Kunststoffverschlüsse – Arten und Anwendungen von Verschlusselementen

Kunststoffverschlüsse begegnen uns täglich. Hauptsächlich als Verschlüsse von Getränkeflaschen, Kosmetika oder Reinigungsmitteln, als Clipverschlüsse zum Verschließen von Plastikbeuteln oder auch als Stopfen zum Verschließen von Spülbecken und Badewannen sind sie in jedem Haushalt zu finden. Kunststoffverschlüsse dienen dem Zweck, Öffnungen permanent oder temporär zu verschließen. Für den permanenten Einsatz spielen der optische Aspekt und das Design des zu verschließenden Objektes eine gewichtige Rolle. Für den temporären Einsatz sind die schnelle und sichere Montage und Demontage oft wichtiger.

Man unterscheidet Stopfen und Kappen, je nachdem, ob der Verschluss innerhalb der Öffnung sitzt oder über die Öffnung gestülpt wird. Kunststoffverschlüsse dienen als Verschlusselement zum Schutz vor Schmutz, Feuchtigkeit und Beschädigungen. Sie kommen bei der Fertigung, Lagerung, Weiterverarbeitung und dem Transport oder als optisch ansprechender Abschluss zum Einsatz.

Es existiert eine große Anzahl an Kunststoffversschlüssen, die sich durch Material, Form, Farbe, Größe und Funktion unterscheiden. Dabei wird die Materialauswahl meistens von der Anwendung, aber auch den äußeren Rahmenbedingungen, bestimmt. Je nach Anwendung werden an Kunststoffverschlüsse unterschiedliche Anforderungen an Form, Temperaturbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Elastizität und Festigkeit gestellt.

PBT-Schraubkappen mit PTFE-beschichteter Silikondichtung
PBT-Schraubkappen mit PTFE-beschichteter Silikondichtung

Die Nomenklatur von Kunststoffverschlüssen ist in der Industrie nicht einheitlich. Dieser Artikel soll einen Einblick in verschiedene Formen von Kunststoffverschlüssen und die Materialien, aus denen sie gefertigt werden, geben.

Arten von Verschlussstopfen

Stopfen kann man nach der Form oder der Anwendung unterscheiden. Die Kontaktfläche des Stopfens mit der zu verschließenden Öffnung kann unterschiedliche Ausführungen haben. Es gibt runde, rechteckige und quadratische Stopfen.

Runde Stopfen können zylindrisch oder konisch sein. Beispiele für zylindrische Stopfen sind Schutzstopfen und Zugstopfen. Schutzstopfen werden als Abdeckung für Rohre, Leitungen und Innengewinde benutzt. Zugstopfen werden als Abdeckung für Bohrungen und Durchgangslöcher eingesetzt. Zu den konischen Stopfen zählen Kegel- und Hohlstopfen. Vorteil der konischen Stopfen ist, dass sie aufgrund ihrer Geometrie für Öffnungen unterschiedlicher Durchmesser eingesetzt werden können. Sie eignen sich zum Verschließen von Behältern in der Lebensmittel-, Pharma- und Labortechnik.

Am besten bekannt ist der Abflussstopfen aus Gummi für Spülbecken und Badewannen.

Beide Stopfen-Geometrien, sowohl zylindrisch wie auch konisch, können mit einem Außengewinde versehen werden. Die dann als Gewindestopfen bezeichneten Verschlusselemente dienen dem Schutz von Innengewinden beim Transport oder bei der Weiterverarbeitung, wie zum Beispiel bei einer nachfolgenden Beschichtung oder Lackierung des Werkstückes.

Lamellenstopfen aus LDPE - quadratisch kunststoffverschluesse Lamellenstopfen aus LDPE - rund kunststoffverschluesse

Häufig verwendet werden auch Stopfen mit Lamellen, die Lamellenstopfen. Beim Eindrehen des Lamellenstopfens in die Öffnung pressen sich die Lamellen am Rand fest und ermöglichen dadurch einen perfekten, fest haltenden Sitz. Eingesetzt werden Lamellenstopfen in der industriellen Fertigung, im Maschinenbau und im Möbelbau.

Arten von Verschlusskappen

Kunststoff-Kappen werden in verschiedenen Ausführungen angeboten. Die einfachste Form ist die Schutzkappe mit gewölbter, abgeflachter oder flacher Haube, die man auch als Rundkappen oder Abdeckkappen bezeichnet.

Sie schützen empfindliche Materialien vor mechanischer Beschädigung, Schmutz und Spritzwasser.

Ferner dienen sie der Verzierung, beispielsweise im Möbelbau, da die Abdeckkappen optisch ansprechender als freiliegende Schraubenköpfe sind. Man unterscheidet Kappen zum Abdecken von Sechskantschrauben, auch Sechskantkappen oder Sechskantschutzkappen genannt, und Zierkappen zum Abdecken von Schrauben mit Kreuzschlitz- oder Torx-Kopf sowie Innengewinden oder Bohrungen.

Neben dem Schutz vor Verschmutzung und Korrosion im Außenbereich, etwa im Karosserie- und im Apparatebau, dienen diese Verschlusselemente im Innenbereich vornehmlich der Dekoration, beispielsweise von Möbelstücken oder Elektrogeräten, die alltäglich von uns verwendet werden.

Flexicap aus PVC-P (Weich-PVC) mit Abziehlasche - hochtemperaturbestaendig Rohrschutzkappe aus LDPE kunststoffverschluesse

Kappen können zusätzlich mit einem Abziehgriff versehen werden. Diese Kunststoffverschlüsse eignen sich gut als Schutzkappe für Bolzen im Maschinenbau und in der Automobilindustrie. Kappen mit Befestigungslasche werden zum Schutz von Schmiernippeln eingesetzt und deshalb auch als Schmiernippelkappen bezeichnet.

Die Innenseite von Kunststoffkappen kann ein Gewinde aufweisen, dann spricht man von Gewinde- oder Gewindeschutzkappen. Gewindekappen kennt man als Verschlüsse von Getränkeflaschen sowie von Behältern für Reinigungsmitteln und Kosmetika. Sie werden aber auch als Schutz für Außengewinde in der Automobilindustrie und im Maschinenbau gefertigt. Rippenkappen oder Innenrippenkappen sind Kappen mit innenliegenden Rippen. Sie werden benutzt, um Gewindestifte oder Bolzen abzudecken und um Rohre zu verschließen.

Materialien von Verschlusselementen

Kunststoffverschlüsse werden aus Thermoplasten oder Elastomeren gefertigt.

Bei Thermoplasten handelt es sich um Kunststoffe, die aus eng aneinander liegenden, fadenförmigen Makromolekülen bestehen, die miteinander verknäult sind und durch starke intermolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Eine kovalente Bindung zwischen den Makromolekülen liegt jedoch nicht vor.

Thermoplaste bestehen aus nicht kovalent vernetzten Makromolekuelen, oft mit teilkristalliner Struktur (rot)
Thermoplaste bestehen aus nicht kovalent vernetzten Makromolekülen, oft mit teilkristalliner Struktur (rot)

Beim Erwärmen können die Makromoleküle aneinander vorbei gleiten, da sie nicht kovalent verbunden sind. Der Kunststoff erweicht bis zum Fließen. In diesem plastischen Zustand ist er leicht verformbar und kann in die gewünschte Form gebracht werden. Beim Abkühlen wird das Werkstück wieder hart und behält seine Form. Beispiele für Thermoplaste sind die Kunststoffe Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polycarbonate (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyethylenterephthalat (PET). Die am häufigsten eingesetzten Thermoplaste sind die Polyolefine, zu denen auch Polyethylen und Polypropylen gehören.

Elastomere bestehen aus Makromolekülen, die nur sehr weitmaschig miteinander vernetzt sind. Diese weitmaschige Vernetzung erlaubt, dass sie unter Einwirken einer äußeren Zugkraft gestreckt werden können. Mit dem Nachlassen der angreifenden Kräfte kehren sie wieder in ihre Ursprungsform zurück. Diese Struktur ist maßgeblich für die hohe Elastizität dieser Polymere. Beim Erwärmen werden sie nicht plastisch und schmelzen nicht. In vielen Lösungsmitteln sind sie unlöslich. Zur Gruppe der Elastomere gehören Silikone, Naturkautschuk (NR) und Synthesekautschuke wie zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FPM oder FKM). Zu der Gruppe der Elastomere gehören auch thermoplastische Elastomere, die bei Raumtemperatur elastisches Verhalten zeigen, sich durch Wärme jedoch plastisch verformen lassen.

Polymerketten von Elastomeren
Die Polymerketten von Elastomeren sind zwar kovalent vernetzt, jedoch nur sehr weitmaschig (A) – Bei Einwirken von Zugkräften können sie elastisch gestreckt werden (B)

Welches Material für welche Anwendung?

Für den Hochtemperatureinsatz kommen Kunststoffverschlüsse aus den Materialien PVC, beständig von -30 °C bis +230 °C, Silikonkautschuk, stabil von -76 °C bis +280 °C oder Thermoplastischem Gummi mit einem Anwendungsbereich von -40 °C bis +150 °C in Frage. Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen sind Verschlussstopfen aus Silikonkautschuk geeignet. Anwendungsbereiche sind der Maschinenbau sowie die Chemie-, Labor- und Prozesstechnik.

Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Mineralölen, Kraftstoffen und vielen anderen organischen Verbindungen werden Verschlusselemente aus Fluorkautschuk, Nitril-Kautschuk und Naturkautschuk in der Petrochemie, Chemietechnik, Labortechnik, in der Automobilindustrie und dem Maschinenbau verwendet.

EPDM zeichnet sich durch seine Beständigkeit bei UV-, Ozon-, Wärme- und Kältebelastung aus. Deshalb werden Kunststoffverschlüsse für den Außenbereich und für Anlagen zur Trinkwasserversorgung oftmals aus EPDM gefertigt.

Abdeckkappe aus HDPE mit Rosette Schutzstopfen aus LDPE - mit Haltenoppen kunststoffverschluesse

Silikonkautschuke sind physiologisch unbedenklich und erfüllen die Vorgaben des Bundesgesundheitsamtes (BGA) und der Food and Drug Administration (FDA). Deshalb werden Kunststoffverschlüsse aus Silikon zum Verschließen von Gefäßen in der Medizintechnik sowie der Lebensmitteltechnik genutzt.

PE ist beständig gegenüber moderaten Säuren und Laugen sowie vielen organischen Lösungsmitteln. Je nach Produktionsprozess kann man PE mit schwach oder stark verzweigten Polymerketten herstellen. Das schwach verzweigte PE besitzt eine höhere Dichte als das stark verzweigte und wird deshalb als „high density“ Polyethylen (HDPE) bezeichnet. Analog nennt man PE mit einer niedrigeren Dichte „low density“ Polyethylen (LDPE).

LDPE ist weich, biegsam und physiologisch unbedenklich.

Aus LDPE werden Kegel-, Gewinde- und Lamellenstopfen für die Maschinenbau-, Pneumatik- und Hydraulikindustrie hergestellt. HDPE zeigt einen etwas größeren Temperaturbeständigkeitsbereich und ist deutlich reißfester als LDPE. Aus HDPE bestehen hauptsächlich Stopfen und Kappen zum Schutz vor Beschädigung und Spritzwasser.

Kunststoffverschlüsse sind sowohl im Alltag als auch in der Industrie unverzichtbare Verschlusselemente geworden. Durch die Vielfalt an Formen und Materialien kann für jede Anwendung ein geeigneter Kunststoffverschluss ausgewählt werden.

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PBT-Schraubkappen | © Lucasbosch – de.wikipedia.org
Makromoleküle | © Roland.chem – commons.wikimedia.org