Vielseitige Alleskönner

Kunststoffe - Für jede Anwendung einen Kunststoff die Stärke liegt in der Vielfalt. Unter guten Materialien nur das Beste zu auszusuchen, ist eine zentrale Aufgabe von Entwicklung und Konstruktion. Aber nach welchen Kriterien wird gewählt?

13. Dezember 2006
Bild 1: Vielseitige Alleskönner
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Eine der großen technischen Umwälzungen in den vergangenen 50 bis 100 Jahren ist der Aufstieg der Kunststoffe als Werkstoff in praktisch allen Anwendungsgebieten. So hat sich die weltweite Produktionsmenge in weniger als 40 Jahren verzehnfacht. Im Jahre 2004 wurden weltweit beinahe 225 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert, und die Steigerungsrate liegt aktuell bei rund fünf Prozent pro Jahr. Gemessen am Volumen wird seit den 90er-Jahren des vorigen Jahrhunderts weltweit mehr Kunststoff produziert als Stahl.

Die Gründe für dieses rasante Wachstum sind vor allem die außergewöhnliche Breite von anwendungstechnisch wichtigen Eigenschaften der unterschiedlichen Kunststoffe sowie die von keiner anderen Werkstoffgruppe erreichte Möglichkeit zur Funktionsintegration bei der Verarbeitung.

Der Sammelbegriff Kunststoffe umfasst eine ganze Palette von Materialien mit höchst unterschiedlichen Eigenschaften. Allen Kunststoffen gemeinsam ist der Aufbau aus langen, kettenförmigen Molekülen. Diese so genannten Makromoleküle bestehen aus kleineren Bausteinen, den Monomeren, die chemisch aneinander gebunden sind. Die geringe Dichte aller Kunststoffe in einem schmalen Bereich von lediglich 0,9 bis 1,5 g/cm³ macht sie unverzichtbar für eine Gewicht sparende Bauweise.

Die Vielzahl von Kunststoffen gliedert sich in die drei Gruppen der Thermoplaste, der Elastomere und der Duroplaste. Die mengenmäßig größte Bedeutung haben dabei die thermoplastischen Kunststoffe, die sich immer wieder aufschmelzen lassen. Grundsätzlich anders erfolgt die Formgebung bei den gummielastischen Elastomeren und den nicht schmelzbaren Duroplasten, wo beim Verarbeiten außer dem physikalischen Vorgang des Schmelzens und Erstarrens auch ein chemischer Prozess, die Vernetzung, stattfindet.

Die thermoelastischen Kunststoffe unterscheiden sich im Ordungszustand, der sich beim Erstarren einstellt: So besitzen teilkristalline Kunststoffe wie Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM) oder Polyamid (PA) kristalline Bereiche mit parallel verlaufenden Makromolekülen, die maßgebend sind für Festigkeit und Steifigkeit des Kunststoffs. Dazwischenliegende ungeordnete, amorphe Bereiche bewirken die Zähigkeit und die meist sehr hohe Reißdehnung. Bei anderen Thermoplasten, etwa bei Polystyrol (PS), verhindern voluminöse Seitengruppen im Makromolekül die Kristallisation. Solche Kunststoffe sind deshalb vollständig amorph und besitzen im unverstrecktem Zustand eine geringere Zähigkeit und Reißdehnung.

Beide Gruppen unterscheiden sich im thermischen Verhalten: Bei teilkristallinen Kunststoffen erfolgt der Übergang von der Schmelze zum Festkörper und umgekehrt in einem relativ engen Temperaturbereich von wenigen Grad, dem Kristallitschmelzpunkt TS.

Amorphe Kunststoffe dagegen werden beim Abkühlen in einem breiten Temperaturbereich von 20 bis 40 Grad immer fester, der so genannten Glasübergangstemperatur TG. Im festen Zustand unterhalb dieser Temperatur sind sie also ähnlich wie Glas eine ›erstarrte Flüssigkeit‹. Allerdings gibt es auch bei teilkristallinen Kunststoffen einen Glasübergang, der im festen Zustand unterhalb von TG eine Versprödung einleitet. Die Kombination von hoher Festigkeit und Zähigkeit erreichen die teilkristallinen Kunststoffe deshalb nur im Temperaturbereich zwischen TG und TS.

Die Schmelztemperatur gängiger Kunststoffe reicht von circa 120 °C bei PE-LD bis über 380 °C bei Polyimid (PI). Entsprechend liegen die Verarbeitungstemperaturen zwischen 190 und 400°C. Anwendungstechnisch wichtig sind die Vicat-Erweichungstemperatur mit Werten von 30 bis 300°C sowie die Wärmeformbeständigkeit, die bei einer typischen Belastung mit 0,45 N/mm² zwischen 30 und 300°C liegt.

Schlagzäh, isolierend und lösungsmittelfest

Bei Raumtemperatur liegt die Festigkeit von unverstärkten Kunststoffen zwischen 15 (PE-LD) und mehr als 100 N/mm² (Polyetherimid, PEI). Die Steifigkeit reicht von 300 (PE-LD) bis 3.600 N/mm² (Polyetheretherketon, PEEK). Eine Beimischung von Verstärkungsstoffen wie beispielsweise Glasfasern ermöglicht Steifigkeiten bis 20.000 N/mm². Polystyrol erlaubt eine Reißdehnung von circa drei Prozent, beim teilkristallinen Polyethylen kann sie sogar bis 1.000 Prozent betragen. Typische Werte für die Kerbschlagzähigkeit reichen von 1 bis 130 kJ/m².

Ähnliches gegen Ähnliches

Fast alle Kunststoffe sind elektrisch isolierend und bieten einen spezifischen Durchgangswiderstand von mehr als 1013 Ohm. Höhere Werte bei Dielektrizitätszahl und dielektrischem Verlustfaktor prädestinieren jedoch unpolare Kunststoffe wie PE oder PS im Vergleich zu polaren Kunststoffen wie etwa PA zum Einsatz als Kabelisolation.

Unterschiede zwischen polaren und unpolaren Kunststoffen gibt es auch bei der chemischen Beständigkeit gemäß der Regel Ähnliches greift Ähnliches an. Beispielsweise ist das polare PA besser beständig gegen unpolare Stoffe wie Benzin und Diesel als das unpolare PE, das von Benzin angequollen wird. Gegen zahlreiche Säuren und Laugen sind die meisten Thermoplaste gut beständig.

Bei den optischen Eigenschaften zeigen amorphe Kunststoffe in der Regel eine hohe Transparenz sowie eine glänzende und relativ harte Oberfläche, während teilkristalline Kunststoffe wegen der zahlreichen Kristallitgrenzflächen undurchsichtig weiß oder milchig-hell sind und eine matte, weichere Oberfläche aufweisen. Durch besondere Maßnahmen lässt sich jedoch auch bei teilkristallinen Kunststoffen eine gewisse Transparenz erreichen, etwa um Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen zu durchsichtigen Flaschen verarbeiten zu können. Sämtliche geschilderten Eigenschaften lassen sich durch die Herstellung von Kunststofflegierungen sowie mit einer Vielzahl von Hilfs- und Zusatzstoffen in weiten Grenzen verändern, um die Werkstoffe bestmöglich an die jeweilige Anforderungen anzupassen. So bewirken Glasfasern eine teils deutliche Erhöhung von Festigkeit, Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit.

Eine Zugabe von Elastomer verbessert Zähigkeit und Schlagzähigkeit, eine Brandschutzausrüstung kann bewirken, dass ein brennbarer Kunststoff selbstverlöschend wird.

Harald Class, Henrik Schmidt, Dirk Winnemann; Dupont

DIE KUNSTSTOFFPYRAMIDE ? VON STANDARD ZU HOCHLEISTUNGSKUNSTSTOFFEN

Ähnlich wie die Metalle lassen sich auch die Kunststoffe in einer Werkstoffpyramide anordnen. Von der Basis zur Spitze nehmen Festigkeit und Steifheit sowie (meist) die chemische Beständigkeit zu. Vor allem aber steigen die Temperaturbeständigkeit sowie der Kilopreis. Die Basis bilden die in großen Mengen erzeugten Standardkunststoffe wie Polyethylen oder Polystyrol, im Mittenbereich liegen die Technischen Kunststoffe, etwa Polycarbonate und Polyethylenterephthalate. Die Spitze bilden die Hochleistungskunststoffe wie das bekannte Teflon.

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2007