektrische Eigenschaften. Darüber hinaus wird PBT häufig mit Glasfasern oder anderen Füllstoffen vermischt, um die mechanischen Eigenschaften und die Hitzebeständigkeit zu verbessern.

• Hervorragende mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeit und Zähigkeit
• Kann mit Glasfasern oder anderen Füllstoffen verstärkt werden, um Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeitstemperatur zu verbessern
• Geringe Wasseraufnahme
• Hervorragende elektrische Eigenschaften
• Ausgezeichnete chemische Beständigkeit (einschließlich Beständigkeit gegen organische Lösungsmittel, schwache Säuren, schwache Basen und andere Stoffe)
• Geringe Wasseraufnahme sorgt für minimale Maßabweichungen

Asahi Kasei bietet außerdem spezielle PBT-Typen für verschiedene Zwecke an, darunter mit Füllstoffen verstärkte Typen, flammhemmende Typen, schlagfeste Typen, mit verschiedenen stabilisierenden Zusatzstoffen gemischte Typen und Typen mit hoher Zyklenzahl.
Zu den praktischen Überlegungen, die bei der Verwendung von PBT zu berücksichtigen sind, gehört die Tatsache, dass eine langfristige Einwirkung hoher Temperaturen in Gegenwart von Feuchtigkeit aufgrund der darin enthaltenen Esterbindungen zu einer Hydrolyse von PBT führen kann. Außerdem ist PBT gegenüber starken Säuren oder starken Laugenlösungen nicht sehr beständig. Daher erfordert die Verwendung von PBT in Umgebungen, in denen diese Gefahren bestehen, eine sorgfältige Beachtung aller relevanten Risikofaktoren.

3.Anwendungen

Aufgrund der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Vorteile ist PBT ein weit verbreitetes Material für zahlreiche Anwendungen, darunter elektrische und elektronische Geräte, Automobilkomponenten und elektrische Fahrzeugsysteme sowie das Extrusionsformen von Folien.

4. Formverfahren

Das Vorhandensein von Restwasser während der Formgebung von PBT führt zur Hydrolyse. Aus diesem Grund muss der Wassergehalt des zu formenden Materials auf unter 0,03 % gesenkt werden, was wiederum eine ausreichend lange Trocknung bei hohen Temperaturen (3 Stunden oder mehr bei 130 °C) erfordert. Üblicherweise werden Vakuumtrockner oder Trockentrockner verwendet.
PBT ist ein kristallines Material mit einem Schmelzpunkt von 230 °C. Beim Spritzgießen sollte die Zylindertemperatur daher auf eine Harztemperatur von 240–250 °C eingestellt werden.
Um sicherzustellen, dass die Formkörper ausreichend kristallisieren und die von PBT-Produkten erwartete hohe Leistung aufweisen, muss die Formtemperatur über 40 °C gehalten werden. Aufgrund der kristallinen Struktur von PBT ist es ratsam, ausreichend Druck aufrechtzuerhalten, um Einfallstellen und Verformungen zu vermeiden.

5. Vergleich von PBT und Polyamid66

PBT und Polyamid 66 (PA66) sind beides kristalline technische Kunststoffe, die häufig für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen gute Hitzebeständigkeit, hohe elektrische Isolierung, starke chemische Beständigkeit und andere damit verbundene Eigenschaften gefordert sind. In der Praxis hängt die richtige Wahl für eine bestimmte Anwendung von den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften dieser beiden Materialien ab, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

Anwendungen von PBT

Wie oben erwähnt, wird PBT aufgrund seiner hohen Hitzebeständigkeit und hervorragenden elektrischen Eigenschaften häufig für elektrische und elektronische Komponenten verwendet.

Anwendungen von PA66

Füllstoffverstärktes PA66 weist eine höhere mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit als PBT auf, weshalb dieses Material häufig für Anwendungen gewählt wird, die eine ungewöhnlich hohe Hitzebeständigkeit und Festigkeit erfordern, darunter elektrische und elektronische Komponenten sowie Strukturkomponenten für Kraftfahrzeuge. Da PA66-Materialien gute Gleiteigenschaften aufweisen, werden sie häufig zur Herstellung beweglicher Teile verwendet, die eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen müssen.

Letztendlich sind die Materialeigenschaften von PBT und PA66 ziemlich ähnlich, und jeder Materialhersteller entwickelt seine eigene Produktlinie von Materialqualitäten, bei denen die oben genannten Vorteile verstärkt oder die oben genannten Nachteile gemildert werden. Daher muss die richtige Materialauswahl für eine bestimmte Anwendung oft von Fall zu Fall getroffen werden.

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6. Globale Erwärmung und PBT

Techniken zur Gewinnung der Bestandteile von PBT – Terephthalsäure und 1,4-Butandiol – aus Biomasse stehen im Mittelpunkt laufender Forschungsbemühungen. Auch die Tatsache, dass Polyester mit relativ einfachen Verfahren polymerisiert werden können, lässt die Möglichkeit vermuten, Hochleistungs-Recyclingsysteme zu entwickeln, mit denen Abfallstoffe mit nur geringen Schadstoff- oder Fremdstoffwerten zurückgewonnen werden können.

Kolumne: Die Vielfalt der Polyester

Wie oben erläutert, werden Polyester durch die Verbindung eines zweiwertigen Alkohols mit einer zweiwertigen organischen Säure hergestellt. Die Wahl, welcher Alkohol mit welcher organischen Säure kombiniert wird, kann auf verschiedene Weise erfolgen, wodurch eine Vielzahl unterschiedlicher Polyestermaterialien entsteht, deren Eigenschaften in Tabelle 2 zusammengefasst sind.
PBT wird aus einem Fettalkohol und einer Säure mit aromatischen Ringen synthetisiert. Dies klassifiziert PBT als halbaromatischen Polyester, wobei die aromatischen Ringe für eine hohe Hitzebeständigkeit und gute elektrische Eigenschaften sorgen. Auch PET, das häufig zur Herstellung von Fasern, Folien und Flaschen verwendet wird, fällt in diese Kategorie.
Polyester wird auch zur Herstellung thermoplastischer Elastomere verwendet: Blockcopolymere, deren Moleküle sowohl leicht verformbare weiche Segmente als auch verformungsresistente harte Segmente enthalten. Bei thermoplastischen Elastomeren auf Polyesterbasis (auch als thermoplastische Copolyester oder TPCs bekannt) ist das harte Segment typischerweise ein aromatischer Polyester (häufig PBT), während das weiche Segment typischerweise ein Polyether (häufig PTMG) ist, was eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit gewährleistet.
Wenn sowohl die Säure als auch der Alkohol, aus denen ein Polyester hergestellt wird, fetthaltig sind, ist der entstehende Polyester biologisch abbaubar. Polymilchsäure (PLA) ist ein Beispiel für ein Harz, das als umweltfreundliches Material großes Interesse geweckt hat.
Wenn andererseits sowohl die Säure als auch der Alkohol, die zur Herstellung eines Polyesters verwendet werden, aromatisch sind, kann der resultierende Polyester ein flüssigkristallines Verhalten aufweisen. Flüssigkristalline Polyester (LCPs, auch als Flüssigkristallpolymere bekannt) weisen eine außerordentlich hohe Hitzebeständigkeit auf. Wenn sich der Schmelzpunkt eines Materials der Temperatur nähert, bei der das Material zu zerfallen beginnt, wird es schwierig, das Material in bestimmte Formen zu bringen, aber es kann als hitzebeständiges Hochleistungsmaterial oder als Fasermaterial verwendet werden.
Polyester, deren Molekülketten Doppelbindungen enthalten, werden als ungesättigte Polyester bezeichnet. Die Doppelbindungen in ungesättigten Polyestern können Querverbindungen zwischen Molekülketten bewirken, wodurch duroplastische Kunststoffe entstehen, die häufig als Materialien für große Formteile in der Bau- und Schiffbauindustrie verwendet werden.

Erstellt von Isao Sato basierend auf den folgenden Dokumenten usw.
Was ist Polyester? – Resin Plastic Materials Environmental Association (jushiplastic.com)
Saturated Polyester Resin Handbook, herausgegeben von Kazuo Yuki – Nikkan Kogyo Shimbun –
Polyesterharz-Handbuch, Eiichiro Takiyama/Autor – Nikkan Kogyo Shimbun –
Struktur und biologische Abbaubarkeit von aliphatischem Polyester, Masatsugu Mochizuki/Autor – Textilien und Industrie, Japan Textile Science Society –

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

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