„Schneller, höher, weiter“

Prof. Dr. Wolfgang Magin

Die Kunststoffe werden nach ihren Verarbeitungs-, Festigkeits- und Verformungseigenschaften eingeteilt in Duromere (= Duroplaste), Plastomere (= Thermoplaste) und Elastomere (= Elastoplaste). In dem Artikel sind einige der bekanntesten Sorten, ihre wichtigsten Eigenschaften und typischen Anwendungen aufgelistet. Die Kurzzeichen der Basis-Polymere sind in der DIN EN 1043-1 zusammengestellt. Sie bestehen ausschließlich aus Großbuchstaben und leiten sich von der chemischen Zusammensetzung ab. Sie sind vorrangig als bequeme Kurzschreibweise in Druckschriften gedacht.

Beispiele für Duromere oder Duroplaste sind

– Phenol-Formaldehyde (PF, Phenolharz) sind 1907 als erste vollsynthetische Kunststoffgruppe entwickelt worden. Sie werden meist als Pressmassen mit Füll- und Verstärkungsstoffen eingesetzt, so dass ihre Eigenschaften nur im Verbund mit diesen beschrieben werden. Sie sind hart, steif, spröde, kriechfest, warmformbeständig und beständig gegen organische Lösungsmittel, Mineralöle, Benzin, Alkohol und kaltes Wasser, nicht jedoch gegen starke Säuren und Laugen sowie heißes Wasser. Im ausgehärteten Zustand sind sie dunkelbraun. Entsprechend dieser Eigenfarbe sind nur dunkle Einfärbungen herstellbar, die aber nicht lichtecht sind. Sie werden oft als Bindemittel für Schleifscheiben oder Pressspanplatten eingesetzt. Sie dürfen nicht mit Lebensmitteln in Berührung kommen.

– Melamin-Formaldehyde (MF, Melaminharz) haben eine hohe Oberflächenhärte, sind kratzfest und hochglänzend herstellbar. Im Ausgangszustand sind die Pressmassen farblos, lichtecht und nicht nachdunkelnd und können nahezu beliebig eingefärbt werden. Sie weisen eine hohe Kriechstromfestigkeit auf, sind selbstverlöschend und behalten auch bei höheren Temperaturen ihre Form. Daher werden sie häufig für Elektroarmaturen wie Lichtschalter und Steckdosen eingesetzt. Sie sind beständig gegen Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Öle, Fette, schwache Säuren und Laugen, nicht aber gegen starke Säuren und Laugen. Als Formmassen werden sie mit Füll- und Verstärkungsstoffen gemischt. Melaminharze sind physiologisch unbedenklich und daher für Essgeschirre u. Ä. verwendbar.

– Ungesättigte Polyesterharze (UP) werden in Bauteilen nur mit Faserverstärkung eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften sind daher wesentlich abhängig von der Art, der Ausrichtung und dem Anteil der Verstärkungsfasern. Die Einsatztemperaturen sollten langzeitig 50 °C nicht überschreiten, kurzzeitig sind 140 bis 180 °C möglich. Eigenschaften wie Wärme- und Chemikalienbeständigkeit, Flexibilität, Brandverhalten, Witterungs- und Lichtbeständigkeit können über Füll- und Verstärkungsstoffe in weiten Grenzen eingestellt werden. Verwendung finden sie als Gieß- und Laminierharze für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, Pressmassen und Lackgrundstoffe (Alkydharze).

– Epoxyharze (EP) werden als reine Gießharzformstoffe oder als gefüllte oder faserverstärkte Werkstoffe eingesetzt. Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten sind kaum generelle Aussagen über die Eigenschaften möglich. Sie erreichen im ungefüllten/unverstärkten Zustand mit Zugfestigkeiten bis 120 MPa die höchsten Festigkeitswerte aller Kunststoffe. Die maximalen Einsatztemperaturen hängen vom Härtungssystem ab und liegen zwischen 40 °C und 150 °C. Gleiches gilt für die chemische Beständigkeit. Warmgehärtete Werkstoffe weisen immer deutlich bessere Eigenschaften aus als kaltgehärtete. Epoxyharze haben ein sehr gutes Haftvermögen auf nahezu allen Werkstoffen. Daher werden sie sehr häufig als Klebstoffe („Zweikomponentenkleber“) eingesetzt und als Grundstoffe für Lacke. Mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung sind sie heute unverzichtbare Leichtbauwerkstoffe für hochbelastete Bauteile in der Flugzeug- und Fahrzeugtechnik.

Die Plastomere werden unterteilt in Massenkunststoffe, thermoplastische Konstruktionswerkstoffe, Plastomere mit besonderen Eigenschaften sowie thermisch hochbelastbare Plastomere.

Massenkunststoffe werden in großen Mengen für meist geringwertige Wirtschaftsgüter wie niedrig belastete Maschinenteile, Haushaltsartikel und Spielwaren oder als Verpackungsmaterialien eingesetzt. Die Festigkeitswerte sind im Allgemeinen niedrig. Durch Füll- oder Verstärkungsstoffe können die mechanischen Eigenschaften aber verbessert werden.

– Polyethylen (PE) hat eine niedrige Festigkeit, ist aber sehr zäh. Ungefärbt ist es milchig weiß. Es ist beständig gegen Säuren, Laugen, Salzlösungen, Wasser, Alkohole und Öle. Es wird deshalb eingesetzt für Trink- und Abwasserinstallationen, Heizungsrohre und Heizöltanks. Wegen seiner sehr guten elektrischen Isolationseigenschaften wird es als Ummantelung für Fernmelde- und Hochspannungskabeln verwendet. Beim Verbrennen entstehen nur Ruß und Wasser.

– Polypropylen (PP) hat eine hohe Steifigkeit, Härte und Festigkeit. Es ist ungefärbt opak. Die elektrischen Eigenschaften sind vergleichbar mit PE. Es ist beständig gegen schwache anorganische Säuren und Laugen, Alkohol und Waschlaugen, nicht aber gegen Halogenkohlenwasserstoffe. Anwendungen sind Gehäuse, Ablaufarmaturen, Einbauten in Wasch- und Geschirrspülmaschinen, Transportkästen, Koffer.

– Polystyrol (PS) hat eine hohe Härte und Festigkeit, Steifigkeit und Formstabilität, ist aber relativ spröde. Im nicht eingefärbten Zustand ist es glasklar (Lichtdurchlässigkeit etwa 90 Prozent), vergilbt aber durch Sonnenlicht (UV-Strahlung) und wird spröde. In hochglanzpolierten Formen wird die Oberfläche hochglänzend. Es ist gut elektrisch isolierend. PS ist unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Salzlösungen und Waschmittel, nicht jedoch gegen Kohlenwasserstoffe wie Benzin. Es ist geruchs- und geschmacksneutral und physiologisch unbedenklich, kann also mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Es wird daher verwendet für Lebensmittelbehälter, Trinkbecher, Partygeschirr, Verpackungen für Süßwaren, Kosmetika und Medikamente. Polystyrol kann mit verschiedenen Treibmitteln aufgeschäumt werden und dient so als Verpackung für stoßempfindliche Güter oder als Dämmmaterial.

– Polyvinylchlorid (PVC) ist im reinen Zustand sehr hart und spröde (PVC hart). Es hat eine hohe mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Härte, ist jedoch schlagempfindlich bei Kälte. Wegen des Chlorgehaltes ist es selbstverlöschend, wenn die Flamme entfernt wird. Durch Zugabe von Weichmachern (z. B. Dioctylphtalate DOP) wird PVC über einen breiten Temperaturbereich weich und flexibel (PVC weich). Beide Gruppen haben bei niedrigen elektrischen Spannungen und Frequenzen gute Isolationseigenschaften und finden dadurch Anwendung als Kabelkanäle, Kabelummantelungen in der Elektrotechnik. PVC ist beständig gegen Säuren, Laugen, Alkohole, Mineralöle und Waschmittel, so dass es in der chemischen Industrie als Behälter- und Rohrwerkstoff eingesetzt werden kann. Folien aus PVC weich sind als Lebensmittelverpackung umstritten, da tierische Fette die Weichmacher aus der Folie lösen und aufnehmen. Weitere Anwendungen sind Folien für Blisterpackungen, Tragetaschen, Schlauchboote, Schwimmbecken, Schläuche, Bälle und vieles andere.

Thermoplastische Konstruktionswerkstoffe werden aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften für Bauteile besonders in der Feinwerktechnik, aber auch im Maschinenbau und in der Elektroindustrie eingesetzt. Mit dem Spritzgießen steht ein Verfahren für die kostengünstige Herstellung nahezu beliebig gestalteter Teile in großen Serien zur Verfügung.

– Polyamide (PA) sind teilkristallin und haben dadurch eine relativ hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit. Sie sind dynamisch belastbar und haben sehr gute Gleiteigenschaften. Polyamide nehmen je nach Umgebungsmedium bis zu 3,5 Prozent Wasser auf, das wie ein Weichmacher wirkt und zu einer Volumenzunahme und schlechterer Formstabilität führt. Anwendungen sind Zahnräder, Laufrollen, Gleitlager, Kugellagerkäfige sowie Gehäuseteile im Maschinenbau und in der Feinwerktechnik. Polyamide sind beständig gegen Treib- und Schmierstoffe und werden daher häufig in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Eine Sonderform sind die Polyarylamide, bei denen Benzolringe am Makromolekül angelagert sind. Aus ihnen werden hochkristalline, hochfeste und steife Fasern, die „Aramidfasern“, hergestellt.

– Polyoxymethylen (POM) zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Steifigkeit über einen weiten Temperaturbereich aus. Es ist abriebfest und besitzt einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften sind gut. Aufgrund seines ausgezeichneten Gleitreibungsverhaltens ist POM ein bevorzugter Werkstoff für gleitbeanspruchte Bauteile wie Zahnräder, Gleit- und Führungselemente, Ketten, Laufrollen, Pumpenteile u. Ä.

– Polymethylmetacrylat (PMMA) hat eine hohe Härte, Festigkeit und Steifigkeit. Es splittert nicht beim Brechen, ist kratzfest und polierfähig und hat gute elektrische und dielektrische Eigenschaften. Es ist geruchs- und geschmacksneutral, physiologisch unbedenklich und beständig gegen schwache Säuren und Laugen, Salzlösungen, Öle und Wasser, so dass es im Haushalts- und Sanitärbereich eingesetzt werden kann. Es zeichnet sich besonders aus durch seine Brillanz und seine sehr hohe Lichtdurchlässigkeit, die besser ist als die von mineralischen Gläsern. Wichtige Einsatzbereiche sind daher Linsen und Prismen für optische Geräte, Brillengläser, Lupen und Lichtwellenleiter, außerdem alle Arten von Verglasungen für Gebäude, Fahrzeuge und Flugzeuge. PMMA kann bedruckt, lackiert und metallisiert werden.

– Polycarbonat (PC) hat eine hohe Härte, Festigkeit, Schlagzähigkeit und Steifigkeit über einen breiten Temperaturbereich. Die elektrischen Isoliereigenschaften sind gut. PC ist beständig gegen Benzin und Öl. Es ist kurzzeitig kochfest und kann bei 120 °C sterilisiert werden, so dass es für medizinische Geräte verwendbar ist. Es hat eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit, ist aber UV-empfindlich, d.h. es versprödet bei intensiver UV-Bestrahlung. Die Lichtdurchlässigkeit ist etwas schlechter als bei PMMA. Es ist sehr gut einzufärben. Anwendungen sind Gehäuseteile, Lüfterräder, Schaltkästen, Starkstromstecker und -kupplungen, Teile für Radio- und Fernsehgeräte, Scheiben für Schweinwerfer und Rückleuchten von Fahrzeugen, Schutzscheiben für Maschinen, Schutzhelme u.ä. Da PC gut galvanisierbar ist, wird es heute in großen Mengen als Trägerwerkstoff für CD-Roms und DVDs eingesetzt.

– Polytetrafluorethylen (PTFE) ist hornartig, zäh, nicht kerbempfindlich, hat aber eine niedrige Härte und Festigkeit. Es zeichnet sich aus durch eine äußerst geringe Haftneigung bei extrem niedrigen Reibbeiwerten und hervorragenden Gleiteigenschaften. Der Reibungskoeffizient ist allerdings abhängig von der Gleitgeschwindigkeit. PTFE isoliert sehr gut und hat eine hohe Kriechstromfestigkeit auch bei hoher Luftfeuchtigkeit. PTFE hat eine extrem hohe Beständigkeit gegen nahezu alle Medien, die Witterungs- und Lichtbeständigkeit sind hervorragend. Es ist physiologisch unbedenklich und brennt nicht. Wegen der hohen Viskosität können Formteile allerdings nicht spritzgegossen werden, sondern werden aus PTFE-Pulver bei 380 °C gesintert. Die Herstellungskosten sind dadurch hoch. Aufgrund der niedrigen Festigkeit wird PTFE aber nur selten für massive Bauteile eingesetzt. Anwendung findet es vorwiegend für Auskleidungen im chemischen Apparatebau, Gleitlager, Trockenschmiermittel, Antihaftbeschichtungen, Dichtungen usw.

– Polysulfon (PSU) ist ein amorpher, transparenter, zäher Werkstoff mit hoher Härte und Festigkeit. Die Einsatztemperaturen können kurzzeitig bis 200 °C, langzeitig bis 150 °C betragen. Die Festigkeit nimmt auch bei länger andauernder Belastung unter diesen Temperaturen kaum ab. Die Isolationseigenschaften sind sehr gut, ebenso die dielektrischen Eigenschaften auch bei hoher Temperatur und Feuchtigkeit. PSU ist physiologisch unbedenklich und sterilisierbar. Es ist beständig gegen Säuren, Laugen, Benzin, Öl, Waschmittel und Salzlösungen, nicht jedoch gegen Wasser bei höheren Temperaturen. Polysulfon ist witterungsbeständig und schwer entflammbar. Anwendungen sind hoch beanspruchte Bauteile in Haushaltsgeräten, Folien für gedruckte Schaltungen und Isolierfolien, medizinische Geräte.

– Polyimide (PI) sind derzeit die thermisch höchstbelastbaren Plastomerwerkstoffe mit Einsatztemperaturen zwischen –240 °C und +360 °C. Sie haben über den gesamten Temperaturbereich eine hohe Festigkeit, gutes Gleitverhalten und eine hohe Abriebfestigkeit. Die chemische Beständigkeit ist befriedigend, die Witterungsbeständigkeit dagegen schlecht. Polyimide sind selbstverlöschend und entwickeln kaum Rauch. Thermoplastische Polyimide können nicht im Spritzguss verarbeitet werden, da die Schmelztemperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur liegt. Formteile können daher nur durch Pressen und Sintern hergestellt werden. Aufgrund des hohen Preises sind die Anwendungen begrenzt, z. B. Bauteile für Flugzeuggasturbinen, Kabelisolationen für spezielle Einsatzbereiche, Kolbenringe und Ventilsitze.

Diese Kunststoffe werden unterschieden nach der Beständigkeit gegen Alterung, Treib- und Schmierstoffe in Elastomere mit normaler Beständigkeit, Elastomere mit erhöhter Beständigkeit und Spezialelastomere. Wichtigster Abnehmer für Elastomere ist in der Bundesrepublik die Fahrzeugindustrie, die weit mehr als zwei Drittel der Kautschukproduktion, allein ca. 65 Prozent für Fahrzeugreifen, verarbeitet.

Elastomere mit normaler Beständigkeit

– Naturkautschuk (NR) wird in seiner Kombination guter mechanischer Eigenschaften wie hoher Festigkeit und Bruchdehnung, Stoßelastizität und Kälteflexibilität bisher von keinem synthetischen Kautschuk übertroffen. Einsatzbereiche sind daher hochbelastete Reifen (LKW), Maschinenlager, Puffer und Gummi-Metall-Federelemente.

– Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) besitzt eine höhere Abriebfestigkeit als Naturkautschuk. Haupteinsatzbereich sind daher PKW-Reifen, daneben aber auch Fördergurte. Wegen der guten elektrischen Isolationseigenschaften wird er auch für Kabelummantelungen eingesetzt. Weitere Anwendungen sind Schläuche, Dichtungen und technische Formartikel.

Elastomere mit erhöhter Beständigkeit

– Nitrilkautschuk (NBR) zeigt als besondere Eigenschaft eine geringe Quellung in Kraftstoffen und Mineralölen. Er wird daher für Kraftstoff- und Ölschläuche sowie als Dichtungen für Hydraulik und Pneumatik eingesetzt. Die Festigkeitswerte sind nur mit Füllstoffen ausreichend.

– Chloroprenkautschuk (CR) hat bei Zumischung von hochaktivem Ruß ähnlich hohe Festigkeitswerte und elastische Eigenschaften wie Naturkautschuk. Er ist einsetzbar bis 120 °C, schwer entflammbar, witterungsbeständig und abriebfest und quillt nicht bei Kontakt mit Mineralöl. Einsatzbereiche sind Bremsschläuche, Dichtungen, Profile, Keilriemen, Fensterdichtungen sowie Surf- und Taucheranzüge.

Spezialelastomere

– Polyurethan-Elastomere (PUR) können in einem Temperaturbereich von –30 °C bis 100 °C eingesetzt werden. Sie sind hochzäh und verschleißbeständig. Anwendungen sind Dichtungen für hohe mechanische Beanspruchungen, elastische Kupplungen, Zahnräder, Lagerungen. Aufgeschäumt werden sie für Innenverkleidungen im Fahrzeugbereich eingesetzt.

– Silikone (SI) sind Silizium-Sauerstoffverbindungen mit organischen Gruppen auf den Seitenbindungen. Einsetzbar sind sie bei Temperaturen von –80 bis 180 °C. Die mechanischen Eigenschaften sind über den gesamten Temperaturbereich konstant. Mit ca. 1 MPa ist die Zugfestigkeit allerdings sehr niedrig, sie sind aber gut dehnbar. Sie sind chemisch sehr beständig und wasserabweisend und haben sehr gute Isolationseigenschaften. Eingesetzt werden sie als Dichtungsmittel im Sanitärbereich, Klebstoffe, Formmassen, Isoliermittel usw. Silikone sind physiologisch unbedenklich. Sie sind heiß sterilisierbar und daher auch in der Medizin einsetzbar.

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