Was sind Hochleistungskunststoffe und welche Kunststoffe gehören dazu?

Unter dem Begriff Hochleistungskunststoffe werden thermoplastische Kunststoffe zusammengefasst, die sich verglichen mit Standard- und technischen Kunststoffen durch eine höhere Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit sowie chemische Beständigkeit auszeichnen.

Als Standardkunststoffe oder Massenkunststoffe werden solche bezeichnet, die preisgünstig in großen Mengen produziert werden können. Dazu gehören Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS). Technische Kunststoffe weisen bessere mechanische Eigenschaften auf, wie eine größere Schlagzähigkeit oder Elastizitätsmodul, sind jedoch teurer in der Herstellung. Standard-Kunststoffe und technische Kunststoffe werden u.a. zu Folien und Kunststoffplatten, Formteilen, Kunststoffschläuchen und Behältern verarbeitet.

Hochleistungskunststoffe können bei Dauergebrauchstemperaturen von über +150 °C und einige Vertreter kurzzeitig sogar über +500 °C verwendet werden und grenzen sich damit von Standard und technischen Kunststoffen deutlich ab. Synonym werden auch die Begriffe Hochleistungspolymere, Hochleistungsthermoplaste, Hightech-Kunststoffe oder Hochtemperaturkunststoffe verwendet.

Um Polymere mit hoher molekularer Masse zu erhalten, ist ein hoher Reaktionsumsatz nötig. Voraussetzung für einen hohen Umsatz ist eine exakte Stöchiometrie der Edukte, die deshalb in hoher Reinheit vorliegen müssen. Dies macht sich auch im Preis bemerkbar, der für Hightech-Kunststoffe das drei- bis 20-fache des Preises von Standardkunststoffen betragen kann.

Chemische Struktur von Hochleistungskunststoffen

Hochleistungskunststoffe zeichnen sich durch aromatische Strukturen aus. Die Bindungsenergie aromatischer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen beträgt 435 kJ/mol und ist damit höher als die aliphatischer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, deren Bindungsenergie zwischen 350 und 400 kJ/mol liegt. Es muss also mehr Energie aufgebracht werden, um eine aromatische C-H-Bindung zu spalten als eine aliphatische, was eine hohe chemische Stabilität zur Folge hat. Zudem zeigen aromatische Kunststoffe eine höhere Steifigkeit der Polymerkette als aliphatische, was zu einer höheren Glasübergangstemperatur führt. Bei der Glasübergangstemperatur gehen starre, amorphe Bereiche der Polymere in einen gummielastischen, flexiblen Zustand über.

Polyparaphenylen (PPP), auch einfach nur Polyphenylen genannt, ist der Hochleistungskunststoff mit der „einfachsten“ chemischen Struktur. Er besteht lediglich aus para-verknüpften Aryl-Gruppen. Mit einer Glasübergangstemperatur von etwa +500 °C ist dieser Kunststoff äußerst temperaturstabil. PPP ist ein Halbleiter und findet Anwendung in der Polymerelektronik, beispielsweise für Feldeffekttransistoren, sogenannte OFETs (engl.: organic field-effect transistors) und Leuchtdioden.

Bausteine von Hochleistungskunststoffen

Zur besseren Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturstabilität und gepaart mit bestimmten technischen Eigenschaften wurden Hochleistungsthermoplaste entwickelt, die neben Aryl-Gruppen weitere funktionelle Gruppen wie Sulfid-, Sulfon-, Ether-, Keto-, Arylimid- oder Imid-Gruppen enthalten.

Sulfid- und Sulfon-Gruppen in Hochleistungskunststoffen

Zu dieser Gruppe gehören Polyphenylensulfid (PPS) und die Polyarylethersulfone (PAES). Polyphenylensulfid ist aus alternierenden Aryl- und Sulfid-Gruppen aufgebaut. Polyarylethersulfone bestehen neben Aryl- auch aus Sulfon- und Ethergruppen. Die Strukturen dieser Hochleistungspolymere sind in nachfolgendem Formelschema gezeigt.

Polyphenylensulfid (PPS) ist ein teilkristalliner Thermoplast mit einer Dauergebrauchstemperatur von +240 °C. Der Kunststoff zeichnet sich auch durch eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine geringe Wasseraufnahme aus und ist für Gase nahezu undurchlässig. Aus PPS werden Abdeckungen, Gehäuse, Komponenten für Ventile und Pumpen, Laufräder, Lager, Lampen, Leuchten und Armaturen für die Elektro-, Automobil- und Chemieindustrie produziert.

Polyarylethersulfone (PES) sind amorph und transparent und können in einem Temperaturbereich von -100 °C bis +170 °C eingesetzt werden. Sie verfügen über eine hohe Festigkeit, Steifheit, sowie eine gute Strahlungsresistenz. Eine wichtige Anwendung von PAES sind Membranen für die Mikro- und Ultrafiltration, die bei der Trinkwasseraufbereitung, Getränkeverarbeitung, Medizin- und Chemietechnik eingesetzt werden. Im täglichen Leben begegnen uns Polyarylsulfone in Brüheinheiten von Kaffeemaschinen sowie als Mikrowellengeschirr, Menüschalen und Babyflaschen.

Ether- und Keto-Gruppen in Hochleistungspolymeren

Die Familie der Polyaryletherketone ist aus Aryl-, Ether- und Keto-Gruppen aufgebaut, wie im folgenden Formelschema gezeigt. Dabei kann eine Wiederholungseinheit mehr als eine Ether- oder Keto-Gruppe besitzen. Die Nomenklatur richtet sich nach der Anzahl dieser Gruppen. So wird ein Polymer, dessen Wiederholungseinheit zwei Ether-Gruppen und eine Keto-Gruppe enthält, als Polyetheretherketon (PEEK) bezeichnet. PEEK zeichnet sich durch eine außerordentlich hohe mechanische Festigkeit sowie chemische und thermische Beständigkeit aus. Der Hochleistungskunststoff wird u.a. zur Fertigung von Befestigungselementen wie Kunststoffschrauben und Kunststoffmuttern verwendet sowie für PEEK-Schläuche, die als Kunststoffkapillaren für Hochdruck-Anwendungen eingesetzt werden.

Polyaryletherketone sind teilkristallin und biokompatibel und zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Steifigkeit und hervorragende Gleiteigenschaften aus. PEEK kann dauerhaft bis +240 °C, kurzzeitig sogar bis +300 °C eingesetzt werden.

Für die Automobil-, Maschinenbau- und ölfördernde Industrie werden Hochleistungsformteile wie Zahnräder und Dichtungsringe aus diesen Kunststoffen produziert. Als Metallersatz dienen sie in Sitzen, Flossen und Flügelklappen in der Luft- und Raumfahrt. In metallfreien Hochdruck-Pumpensystemen werden Hochdruck-Kapillarschläuche aus PEEK verwendet. Anwendung finden Polyaryletherketone in der Medizintechnik als Zahnimplantate sowie als Beschichtung von Gelenkprothesen.

Stickstoffhaltige Hochleistungspolymere

Kunststoffe, die eine Arylimid-Gruppe enthalten, das bedeutet die Imid-Gruppe ist an eine Aryl-Gruppe gebunden, werden als Polyimide bezeichnet, abgekürzt PI.

Polyimide (PI) sind nicht schmelzbar, nicht brennbar, strahlungsresistent und können bei Temperaturen von -240 °C bis +240 °C eingesetzt werden, kurzeitig sogar über +400 °C. Ihre mechanischen Eigenschaften bleiben über den gesamten Temperaturbereich stabil. Sie werden als Lackisolierungen von elektrischen Leitungen, Leiterplatten und elektrischen Bauteilen, als Schläuche in Analysegeräten sowie als Strahlenaustrittsfenster in Röntgenapparaturen und als strahlenresistentes Konstruktionsmaterial, wie Abschirmungen in kerntechnischen Anlagen, verwendet.

Bekannt sind Polyimidfasern unter dem Handelsnamen Vespel®, aus denen Schutzkleidung gegen Hitze und Flammen und Filter für Kohlekraftwerke, Müllverbrennungsanlagen und Zementwerke hergestellt werden.

Polyetherimide (PEI) unterscheiden sich von Polyimiden durch zusätzliche Ether-Gruppen. Diese erhöhen die Flexibilität des Polymers, reduzieren jedoch die Dauergebrauchstemperatur, die bei etwa +200 °C liegt.

Polyetherimide zeichnen sich durch eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, Flammwidrigkeit sowie eine gute Hydrolyse- und Strahlenbeständigkeit aus. Sie können mehrfach dampfsterilisiert werden, was sie interessant für die Lebensmittelindustrie und Medizintechnik macht. Diese Hochleistungskunststoffe finden vielseitige Anwendung in der Elektronikindustrie als Draht- und Kabelüberzüge, Klebeband, Schlauchmaterial, in Kondensatoren, Transformatoren und flexiblen gedruckten Schaltungen. Bekannt sind sie ist unter dem Handelsnamen Kapton®, welches oft nur als Polyimid bezeichnet wird.

Polyamidimide (PAI) enthalten neben der Arylimid-Gruppe auch Imid-Gruppen. Sie sind nicht transparent, extrem biege- und verschleißfest, nicht schmelzbar und können im Temperaturbereich von -200 °C bis +260 °C verwendet werden.

Diese Kunststoffe müssen jedoch nach der Formgebung, wie zum Beispiel Spritzgießen oder Extrusion, noch getempert werden, um die exzellenten chemischen und thermischen Eigenschaften zu erhalten. Präzisionsformteile aus PAI, wie Zahnräder und Lagerkäfige für Getriebe, finden Anwendung in der Luftfahrtindustrie und in Bereichen der Nuklearenergie. Aus PAI-Fasern, bekannt unter dem Handelsnamen Kermel®, wird hauptsächlich Brandschutzbekleidung hergestellt.

Ein weiterer Vertreter der Hochleistungskunststoffe mit Stickstoff in der funktionellen Gruppe, der Benzimidazolgruppe, ist Polybenzimidazol (PBI).

Polybenzimidazole sind amorph, nicht brennbar, nicht schmelzbar und können kurzzeitig bei Temperaturen über +500 °C eingesetzt werden. PBI-Fasern sind Ausgangsmaterial für die Produktion von Brandschutzkleidung sowie von Membranen für Brennstoffzellen.

Flüssigkristalline Polymere

Flüssigkristalline Polymere, abgekürzt LCP aus dem Englischen „liquid crystal polymer“, besitzen im schmelzflüssigen oder gelösten Zustand geordnete, kristalline Bereiche, die als mesogene Gruppen bezeichnet werden. Liegen die kristallinen Bereiche in der Schmelze vor, spricht man von thermotrop, solche in Lösung nennt man lyotrop. Die mesogenen Gruppen können sowohl in Hauptkette als auch in der Seitenkette auftreten. LCP mit Mesogenen in der Hauptkette zeigen richtungsabhängige Eigenschaften. Parallel zur Molekülachse zeigen sie eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul.

Aus ihnen lassen sich Fasern spinnen, die unter den Handelsnamen Kevlar® und Vectran® bekannt geworden sind. Dabei handelt es sich bei Kevlar® um vollaromatische Polyamide, bei Vectran® um aromatische Polyester. Anwendung finden diese Hochleistungskunststoffe als Schutzkleidung beim Brandschutz und im Motorsport, als Seile bei Gleitschirmen und Segelbooten, als Karkassen von Fahrradreifen sowie als ballistische Schutzkleidung und Fahrzeugpanzerung.

Fluorierte Hochleistungskunststoffe

Die aliphatischen Fluorpolymere Polytetrafluorethylen (PTFE) und Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) zählen wegen ihrer hohen Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit zu den Hochleistungskunststoffen, zeigen jedoch niedrigere Festigkeit und Steifigkeit als aromatische Hochleistungspolymere und kriechen unter Belastung. Die hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit dieser Kunststoffe beruht auf der hohen Bindungsenergie der Kohlenstoff-Fluor-Bindung (-C-F-), die 485 kJ/mol beträgt. Zudem sind Fluoratome größer als Kohlenstoffatome und schirmen die Kohlenstoff-Hauptkette ab. Die Strukturen der beiden Polymere sind nachfolgend gezeigt.

Perfluoralkoxy-Polymere sind Copolymere aus Tetrafluorethylen und Perfluoralkoxyvinylethern. Sie können dauerhaft bei Temperaturen bis +200 °C eingesetzt werden und zeigen bessere Antihafteigenschaften, höhere Flexibilität und elektrische Durchschlagfestigkeit als PTFE. Zudem können sie durch Spritzgießen, Pressen und Extrusion weiterverarbeitet werden. PFA ist Ausgangsmaterial für PFA-Schläuche, Rohre und Schlauchverbinder für aggressive Chemikalien. Weiter findet es Einsatz bei der Auskleidung im Chemieanlagenbau. Aufgrund der hervorragenden Antihafteigenschaften werden in der Spurenanalytik Gefäße aus PFA verwendet.

PTFE kann in einem Temperaturbereich zwischen -200 °C bis +260 °C eingesetzt werden. Es ist antiadhäsiv, nicht benetzbar, nicht klebbar und verfügt über eine höhere Biegewechselfestigkeit als PFA. Dieses Hochleistungspolymer ist nur durch Sinterpressen und Ramextrusion verarbeitbar ist. Beim Sinterpressen wird pulverförmiges PTFE bei Raumtemperatur zu einem Grünling gepresst, anschließend bei Temperaturen über +360 °C gesintert und unter definierten Bedingungen abgekühlt. Die Ramextrusion dient zur Produktion von Profilen, wobei rieselfähiges Polytetrafluorethylen mit Hilfe eines Hubkolbens durch ein beheiztes Extrusionswerkzeug gepresst wird. Als feindisperses Material wird Polytetrafluorethylen in Pasten als PTFE-Schmiermittel verwendet.

Bauelemente aus PTFE, wie schmierfreie Gleitvorrichtungen, korrosionsfeste Faltenbälge, Kunststoff-Fittings, Gewindeadapter und Dichtungen, werden dort eingesetzt, wo andere Werkstoffe versagen. Als Beschichtungsmaterial wurde dieser Kunststoff erstmalig in dem „Manhattan-Projekt“ eingesetzt. Für den Bau der ersten Atombombe musste aus dem chemisch sehr aggressiven Uranhexafluorid (UF₆) das Isotop ²³⁵U, das nur zu 0,7 % in uranhaltigen Mineralien enthalten ist, angereichert werden. Dies gelang mit PTFE beschichteten Behältern und Rohrleitungen.

Expandiertes oder gerecktes Polytetrafluorethylen (ePTFE) kennen viele als Gore-Tex® in Outdoor-Bekleidung. Durch Strecken des Polymers über seine elastische Streckgrenze hinaus werden die PTFE-Molekülfasern orientiert. Laminate aus hauchdünnen gereckten PTFE-Folien besitzen feine Poren, die nur wasserdampf-, nicht aber wasserdurchlässig sind.

Hochleistungskunststoffe wurden bereits in den 1960er Jahren vor allem für die Luft- und Raumfahrt und die Nukleartechnik entwickelt. Heute finden sie auch in der Analytik, Chemietechnik, Elektro-, Elektronik- und Automobilindustrie Anwendung. Aufgrund der hohen Entwicklungs-, Produktions- und Fertigungskosten beträgt der Marktanteil der Hochleistungskunststoffe jedoch nur etwa 1 %, auch weil die Eigenschaften anderer Kunststoffe meist ausreichend sind.

Bild-Quellen:
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Übersicht der thermoplastischen Kunststoffe | © Minihaa, CC0, via Wikimedia Commons