Was sind wärmebeständige Kunststoffe?

Kunststoffe werden aufgrund ihrer einfachen Herstellung, ihrer geringen Kosten und ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in praktisch allen Branchen eingesetzt. Neben den üblichen Standardkunststoffen gibt es eine Klasse hochentwickelter, hitzebeständigerKunststoffedie Temperaturen standhalten, die dies nicht können. Diese Kunststoffe werden in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Kombination aus Wärmebeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Härte unerlässlich ist. Dieser Beitrag erklärt, was hitzebeständige Kunststoffe sind und warum sie so vorteilhaft sind.

Was ist wärmebeständiger Kunststoff?

Ein hitzebeständiger Kunststoff ist typischerweise ein Kunststoff, der einer Dauergebrauchstemperatur von über 150 °C (302 °F) oder einer kurzzeitigen Bewitterungsbeständigkeit von 250 °C (482 °F) oder mehr standhält. Anders ausgedrückt: Das Produkt hält Temperaturen von über 150 °C stand und kann kurzzeitig Temperaturen von über 250 °C aushalten. Neben ihrer Hitzebeständigkeit verfügen diese Kunststoffe in der Regel über hervorragende mechanische Eigenschaften, die oft denen von Metallen ebenbürtig sind. Hitzebeständige Kunststoffe gibt es als Thermoplaste, Duroplaste oder Photopolymere.

Kunststoffe bestehen aus langen Molekülketten. Beim Erhitzen werden die Bindungen zwischen diesen Ketten zerstört, wodurch das Produkt schmilzt. Kunststoffe mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen üblicherweise aus aliphatischen Ringen, während Hochtemperaturkunststoffe aus aromatischen Ringen bestehen. Bei aromatischen Ringen müssen zwei chemische Bindungen zerstört werden (im Gegensatz zu einer einzigen Bindung bei aliphatischen Ringen), bevor die Struktur zerfällt. Daher ist es schwieriger, diese Produkte zu schmelzen.

Zusätzlich zur zugrundeliegenden Chemie kann die Wärmebeständigkeit von Kunststoffen durch Zusatzstoffe verbessert werden. Glasfasern gehören zu den gängigsten Additiven zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit. Sie haben zudem den Vorteil, die Gesamtdichtigkeit und Materialfestigkeit zu erhöhen.

Es gibt verschiedene Methoden, um die Hitzebeständigkeit eines Kunststoffs zu bestimmen. Die wichtigsten sind hier aufgeführt:

• Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) – Dies ist die Temperatur, bei der Kunststoff unter festgelegten Bedingungen versagt. Diese Kennzahl berücksichtigt nicht die voraussichtlichen Langzeiteffekte auf das Produkt, wenn diese Temperatur über längere Zeiträume gehalten wird.
• Glasübergangstemperatur (Tg) – Bei einem amorphen Kunststoff beschreibt die Tg die Temperatur, bei der sich das Material gummiartig oder zähflüssig verwandelt.
• Dauergebrauchstemperatur (CUT) – Gibt die optimale Temperatur an, bei der Kunststoff während der vorgesehenen Lebensdauer des Teils dauerhaft verwendet werden kann, ohne dass seine mechanischen Eigenschaften wesentlich beschädigt werden.

Warum hitzebeständige Kunststoffe verwenden?

Kunststoffe sind weit verbreitet. Doch warum sollte man Kunststoffe für Hochtemperaturanwendungen verwenden, wenn Stähle oft die gleichen Eigenschaften über einen viel größeren Temperaturbereich hinweg erfüllen? Hier sind einige Gründe dafür:

1. Geringeres Gewicht – Kunststoffe sind leichter als Metalle. Sie eignen sich daher hervorragend für Anwendungen im Fahrzeug- und Luftfahrtmarkt, bei denen leichte Elemente zur Verbesserung der Gesamteffizienz erforderlich sind.
2. Rostbeständigkeit – Einige Kunststoffe weisen eine deutlich bessere Rostbeständigkeit als Stahl auf, wenn sie einer Vielzahl von Chemikalien ausgesetzt sind. Dies kann für Anwendungen, die sowohl Hitze als auch rauen Umgebungen ausgesetzt sind, wie sie in der chemischen Industrie vorkommen, von entscheidender Bedeutung sein.
3. Fertigungsflexibilität – Kunststoffkomponenten können mithilfe von Massenproduktionstechnologien wie Spritzguss hergestellt werden. Dadurch sind die Teile pro Stück günstiger als CNC-gefräste Metallteile. Kunststoffteile können auch im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, was komplexe Layouts und eine höhere Designflexibilität ermöglicht als die CNC-Bearbeitung.
4. Isolator – Kunststoffe können sowohl thermisch als auch elektrisch isolieren. Das macht sie ideal, wenn die elektrische Leitfähigkeit empfindliche elektronische Geräte beschädigen oder Hitze die Funktion der Komponenten beeinträchtigen könnte.

Arten von hochtemperaturbeständigen Kunststoffen

Es gibt zwei Hauptgruppen von Thermoplasten: amorphe und teilkristalline Kunststoffe. In jeder dieser Gruppen finden sich hitzebeständige Kunststoffe, wie in Abbildung 1 unten dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in ihrem Schmelzverhalten. Ein amorphes Material hat keinen präzisen Schmelzpunkt, sondern erweicht mit steigender Temperatur langsam. Ein teilkristallines Material hingegen hat einen sehr scharfen Schmelzpunkt.

Nachfolgend finden Sie einige Produkte aus dem Angebot vonDTG. Rufen Sie einen DTG-Vertreter an, wenn Sie ein bestimmtes Produkt benötigen, das hier nicht aufgeführt ist.

Polyetherimid (PEI).

Dieses Material ist allgemein unter dem Handelsnamen Ultem bekannt und ist ein amorpher Kunststoff mit außergewöhnlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften. Es ist auch ohne Zusatzstoffe schwer entflammbar. Die genaue Flammbeständigkeit muss jedoch im Produktdatenblatt überprüft werden. DTG bietet Ultem-Kunststoffe in zwei Qualitäten für den 3D-Druck an.

Polyamid (PA).

Polyamid, auch unter dem Handelsnamen Nylon bekannt, zeichnet sich durch hervorragende Wärmebeständigkeit aus, insbesondere in Kombination mit Zusatz- und Füllstoffen. Darüber hinaus ist Nylon extrem abriebfest. DTG bietet eine Vielzahl temperaturbeständiger Nylons mit verschiedenen Füllstoffen an, wie unten aufgeführt.

Fotopolymere.

Photopolymere sind spezielle Kunststoffe, die nur unter Einwirkung externer Energiequellen wie UV-Licht oder eines speziellen optischen Mechanismus polymerisieren. Diese Materialien ermöglichen die Herstellung hochwertiger Druckteile mit komplexen Geometrien, die mit anderen Fertigungstechnologien nicht möglich sind. DTG bietet innerhalb der Kategorie der Photopolymere zwei hitzebeständige Kunststoffe an.