Wie Sie die Festigkeit von Kunststoff erhöhen

Ohne Kunststoffe geht heute in der Produktion nichts mehr. Zugleich steigen die Anforderungen an sie stetig. Doch ob Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere: jeder Kunststoff hat seine Vorteile und Einsatzmöglichkeiten – und seine Grenzen. Eine wichtige Schlüsseleigenschaft betrifft die Festigkeit von Kunststoff. Zwar lässt sich eine hohe Festigkeit durch verstärkende Fasern erzielen, doch haben diese auch Nachteile. Und auch mit modifizierten Kunststoffen lassen sich bestimmte Eigenschaftsverbesserungen erreichen – jedoch gibt es auch hier Abstriche. Erfahren Sie jetzt, wie Sie die Festigkeit Ihrer Kunststoffe durch Zugabe von Nanopartikeln signifikant erhöhen, ohne dabei Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Überblick über die mechanischen Eigenschaften verschiedener Kunststoffgruppen

Ob Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere – jede Kunststoffgruppe weist andere Makromolekülstrukturen und somit unterschiedliche Materialeigenschaften auf. Vom Molekülaufbau hängt u.a. die Ausbildung von Eigenschaften ab, wie etwa die Festigkeit des Kunststoffs, Dehnung, Härte oder die Durchlässigkeit für Gase. Ebenso unterscheiden sich auch die mechanische Belastbarkeit und das thermische Verhalten bei den Kunststoffgruppen.

Thermoplaste: mehrfach verformbar, aber Tendenz zur Versprödung

Thermoplaste sind Kunststoffe, die aus linearen, kettenförmigen Makromolekülen bestehen. Dadurch sind sie gut formbar. Sie lassen sich unter höheren Temperaturen immer wieder plastisch (ver-) formen und sogar schmelzen, sodass ein Bauteil in die gewünschte Form gebracht werden kann. Nach Abkühlen des Bauteils behält dieses seine Form bei. Dieser Prozess ist bei unvernetzten Kunststoffen reversibel und lässt sich beliebig oft wiederholen.

Die mechanische Belastbarkeit von Thermoplasten hat jedoch ihre Grenzen. Sie lassen sich zwar unter Wärmezufuhr innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs verformen, sind aber von tiefen Temperaturen bis zur Glastemperatur (Erweichungstemperatur) fest und spröde. Je nach Kunststoff werden sie oberhalb der Glastemperatur viskoelastisch und sind dehnbar und/oder sogar zähflüssig. Setzt man Thermoplaste dauerhaft einer erhöhten Temperatur oberhalb der Glastemperatur aus, können sich die langen Polymerketten aufspalten und das Material altert beschleunigt (was z.B. für DIN-Tests zur Lebensdauer von Kunststoff benutzt wird). Die Folge der Alterung: der Kunststoff versprödet, verliert seine mechanische Festigkeit und bleicht oft auch aus, wenn noch Faktoren wie UV-Bestrahlung dazu kommen. Thermoplaste findet man bei Verpackungen, Textilien, Bodenbeläge, Schläuche und vielem mehr aus Haushalt und Industrie.

Duroplaste: Kunststoffe mit hoher Festigkeit, aber nach Vernetzung nicht mehr verformbar

Duroplaste sind Polymere, die sich durch eine chemische Reaktion der Komponenten (z.B. Schmelze) zu einem räumlichen, engmaschigen Makromolekülgitter vernetzen. Im Härtungsprozess führt dies zu oberflächenharten Kunststoffen mit großer mechanischer Festigkeit. Ebenso sind Duroplaste relativ beständig gegenüber chemischen Einflüssen. Einmal ausgehärtet, ist der Prozess nicht umkehrbar. Dies bedeutet, dass die starren, wenig elastischen Duroplaste sich im Gegensatz zu Thermoplasten später nicht mehr durch Erwärmen aufschmelzen oder plastisch umformen lassen.

Dadurch sind Duroplasten auch Grenzen bei der mechanischen Belastbarkeit gesetzt: Die endgültige Formgebung von Bauteilen obliegt allein dem anfänglichen Vernetzungsprozess. Wärmezufuhr führt eher zu Zersetzung; ausgehärtete Duroplaste lassen sich in nachgeordneten Fertigungsprozessen nur noch mechanisch bearbeiten. Zudem sind Bauteile aus Duroplasten zwar hart, dadurch wiederum aber auch eher spröde bzw. brüchig. Aufgrund der Festigkeit, Oberflächenhärte und Hitzebeständigkeit empfehlen sich diese Kunststoffe für diverse Produkte, u.a. für die Herstellung von Haushaltsartikeln, elektrische Isolierungen, Steckdosen, Lichtschaltern, Rotorblättern uvm.

Elastomere: formfest und elastisch, aber teilweise wenig reiß- und abriebfest

Elastomere sind bei Raumtemperatur elastisch verformbare Kunststoffe (Gummiprodukte, Kautschuk). Sie sind schon bei geringer Zug- oder Druckbelastung extrem dehnbar. So lassen sich Elastomere mindestens bis auf das Doppelte ihrer Länge dehnen und nehmen bei Nachlassen der Krafteinwirkung wieder ihren ursprünglichen Ausgangszustand ein. Allerdings haben Elastomere auch Grenzen hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit.

So sind etwa Silikone (VMQ/PVMQ) wenig reiß- und abriebfest. Eine weitere Problematik besteht darin, dass Elastomere nicht zäh und gleichzeitig steif sein können. Die Elastizität dieser Kunststoffe geht zulasten von Härte und Festigkeit – dies hängt mit der weitmaschig vernetzten Struktur aus Raumnetzmolekülen zusammen. Sie bilden verknäulte, quervernetzte und unumkehrbare Molekülketten. Die Vernetzung wird z.B. durch Vulkanisation mit Schwefel, mithilfe von Peroxiden, Metalloxiden oder mit Bestrahlung erzielt. Elastomere werden u.a. für die Herstellung von Reifen, Gummibändern, Dichtungsringen oder auch für Hygieneartikeln eingesetzt.

In welchen Einsatzbereichen ist die hohe Festigkeit von Kunststoffen wichtig?

Zahlreiche Branchen profitieren von der erhöhten mechanischen Festigkeit, die Kunststoffe bieten. Hierzu zählen u.a.:

• die Luft- und Raumfahrttechnik
• die Automobilindustrie
• der industrielle Einsatz von Rollen/Walzen/Lagern
• die Lebensmittelindustrie
• die Bio-, Pharma- und Medizintechnik
• die Halbleiter-, Solar- und Elektroindustrie

Luft und Raumfahrttechnik: Polyetherimide für hohe mechanische Festigkeit

Die hohe Festigkeit von Kunststoffen ist für die Luft- und Raumfahrt von wesentlicher Bedeutung. Technische Kunststoffe und vor allem thermisch belastbare Hochleistungskunststoffe erfüllen die besonders hohen Anforderungen, die in der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie gelten. Denn diese erfordert nicht nur Temperaturbeständigkeit sowie leichte Werkstoffe für verbesserte Energieeffizienz, geringere Treibstoffkosten und eine gute CO2-Bilanz, sondern auch eine hohe Festigkeit.

Für Flugzeugkomponenten kommen aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit häufig Polyetherimide (PEI) zum Einsatz. Vor allem aus Gründen der Gewichtsreduktion sind zahlreiche Teile in Verkehrsflugzeugen zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt. Innenverkleidung, Licht- und Klimakonsolen, Ausstattungselemente, aber auch für Strukturteile wie Fahrwerktechnik und Flügelsteuerung kommen immer häufiger Hochleistungskunststoffe zum Einsatz. Kunststoffbauteile sind um etwa 50 Prozent leichter als ähnliche Aluminiumbauteile, zeichnen sich aber durch eine ebenso hohe spezifische Festigkeit aus.

Automobilindustrie: Polyamide für Gas- und Kupplungspedale – besondere Festigkeit

Aufgrund der besonders hohen mechanischen Festigkeit haben Kunststoffe viele Bauteile aus Metall im Kfz-Bereich verdrängt. Beispielhafte Anwendungen in der Automobilindustrie sind starre Kraftstoffleitungen und -tanks, Gas- und Kupplungspedale oder auch Lampengehäuse. Zudem überzeugen glasfaserverstärkte Polyamide, die zu den technischen Thermoplasten zählen, mit einer sehr viel höheren Wärmeformbeständigkeit als unverstärkte Typen. Sie werden wegen ihrer guten Ölbeständigkeit für zahlreiche Anwendungen im Motorraum eingesetzt.

Kunststoff-Rollen für die Industrie: Polyamide und Polyurethane für erhöhte Festigkeit

Immer dann, wenn bei Rollen, Rädern oder Walzen eine hohe mechanische Festigkeit bei zugleich erhöhter Temperaturbeständigkeit gefordert ist, kommen Hochleistungskunststoffe zum Einsatz. Das Anwendungsfeld ist hier extrem breit gefächert und umfasst alle Arten von Rädern, Lauf-, Transport- und Führungsrollen, Walzen, Zahnrädern sowie Seilrollen. Bevorzugt werden Kunststoffe wie Polyamide (PA), Polyurethane (PUR) oder auch Polyacetal (POM).

Bio-, Pharma- und Medizintechnik: Polyaryletherketone erhöhen Festigkeit

Auch die Bio-, Pharma- und Medizintechnik setzt unzählige Kunststoffe ein. Diese müssen u.a. bestimmte Anforderungen an Hygiene und Sauberkeit erfüllen, lebensmittelkompatibel sowie chemikalien- und korrosionsbeständig sein. Ebenso sollten diese eine hohe Beständigkeit gegen Sterilisations- und Reinigungsmedien oder -verfahren sowie gute mechanische Eigenschaften mitbringen.

Relevant für Produkte der Medizintechnik sind aber auch Hochleistungskunststoffe, die eine hohe spezifische Festigkeit und höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Vor allem die Polyaryletherketone (PAEK) zeigen darüber hinaus ein exzellentes Festigkeitsverhalten, das sich teilweise mit dem von menschlichen Knochen vergleichen lässt. Aus diesem Grund wird für die Fertigung von mechanisch belasteten Implantaten häufig der hochtemperaturbeständige thermoplastische Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) eingesetzt.

Wie lässt sich die Festigkeit von Kunststoff erhöhen?

Die Festigkeit von Kunststoffen lässt sich durch Hinzufügen von Füllstoffen oder Verstärkungsmitteln deutlich erhöhen. Generell können ausgewählte Additive dazu beitragen, die mechanischen Eigenschaften von Standardthermoplasten oder ausgereifteren technischen Thermoplasten maßgeblich zu verbessern. Ein bedeutsamer Zusatzstoff für Thermoplaste sind etwa Kurzglasfasern mit einem Durchmesser zwischen fünf und 25 µm und einer Länge von 0,1-0,3 mm. Die Glasfasern steigern die Festigkeit sowie verbessern den Elastizitätskoeffizienten (Zug- und Biegebeanspruchung), die Wärmeformbeständigkeit sowie die Schlagfestigkeit.

Ebenso lassen sich Eigenschaftsverbesserungen durch Langfaserverstärkung aus Glas, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern erzielen. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus. Klassische Thermoplaste, technische Thermoplaste und auch Duroplaste können so durch passende Additive optimiert werden. Die glas- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffe werden somit faktisch zu einem Hochleistungskunststoff.

Die Nachteile von verstärkenden Fasern sind:

• Erweichen und Schrumpfen beim Erreichen der Glastemperatur
• veränderte thermische Eigenschaften
• wenig langzeittemperaturbeständig, nicht lange bei hohen Temperaturen verwendbar
• niedriger Elastizitätsmodul, nicht starr genug, leicht in der strukturellen Anwendung verformbar (bei Glasfasern)
• Alterung bei längerem Wasserkontakt, UV-Strahlung, chemischen Medien, mechanischer Beanspruchung u.a. (bei Glasfasern)
• empfindlich bei basischer Umgebung
• relativ hohe Feuchtigkeitsaufnahme, mäßig UV-beständig, schwierige Verarbeitung (bei Aramidfasern)
• Wechselwirkungen zwischen Additiv und Matrix

Die intelligente Alternative: Modifizierung von Kunststoffen mit Nanomaterialien – für eine höhere Festigkeit

Über die gängigen Füllstoffe und Verstärkungsmittel hinaus gibt es weitere Optionen, wie Sie die Festigkeit von Kunststoff erhöhen und interessante Eigenschaftsverbesserungen erreichen können. Und Sie müssen keine Nachteile hinnehmen, wie z.B. veränderte thermische Eigenschaften durch die Verwendung gängiger Füllstoffe. So lassen sich thermoplastische Kunststoffe modifizieren und quasi in einen Hochleistungskunststoff verwandeln. Auch können Sie Thermoplaste modifizieren, die bereits bei Ihnen im Einsatz sind, beispielsweise, um für eine neue Anwendung bestimmte mechanische Eigenschaften zu verbessern.

Es muss also kein völlig neuer Hochleistungskunststoff gesucht werden. Damit Bauteile oder Produkte auch den stetig wachsenden Anforderungen der Zukunft gerecht werden, gehen wir von GS Bavaria einen ganz besonderen Weg: Um die Festigkeit von Kunststoffen zu erhöhen, kombinieren wir duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe mit ausgewählten Wolfram-Pulvern. Dabei handelt es sich um wolframhaltige Nanopartikel, die als Masterbatches eingesetzt werden.

Masterbatches: gezielt Eigenschaftsverbesserungen herbeiführen

Bei den Masterbatches liegen Kunststoffadditive in Form von Granulaten oder Pasten vor und sind hochkonzentriert (Additivkonzentrat). Das Additivkonzentrat wird der Kunststoffmatrix des Ausgangsstoffs hinzugefügt, sodass sich das Konzentrat verdünnt. Additive tragen generell dazu dabei, bestimmte Eigenschaften des Ausgangsmaterials gezielt zu optimieren, zum Beispiel UV-Beständigkeit, Korrosionsschutz oder elektrische Leitfähigkeit.

Das Besondere an unseren Masterbatches: das Rohpolymer wird mit Nanopartikeln der Anwendung entsprechend vordispergiert. Die Partikel verteilen sich gleichmäßig und stabil in der Kunststoffmatrix. Im Masterbatch sind die Nanopartikel im Polymer sicher gebunden. Gegenüber herkömmlichen Füllstoffen bieten Ihnen Nano-Additive den besonderen Vorteil, dass Sie bestimmte Eigenschaften Ihres Kunststoffes ganz gezielt verstärken oder ergänzen können.

Die Festigkeit von Kunststoff erhöhen durch Modifizierung mit wolframhaltigen Nanopartikeln – ein Fallbeispiel:

Ein Hersteller für Produkte der Schwimmbadtechnik möchte seine Filteranlagen leichter gestalten. Die GFK-Filter werden mittels Faserspritzverfahren produziert. Gesucht wird ein neuer Hochleistungskunststoff, mit dem sich die Zielvorgaben sicher umsetzen lassen. Diese sind:

• Materialersparnis
• Kostensenkung
• UV- und Witterungsbeständigkeit
• Qualitätsverbesserung

Wichtig für den neuen Kunststoff ist auch: die Filteranlagen müssen bei reduzierter Wandstärke denselben Druck aushalten.

Wir von GS Bavaria finden hier die passende Lösung: ein Masterbatch in Form einer hochdispergierten Paste aus einem duroplastischen Kunststoff und wolframhaltigen Nanopartikeln. Bei der Filter-Produktion des Schwimmbadtechnik-Herstellers entscheidet man sich für NaPoly* 300, ein duroplastisches Harzsystem mit Wolframtrioxid-Nanopartikeln. Wir haben das Harz des Kunden (Palatal P4) mit NaPoly* 300 modifiziert. Der Schwimmbadtechnik-Hersteller hat nur 0,7 Prozent NaPoly* 300 hinzugefügt und konnte so die Festigkeit des gesamten Verbundstoff der Filteranlagen um 50 Prozent verbessern. Die Filter halten denselben Druck aus. Die Verbesserungen gehen einher mit Material- und Kostenersparnis. Erhöht wurden auch die thermische Beständigkeit, die Witterungsbeständigkeit und der UV-Schutz. Insgesamt führt die Modifizierung von Polyester Harzsystemen wie z.B. Palatal 4 zu signifikanten Eigenschaftsverbesserungen der Produkte.

Möchten auch Sie auf diese Art und Weise die Festigkeit von Kunststoff erhöhen oder möchten mehr darüber erfahren? – Dann kontaktieren Sie uns, wir beraten Sie gerne!