Kennen Sie schon den effektivsten Weg, um die Zugfestigkeit von Kunststoffen zu erhöhen?

In vielen Bereichen sind Bauteile aus Kunststoff großen Kräften ausgesetzt. Das trifft immer dann zu, wenn es um Rahmenkonstruktionen, Maschinen oder um Komponenten größerer, komplexer Baugruppen geht. Die Kennzahl der Zugfestigkeit stellt dar, bei welchem Grad der Einwirkung einer Kraft ein Werkstück versagen würde. Deshalb handelt es sich um einen wichtigen und sicherheitsrelevanten Wert – der sich erfreulicherweise mit Nanomaterialien gezielt beeinflussen lässt! Lesen Sie in diesem Beitrag, wie Sie mit Nanopartikeln verlässlich die Zugfestigkeit erhöhen.

Branchenorientierte Hightech-Kunststoffe sind gefragt

Konstruktionen und Elemente aus Kunststoffen sind gefragter denn je. Denn die vielseitigen Werkstoffe können per Verstärkung oder Additiv auf gewünschte Erfordernisse eingestellt werden. Die Optimierung ihrer Eigenschaftsprofile kann so ausgelegt sein, dass wir sie als Hochleistungskunststoffe verstehen. Die Anwendungen sind zahlreich und ebenso vielfältig:

• Maschinen-, Geräte- und Anlagenbau,
• Transport- und Fördertechnik,
• Automobilindustrie,
• Luft- und Raumfahrt etc.

Die Ausstattung von Kunststoffen mit Faserverstärkungen ist eine gängige Methode, um Produkten eine höhere Festigkeit zu verleihen. Parallel wird eine signifikante Reduzierung des Gewichts erreicht. Der Einsatz von Glasfasern oder Kohlenstofffasern macht hier einen großen Anteil aus, Keramikfasern, Stahl- oder Aramidfasern werden ebenfalls verwendet.

Die Kategorie der Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffe führt durch die Kombination verschiedener Merkmale in einer Komponente ebenfalls zu den gewünschten Ergebnissen, z. B. hohe Steifigkeit, erhöhte Zug- oder Bruchfestigkeit. Des Weiteren können faserverstärkte Kunststoffe mit anderen Verbundstoffen beziehungsweise Hybrid-Kompositen vereint werden. Man spricht dann hier von Multimaterialleichtbau.

Nanocomposites mit Kohlenstoffnanoröhren, auch andere Nanomaterialien kommen dazu in Frage. Denn das geringe spezifische Gewicht der Nanopartikel oder Nanoröhrchen geht mit einer hohen Widerstandsfähigkeit einher. Die Endprodukte können infolgedessen sehr viel leichter sein als andere Verbundlösungen. Gerade im Fahrzeugbau ist die Gewichtsreduzierung ein essenzielles Thema. Je nach Art der Bauteile fällt die Wahl auf den leichtesten Werkstoff, der andererseits den später anfallenden Belastungen standhalten muss. Nanocomposites sind eine spannende Möglichkeit, Material einzusparen und gleichzeitig Belastbarkeit sowie Zugfestigkeit zu erhöhen.

Zugspannung bei Höchstkraft: Werkstoffe unter Extrembedingungen

Die technisch relevanten Werkstoffeigenschaften sind mit speziellen Kennwerten verknüpft. Bei der Planung von Konstruktionen muss es möglich sein, neue und modifizierte Polymere im Vorfeld auf ihre Eignung hin zu überprüfen und denkbare Risiken abzuschätzen. Zuverlässigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit verbauter Elemente sind von großer Bedeutung, wenn es zu extremen Einwirkungen kommt, wie beispielsweise bei einer Kollision mit einem anderen Fahrzeug.

Die Belastbarkeit einzelner Werkstoffe wird deshalb mithilfe von Prüfverfahren unter Laborbedingungen ermittelt. Die ‚Zugfestigkeit‘ oder auch ‚Reißfestigkeit‘ ist ein solcher Wert. Sie beschreibt die maximale mechanische Zugspannung, mit der ein Werkstoff bzw. die Probe eines Werkstoffs belastet werden kann. Die Ermittlung der Ergebnisse erfolgt per Zugversuch, anhand eines Probekörpers mit definiertem Querschnitt. Für Kunststoffe und Composites gilt bei der Durchführung der Tests die Normserie ISO 527.

Der Umstand, dass Zugprüfungen und Biegeprüfungen zu den am häufigsten durchgeführten Versuchen gehören, lässt erkennen, wie wichtig bestimmte Materialoptimierungen sind:

• mechanische Belastbarkeit verbessern,
• Zugfestigkeit erhöhen,
• Korrosion frühzeitig erkennen bzw. Materialgrenzwerte definieren zu können.

Das Verhalten technischer Kunststoffe im Vergleich

Anhand einiger Beispiele lässt sich die differierende Zugfestigkeit verschiedener Kunststoffe im Vergleich zu einem leichten Metall wie Aluminium aufzeigen:

• PVC (für Fensterrahmen, Rohre etc.) ca. 65 N/mm2
• Polyethylen (z. B. Baufolien) ca. 24 N/mm2
• PEEK ca. 160 N/mm2
• Aluminium ca. 400 N/mm2
• GFK (Glasfaserverstärkte Kunststoffe) über 3000 N/mm2

Die Werte können je nach Zusammensetzung der Werkstoffe nach oben oder unten abweichen. Gerade bei Kunststofferzeugnissen ist es für die Kennzahl der Zugfestigkeit entscheidend, ob sie anwendungsbezogen, zum Beispiel spröde, zäh oder elastisch ausgelegt ist. Auch beeinflusst die Herstellungsmethode die Festigkeit des Materials.

Im Prinzip verhält es sich so, dass Kunststoffe auf Zugbelastung mit einer Längenänderung und Verringerung des Querschnitts reagieren. Sie unterscheiden sich in ihrem mechanischen Verhalten deutlich von den meisten anderen Werkstoffen. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten und der daraus abzuleitende E-Modul von Kunststoffen hängt unter anderem ab von

• der Dauer und Geschwindigkeit der Verformung,
• der Temperatur und Stärke der Belastung.

Der E-Modul stellt das Verhältnis von Spannung und Deformation im ideal-elastischen Bereich eines Stoffes dar. Kunststoffe verhalten sich nicht rein elastisch, sondern viskoelastisch, ausgenommen bei sehr tiefen Temperaturen bzw. sehr hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten.

Zugfestigkeit erhöhen und andere spezifische Kunststoffeigenschaften realisieren

Labortests helfen dabei, die zukunftsweisende und ökologische Leichtbauweise weiter voranzutreiben. Typische Anwendungen für optimierte Kunststoffe und Verbundwerkstoffe liegen in den Segmenten Karosseriebau, Innenausstattung und Motorraum. Der Ausbau der E-Mobilität erweitert den Nutzungsradius noch einmal. Die kunststoffverarbeitende Industrie steht deshalb vor der Aufgabe, den hohen Ansprüchen zu genügen, indem sie ihre Produkte entsprechend konditioniert.

Der Vorteil: Die Variabilität bei der Herstellung von Polymeren ist groß. Die zu erwartenden Eigenschaftsprofile, die die unterschiedlichen Stofftypen aufweisen können, sind äußerst umfangreich und vielseitig. Die Verstärkung von Kunststoffen mit Fasern oder funktionalen Additiven führt je nach Dosierung zur gewünschten Anpassung der Merkmale und Funktionalisierungen – z.B. der Erhöhung der Zugfestigkeit. Ihre Kunststoffe sind somit kompromisslos optimiert für den jeweiligen Einsatzbereich des Endprodukts.

Da überdies die Kombination von Herstellungsprozess, Kunststofftyp und Zusätzen flexibel aufeinander angepasst werden kann, werden weitere Innovationen in diesem Bereich nicht lange auf sich warten lassen. In der Folge wird der Nanotechnologie und der Nutzung von technischen Nanoadditiven oder Nanocomposites eine wachsende Bedeutung zukommen.

Mit Nanocomposites die Zugfestigkeit erhöhen

Die Dimensionen im Nanobereich bringen den Effekt mit sich, dass Nanocomposites merklich leistungsfähiger sind als herkömmliche Composites. Sie können auf verschiedenen Ausgangsstoffen basieren. Zu den möglichen Grundsubstanzen zählen organische Stoffe, Metalloxide (z. B. aus Wolfram) oder Kohlenstoff.

Die Inhaltstoffe beeinflussen, welches Resultat für welche Anwendung erzielt werden kann. Unterschiedlichste Verbesserungen für technische Kunststoffe und Hochleistungswerkstoffe sind mit der Einbringung dieser hochkonzentrierten Additive realisierbar, z. B.:

• Oberflächen optimieren,
• elektrische Leitfähigkeit erzeugen,
• Zugfestigkeit erhöhen,
• Wärmeleitfähigkeit verbessern,
• weitere Funktionen integrieren.

Nanoadditive und Nanocomposites sind wichtige Instrumente zur Werkstoffoptimierung. Denn die Verbundwerkstoffe stehen für das Prinzip, eine stärkere Wechselwirkung mit der Kunststoffmatrix und den verstärkenden Fasern aktivieren zu können. Nanocomposites bzw. Masterbatches sind deshalb hoch wirksam im Vergleich zu konventionellen Zusatzstoffen.

Nanofüllstoffe, wie zum Beispiel Schichtsilikate, haben in wissenschaftlichen Arbeiten gezeigt, dass sie die Zugfestigkeit und Formbeständigkeit von Kunststoff signifikant verbessern. Mit der Entwicklung dieser Technologien können Hochleistungskunststoffe erzeugt werden, die deutlich stärker als herkömmliche Lösungen sind.

Nanoprodukte sind zuverlässig und effektiv

Da die Nanopartikel in dispergierte Pasten oder Granulate eingebracht sind, ist auch der Anspruch an die Sicherheit für Umwelt und Mitarbeitende erfüllt. Masterbatches sind gebrauchsfertig anzuwenden und können problemlos in bestehende Prozesse integriert werden. Die stabilisierten Nanocomposites lassen sich nicht nur gut verarbeiten, sondern bewirken darüber hinaus deutliche Einsparpotenziale beim Energie- und Materialverbrauch.

Für Sie als Hersteller der Kunststoffindustrie ergibt sich daraus die Möglichkeit, schnell und einfach die Zugfestigkeit Ihrer Kunststoffe zu erhöhen. Die Umsetzung neuer Lösungen mit besonderen Merkmalen rückt in greifbare Nähe. Der Einsatz von Nanocomposites macht es möglich.

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