Polysulfone
(© BASF SE)

Polysulfone – temperaturbeständige Hochleistungskunststoffe

Polysulfone sind hochtemperaturbeständige, amorphe Thermoplaste. Sie werden dort eingesetzt, wo Kunststoffe wie Polyamid, Polycarbonat, Polyoxymethylen oder Polyethylenterephthalat unter thermischer oder hydrolytischer Belastung versagen. Unter dem Namen Polysulfone werden Polymere zusammengefasst, deren Wiederholungseinheiten durch eine Sulfon-Gruppe verknüpft sind.

Das einfachste Polysulfon, dessen Wiederholungseinheit aus einer Sulfon- und einer Phenyl-Gruppe, besteht, wurde bereits vor 1960 entwickelt. Dieser Kunststoff hat einen Schmelzpunkt über +500 °C, ist hitzebeständig, aber lässt sich schwer verarbeiten. Es gab viele Bestrebungen, diesen Kunststoff weiterzuentwickeln, um eine bessere thermoplastische Verarbeitung zu erzielen. Dies gelang durch Einfügen von Ether-Gruppen in die Polymerketten, die für mehr Flexibilität sorgen.

1964 meldeten die Minnesota Mining & MFG das Patent „Polyarylsulphone polymers“ und Union Carbide & Carbon Corporation das Patent „Polyarylene polyethers“ an, gefolgt von einem Patent „Production of Aromatic Polymers“, das 1965 von der englischen Firma Imperial Chemical Industries angemeldet wurde.

Der erste Polysulfon-Kunststoff wurde im Jahr 1965 von Union Carbide & Carbon Corporation auf den Markt gebracht.

Nomenklatur der Polysulfone in Literatur und Industrie

Die Nomenklatur ist in der Literatur und der Industrie nicht immer einheitlich, da der Begriff Polysulfon auch für ein ganz bestimmtes Polysulfon verwendet wird. Wenn man von der Gruppe der Polysulfone spricht, sollte man deshalb besser den Begriff Polyarylethersulfone (PAES) verwenden, da technisch relevante Polysulfone neben Sulfon- auch Aryl- und Ether-Gruppen enthalten.

PSU-Schnellverschlusskupplung, NW 12,7 mm Polysulfone PSU-Schnellverschluss-Stecker, NW 12,7 mm Polysulfone

Als Aryl-gruppen werden Atomgruppen bezeichnet, die sich von aromatischen Kohlenwasserstoffen ableiten und denen ein an den Ring gebundenes Wasserstoffatom fehlt. Die einfachste Aryl-Gruppe ist eine Phenyl-Gruppe, ein Benzolring, dem ein Wasserstoff fehlt. Aryl- und Phenylgruppen werden bei den Polyarylethersulfonen synonym verwendet.

Die folgende Abbildung zeigt die Strukturen der drei wichtigsten Polyarylethersulfonen. Die Sulfon-Gruppen sind rot umrandet, die Ether-Gruppen grün und die Aryl- oder Phenyl-Gruppen blau.

polysulfone-grafik

Ein Polyarylethersulfon, das aus Phenyl-Sulfon-Phenyl-Ether-Einheiten (erste Struktur) besteht, wird Polyethersulfon bezeichnet. Früher wurde es mit PES abgekürzt. Nach der aktuellen Norm DIN EN ISO 1043-1 „Kunststoffe – Kennbuchstaben und Kurzzeichen“ lautet das Kurzzeichen PESU, um auf die Zugehörigkeit zu den Polyarylethersulfonen hinzuweisen. Jedoch wird häufig noch die Abkürzung PES verwendet.

Besteht die Wiederholungseinheit aus Phenyl-Sulfon-Phenyl-Ether-Phenyl-Phenyl- Ether-Gruppen (mittlere Struktur) spricht man von Polyphenylsulfon mit dem Kurzzeichen PPSU. Die Kurzbezeichnung lautet PPSU und nicht PPS, da PPS bereits als Kurzbezeichnung für Polyphenylensulfid verwendet wird. Die dritte Struktur wird als Polysulfon (PSU) oder Polybisphenylsulfon (PSFU) bezeichnet.

Eigenschaften und Verarbeitung der Polyarylethersulfone

Polysulfone gehören zur Gruppe der Hochleistungskunststoffe. Sie sind amorph und besitzen eine hohe Transparenz. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifheit in einem weiten Temperaturbereich aus. PSU kann von -100°C bis +160 °C eingesetzt werden, PPSU ist bis +190 °C stabil und PES sogar bis +200 °C.

Polysulfon-Hochleistungskunststoffe besitzen gute elektrische Isoliereigenschaften sowie eine gute Chemikalien-, Temperatur- und Strahlungsresistenz.

Zudem verfügen sie über eine intrinsische Flammenwidrigkeit, das bedeutet, sie sind ohne Zusatz von Flammschutzmitteln flammgeschützt. Produkte, die aus diesen Kunststoffen gefertigt werden, besitzen eine hohe Dimensionsstabilität, geringe Kriechneigung sowie eine hohe Wärmealterungsbeständigkeit. Sie sind mehrfach sterilisierbar, was sie für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie für die Medizintechnik interessant macht.

Das gute Abrieb- und Gleitverhalten kann durch Zusatz von Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Graphit weiter verbessert werden. Polyphenylsulfon (PPSU) verfügt über eine bessere Schlagzähigkeit und bessere chemische Beständigkeit als Polyethersulfon (PES) und Polysulfon (PSU), ist jedoch deutlich teurer.

Für die Verarbeitung dieser Kunststoffe kommen Spritzgießen, Extrusion, Blasformen und mechanische Verfahren wie Sägen, Fräsen, Schleifen und Drehen in Frage. Polysulfone können verklebt, verschweißt, bedruckt oder metallisiert werden. Auch die Verarbeitung von Polysulfonen aus Lösungen ist möglich. Im Handel sind Polysulfone unverstärkt oder mit Glas- oder Kohlefaser verstärkt erhältlich. Angeboten werden sie als Flüssigkeiten mit verschiedenen Viskositäten, als Halbzeuge wie Stäbe und Platten oder als Granulat.

Wo Polyarylethersulfone verwendet werden

Im Fahrzeugbau wird vor allem Polyethersulfon wegen seiner Beständigkeit gegenüber Kraft- und Schmierstoffen und seiner hervorragenden Wärmeformbeständigkeit geschätzt. Im Motorbereich werden Ölpumpe, Ölregelkolben, Getriebeteile, Drosselklappen und Stecker aus PES gefertigt. Im Scheinwerferbereich bestehen Blende, Gehäuse und Reflektoren aus diesem Kunststoff. Wegen ihrer geringen Rauchgasdichte und der guten Flammwidrigkeit werden Funktionsteile im Flugzeuginnenbereich aus PES hergestellt.

In der Heizungs- und Sanitärtechnik werden Polysulfon und Polyphenylsulfon aufgrund ihrer sehr guten Hydrolyse- und Spannungsrissbeständigkeit verwendet. So bestehen Laufräder von Umwälzpumpen, Teile von Heizungsthermostaten und Heißwasserzählern, Innenteile von Sanitärarmaturen, Rohrfittings und Schlauchverbinder aus diesen Hochleistungskunststoffen.

In der Fluidtechnik haben Schnellverschluss-Kupplungen aus Kunststoff einen hohen Stellenwert. Dazu zählen auch Schnellkupplungen aus PSU. Für die Filtration in der Analysentechnik und Chemietechnik kommen Filterhalter aus PSU sowie Rundfilter aus PSU zum Einsatz.

Filterhalter aus PSU Polysulfone Rundfilter aus PSU Polysulfone

Wegen ihrer elektrischen Eigenschaften, ihrer hohen Dimensionsstabilität und ihrer reduzierten Kriechneigung werden Polysulfon und Polyethersulfon in der Elektrotechnik eingesetzt. Aus diesen Kunststoffen werden Schaltklinken, Spulenkörper, Leiterplatten, Chip Carrier, Sichtscheiben für Signalleuchten und Schalttafeln, Hitzeschutzschilder, Sicherungshalter und Sicherungsummantelungen produziert. Auch in Brennstoffzellen-Komponenten, in Gehäuseteilen von Luftbefeuchtern und Batteriedichtungen kommen sie zum Einsatz.

Eine neuere Entwicklung ist die Verwendung von Polyethersulfon als Kunststoff-Display, die vor allem in Asien vorangetrieben wird.

Auch im alltäglichen Leben haben Polyarylethersulfone Einzug gehalten. Teile von Kaffeemaschinen, die mit heißem Wasserdampf in Kontakt kommen, Mikrowellengeschirr, Babyflaschen, Menüschalen, Pfannendeckel und Abdeckungen für Heißluftöfen werden aus diesen Hochleistungskunststoffen hergestellt.

Verarbeitung von Polyarylethersulfonen aus Lösungen

Ein anderer Anwendungsbereich ist die Verarbeitung von Polyarylethersulfonen aus Lösungen. Polyethersulfon-Lösungen werden als Bindemittel in Kombination mit PTFE als Antihaftbeschichtungen von Pfannen oder Spulenkörpern verwendet.

Wiederverwendbare Becher aus Polyphenylsulfon Ultrason P 3010
Wiederverwendbare Becher aus Polyphenylsulfon Ultrason® P 3010 (© BASF SE)

Eine große Rolle spielen Polyarylethersulfon-Lösungen in der Membrantechnologie. Membranen werden durch kontrollierte Fällung einer PAES-Lösung hergestellt, entweder als Flachmembran oder als Hohlfasermembran. Bei der Fällung bildet sich eine asymmetrische Porenstruktur mit einer Filtrationsschicht, deren Porengröße durch die Prozessbedingungen bei der Fällung zwischen 20 Nanometern und einigen Mikrometern gezielt eingestellt werden kann. Diese Membranen zeichnen sich durch einen hohen Durchfluss gepaart mit hoher chemischer Beständigkeit und wiederholte Sterilisierbarkeit aus und spielen eine wichtige Rolle in der Mikro- und Ultrafiltration. Einsatzgebiete sind die Trinkwasseraufbereitung, Getränkeverarbeitung, Trennungsprozesse in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie sowie die Blutdialyse. Ein von der Firma Fresenius entwickelter Dialysator aus Polysulfon gilt als der „Goldstandard“ in der Dialyse und sein Anteil beträgt 40 % der weltweit eingesetzten Dialysatoren.

Polyethersulfon-Schaum

2018 stellte die BASF AG einen Prototyp des weltweit ersten Partikelschaum auf Basis von Polyethersulfon vor. Der PESU-Schaum ist leicht, steif, fest, hochtemperaturbeständig und intrinsisch flammengeschützt und eignet sich somit für komplexe Bauteile in Autos, Flugzeugen und Zügen. Das PESU-Granulat wird zu Perlen aufgeschäumt, welche mit gängigen Technologien zu Formteilen weiterverarbeitet werden. Produkte aus PESU-Schaum erfüllen die Anforderungen für Verkehrsflugzeuge an Brennbarkeit, geringe Wärmefreisetzung und niedrige Rauchgasdichte. Ihre Dichte zwischen 0,04 und 0,12 g/cm3 liegt etwas über der von Styrodur, einem Polystyrol-Hartschaumstoff, mit 0,025 bis 0,05 g/cm3 und deutlich unter der des Leichtmetalls Aluminium mit 2,7 g/cm3. Ein aktuelles Anwendungsbeispiel sind Trolleys in Flugzeugen für Speisen und Getränke. Der Innenteil der Wände besteht aus geschäumten Polyethersulfon, während die Griffmulden aus Polyphenylsulfon gefertigt werden. Das Gewicht eines solchen Trolleys beträgt mit 10 kg nur die Hälfte von herkömmlichen Trolleys aus Metall.

Spritzgussbauteile aus Ultrason Polyarylethersulfon
Spritzgussbauteile aus Ultrason® Polyarylethersulfon: Durch die neue Einfärbetechnik können Haushaltsgeräte, Geschirr und Sichtbauteile mit Marmorierungseffekt gestaltet werden (© BASF SE)

Weltweite Produktion

Weltweit werden Polyarylethersulfone von den Firmen BASF, Solvay und Sumitomo produziert. Mit 30.000 Tonnen ist das belgische Chemieunternehmen Solvay der Hauptproduzent, der PSU unter dem Handelsnamen Udel®, PES unter Veradel® und PPSU unter Radel® anbietet. BASF vertreibt PSU, PESU und PPSU unter den Handelsnamen Ultrason® S, E und P mit Jahreskapazität von 12.000 Tonnen. Sumitomo, mit Sitz in Japan, produziert PES unter dem Namen SUMIKAEXCE mit einer Jahreskapazität von 3.000 Tonnen. Weltweit stieg die Jahresproduktion von 25.000 Tonnen im Jahr 2003, auf 45.000 Tonnen 2010 und 2013 auf 57.000 Tonnen. Den größten Anteil an der Gesamtproduktion hat PSU mit 50 %, gefolgt von PESU mit 38 % und PPSU mit 12 %.

Recycling

Importverbote von Plastikmüll in China und Indien und eine zunehmende Nachfrage nach recycelten Mahlgütern haben zu einem Aufschwung der Recyclingindustrie beigetragen. Essentiell für das Recycling ist die Sortenreinheit. Eine Quelle für das Recycling sind Kunststoffproduktionsreste, aus denen hochreine Mahlgüter produziert werden, die in der Industrie wieder als Rohmaterial eingesetzt werden. Auch Polyarylethersulfone sind in dieses Kreislaufsystem eingebunden.

Bildquellen:
Beitragsbild | © BASF SE
Wiederverwendbare Becher | © BASF SE
Geschirr mit Marmorierungseffekt | © BASF SE

Über Dr. Stefanie Schiestel

Stefanie Schiestel hat an den Universitäten Saarbrücken und Heidelberg Chemie studiert und an der Universität Heidelberg promoviert. Anschließend hat sie sieben Jahre am Naval Research Institute in Washington D.C. gearbeitet und ist seitdem in den Bereichen Beschichtung und Analytik tätig. Seit 2021 hat sie für das Online-Magazin der Reichelt Chemietechnik mehr als 50 Beiträge verfasst.