Hochleistungskunststoffe

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Hochleistungskunststoffe sind Kunststoffe, die höheren Ansprüchen genügen, als Standard- oder technische Kunststoffe. Gleichzeitig sind sie aber auch teurer und werden in geringeren Mengen verwendet.[1] Die Gesamtweltproduktion an Hochleistungskunststoffen liegt bei knapp 200.000 Tonnen pro Jahr.[2]

Begriffsdefinition[Bearbeiten]

Hochleistungskunststoffe sind eine Kunststoffklasse, die sich gegenüber Standardkunststoffen und technischen Kunststoffen (auch: Konstruktionskunststoffen) in erster Linie durch ihre Temperaturbeständigkeit, aber auch ihre Chemikalienbeständigkeit und ihre mechanischen Eigenschaften, ihre Produktionsmenge und ihren Preis abgrenzen.

Es existieren zahlreiche Synonyme zum Begriff Hochleistungskunststoffe, wie: Hochtemperatur-Kunststoffe, High-Performance-Polymers, Hochleistungsthermoplaste oder auch High-Tech-Kunststoffe. Der Name Hochtemperaturkunststoffe rührt daher, dass ihre Dauergebrauchstemperatur definitionsgemäß stets höher als 150 °C ist (auch wenn dies nicht ihr einziges Merkmal ist, s. o.). Oft wird von Polymeren statt von Kunststoffen gesprochen, da beide Begriffe bei der ingenieursmäßigen Verwendung identisch sind. Wenn von Hochleistungsthermoplasten die Rede ist, so liegt das daran, dass sowohl bei Standard-, technischen, wie auch Hochleistungskunststoffen stets von Thermoplasten die Rede ist. Duroplaste und Elastomere liegen außerhalb dieser Einteilung und bilden eigene Klassen.

Ein Vergleich von Standardkunststoffen, technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffe wird durch die folgende Abbildung veranschaulicht:

PolyetherketoneHighperformance thermoplastics.svg
Über dieses Bild

Die Abgrenzung gegenüber weniger leistungsfähigen Kunststoffen ist jedoch im Laufe der Zeit variabel: Während Nylon und Poly(ethenterephthalat) bei ihrer Einführung noch als außerordentlich leistungsfähige Kunststoffe galten, gelten sie heutzutage als außerordentlich gewöhnlich.[3]

Geschichte[Bearbeiten]

Die Verbesserung von mechanischen Eigenschaften und Temperaturbeständigkeit ist seit jeher ein wichtiges Ziel bei der Erforschung neuer Kunststoffe. Seit Anfang der 1960er wurde die Entwicklung von Hochleistungskunststoffen durch entsprechende Bedürfnisse in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Kerntechnik vorangetrieben.[4] Beispielsweise wurden Synthesewege für PPS, PES und PSU in den 1960ern von Philips, ICI und Union Carbide entwickelt. Der Markteintritt erfolgte jeweils in den frühen 1970er Jahren. Eine Herstellung von PEEK (ICI), PEK (ICI) und PEI (General Electrics und GE) über Polykondensation wurde in den 1970ern entwickelt. PEK wurde bereits 1972 von Raychem angeboten, allerdings hergestellt über eine elektrophile Synthese. Da elektrophile Synthesen allgemein den Nachteil einer niedrigen Selektivität hin zu linearen Polymeren aufweisen und aggressive Edukte verwenden, konnte sich das Produkt nur kurze Zeit am Markt halten. Aus diesem Grund wird heute der überwiegende Teil der Hochleistungskunststoffe durch Polykondensationprozesse hergestellt.[3] Bei Herstellungsprozessen durch Polykondensation ist eine hohe Reinheit der Ausgangsstoffe wichtig. Zudem spielt die Stereochemie eine Rolle bei der Erzielung der erwünschten Eigenschaften. Die Entwicklung neuer Hochleistungskunststoffe ist daher eng mit der Entwicklung und wirtschaftlichen Produktion der zugrunde liegenden Monomere verknüpft.[3]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Hochleistungskunststoffe genügen höheren Ansprüchen als Standard- und technische Kunststoffe, da sie bessere mechanische Eigenschaften, eine höhere Chemikalien- und/oder eine höhere Wärmebeständigkeit aufweisen. Speziell durch Letztere wird jedoch auch ihre Verarbeitung erschwert, oft sind spezielle Maschinen notwendig. Meist sind Hochleistungskunststoffe auf eine einzige Eigenschaft (z. B. die Wärmeformbeständigkeit) spezialisiert. Damit stehen sie im Gegensatz zu technischen Kunststoffen, die ein breites Funktionsspektrum abdecken.[1]

Hochleistungskunststoffe sind verhältnismäßig teuer: Der Preis kann pro Kilogramm zwischen 5 (PA 46) und 100 US-Dollar (PEEK) betragen. Der durchschnittliche Wert liegt bei etwas weniger als 15 US-Dollar/kg.[5] Hochleistungskunststoffe sind damit etwa 3 bis 20 mal so teuer wie technische Kunststoffe.[3] Hier ist auch in Zukunft mit keinem deutlichen Preisrückgang zu rechnen, da damit zu rechnen ist, dass die Investitionskosten für Fertigungsanlagen, die aufwändige Entwicklung sowie die hohen Vertriebskosten konstant bleiben werden.[5]

Ihr Produktionsvolumen ist mit 20.000 t/Jahr sehr gering, ihr Marktanteil liegt damit bei etwa 1 %.[1][4]

Unter den Hochleistungspolymeren besitzen Fluorpolymere 45 % Marktanteil (Hauptvertreter: PTFE), schwefelhaltige, aromatische Polymere 20 % Marktanteil (PPS), aromatische Polyarylether und Polyketone 10 % Marktanteil (PEEK) Flüssigkristallpolymere (LCP) mit 6 %.[6][5] In der Elektro- und Elektronikindustrie werden 41 % der Hochleistungskunststoffe verwendet und in der Automobilindustrie 24 %, womit diese die größten Abnehmer wären. Alle restlichen Industrien (inklusive die chemische) haben einen Anteil von 23 %.[5]

Thermische Stabilität[Bearbeiten]

Thermische Stabilität ist eine zentrale Eigenschaft der Hochleistungskunststoffe. Auch sind mechanische Eigenschaften eng mit ihr verknüpft.

Ausgehend von den Eigenschaften der Standardkunststoffe können gewisse mechanische und thermische Verbesserungen bereits durch die Zugabe von Verstärkungsstoffen (z. B. Glas- und Kohlenstofffasern), den Zusatz von Stabilisatoren und durch eine Erhöhung des Polymerisationsgrades erzielt werden. Gebrauchstemperaturen von bis zu 130 °C werden durch das Ersetzen von aliphatischen durch aromatische Einheiten erreicht. Eine ähnliche Temperaturbeständigkeit wird mit bis zu 150 °C von Duroplaste erreicht (welche nicht zu den Hochleistungskunststoffen gehören, s. o.). Eine noch höhere Gebrauchstemperatur lässt sich durch eine enge Verknüpfung von Aromaten (z. B. Phenylgruppen) mit Sauerstoff (als Diphenylether-Gruppe z. B. in PEEK), Schwefel (als Diphenylsulfon-Gruppen in PES oder Diphenylsulfid-Gruppe z. B. in PPS) oder Stickstoff (Imidgruppe in PEI [Polyetherimid] oder PAI [Polyamidimid]) erreichen. Dadurch lassen sich Gebrauchstemperaturen von 200 °C im Falle des PES bis 260 °C bei PEI oder PAI erreichen.[7]

Die Erhöhung der Temperaturstabilität durch den Einbau von Aromaten hängt damit zusammen, dass die Temperaturstabilität eines Polymers durch seine Resistenz gegen thermische Degradation und seine Oxidationsbeständigkeit bestimmt wird. Die thermische Degradation erfolgt in erster Linie durch eine statistische Kettenspaltung; Depolymerisation und Abspaltung von niedermolekularen Verbindungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Der thermisch-oxidative Abbau eines Polymers beginnt bereits bei niedrigeren Temperaturen als der rein thermische Abbau. Beide Arten des Abbaus verlaufen über einen radikalischen Mechanismus.[8] Aromaten bieten einen guten Schutz gegen beide Arten des Abbaus, da freie Radikale durch das π-System der Aromaten delokalisiert und so stabilisiert werden können. Die thermische Stabilität steigt so stark an. Als Beispiel kann das ausschließlich aus aromatischen System bestehende Polyparaphenylen dienen, welches eine extreme Stabilität bietet und selbst bei Temperaturen oberhalb von 500 °C noch verwendbar ist. Durch die Starrheit der Ketten ist es jedoch kaum noch zu verarbeiten. Um einen Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Stabilität zu finden, können flexible Einheiten in die Kette eingebaut werden (z. B. O, S, C(CH3)2). Außerdem können Aromaten durch andere eher starre Einheiten ersetzt werden (z. B. SO2, CO). Aus der Mischung der verschiedenen Elemente entsteht so die Vielfalt der Hochleistungskunststoffen mit ihren unterschiedlichen Charakteristika.[3]

In der Praxis wird eine maximale Temperaturbeständigkeiten (etwa 260 °C) mit Fluorpolymeren erzielt, in welchen die Wasserstoffatome der Kohlenwasserstoffe durch Fluoratome ersetzt wurden.[7] Den größten Marktanteil besitzt hier PTFE mit 65–70 %.[6] Fluorhaltige Polymere eignen sich jedoch wegen schlechter mechanischer Eigenschaften nicht als Konstruktionswerkstoff (niedrige Festigkeit und Steifigkeit, starkes Kriechen unter Belastung).[7]

Kristallinität[Bearbeiten]

So wie alle Polymere, lassen sich auch Hochleistungskunststoffe in Armophe und Teilkristalline einteilen. So sind beispielsweise Polysulfon (PSU), Poly(ethersulfone) (PES) und polyetherimide (PEI) beispielsweise amorph, Poly(phenylensulfid) (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketone (PEK) hingegen teilkristallin.

Kristalline Polymere (speziell solche, die mit Füllstoffen verstärkt sind) können auch oberhalb ihrer Glastemperatur noch eingesetzt werden. Dies liegt daran, dass teilkristalline Polymere zusätzlich zu der Glastemperatur Tg noch eine Kristallitschmelztemperatur Tm aufweisen, welche meist deutlich höher liegt. Beispielsweise besitzt PEEK einen Tg von 143 °C, kann jedoch noch bis zu 250 °C eingesetzt werden (continuous service temperature (CST) = 250 °C). Ein weiterer Vorteil von teilkristallinen Polymeren ist ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemisch aggressiven Substanzen: So besitzt PEEK eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber wässrigen Säuren, Laugen und organischen Lösungsmitteln.[3]

Beispiele[Bearbeiten]

Zu den Hochleistungskunststoffen werden gezählt:

  • Polyaryle, bei denen aromatische Ringe über Sauerstoff- oder Schwefelatome bzw. CO- oder SO2-Gruppen verknüpft sind. Hierzu gehören Polyphenylensulfide, Polyethersulfone und Polyetherketone
  • Aromatische Polyester (Polyarylate) und Polyamide (Polyaramide) wie Poly-m-phenylenisophthalamid (PMI)
  • Heterocyclische Polymere wie Polyimide, Polybenzimidazole und Polyetherimid, siehe hierzu auch Kunststoffe für Hochtemperaturanwendungen
    • Polyimide sind heterocyclische Polymere, die bis 550 °C stabil sind. Polyimide sind sehr gut chemikalienbeständig und eignen sich als Werkstücke im Maschinenbau (Ventile, Lager) und in der Elektrotechnik für Spulenkörper und als Kabelisolierung und Substrat für Leiterplatten.[9]
    • Eine andere Klasse, die Polyetherimide, hat einen niedrigeren Erweichungspunkt (ca. 360 °C) und lässt sich mit Standardprozessen der Kunststoffindustrie (Spritzguß) verarbeiten.
    • Polybenzimidazole (PBI) lassen sich für Schutzanzüge, für feuerfeste Gewebe in Flugzeugen nutzen.[9]
    • Aromatische Polyamide auf Basis von Poly-m-phenylenisophthalamid (PMI) eignen sich zum Verspinnen aus der Lösung. Diese Faser besitzt eine sehr hohe Reißfestigkeit und eine gute Temperaturstabilität. Erst bei ca. 400 °C verformt sich die Faser und verkohlt. Polyaramid-Fasern werden als Schutzkleidung gegen Hitze oder als Innenraumauskleidung in Flugzeugen verwendet.[9]
  • Flüssigkristallpolymere.
  • Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE, auf Teflon genannt) oder Perfluoralkoxylalkan (PFA) mit einer Temperaturbeständigkeit bis 260 °C.
  • Polyphenylene.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c  Hans-Georg Elias: Makromoleküle, Band 4: Anwendungen von Polymeren. 6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 3-5272-9962-9, S. 298 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Hochleistungskunststoffe. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 27. März 2014.
  3. a b c d e f David Parker, Jan Bussink, Hendrik T. van de Grampel, Gary W. Wheatley, Ernst-Ulrich Dorf, Edgar Ostlinning, Klaus Reinking, Frank Schubert, Oliver Jünger: Polymers, High-Temperature. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. April 2012. doi:10.1002/14356007.a21_449.pub3.
  4. a b  Wolfgang Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung. 2. Auflage. Carl Hanser, 2006, ISBN 978-3-446-43047-1, S. 439 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. a b c d KIweb.de Kunststoff Information. Abgerufen am 24. Januar 2014.
  6. a b  Wilhelm Keim: Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen. 1. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-5273-1582-9, S. 214 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. a b c  Walter Hellerich, Günther Harsch, Erwin Baur: Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. 10. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2010, ISBN 978-3-446-42436-4, S. 1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8.  Gottfried W. Ehrenstein, Sonja Pongratz: Beständigkeit von Kunststoffen. Carl Hanser Verlag, München 2007, ISBN 978-3-446-21851-2, S. 38-47 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. a b c Harald Cheldron, Friedrich Herold, Arnold Scheller: Technisch wichtige temperaturbeständige Polymere. 23, Nr. 6, Dezember 1989, S. 181–192. doi:10.1002/ciuz.19890230602.