Kunststoffe hitzebeständig – BKM
Kunststoffe unterscheiden sich nicht nur in ihrem Aussehen und ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch in ihren grundlegenden Eigenschaften. Vor allem bei thermoplastischen Kunststoffen ist deshalb sehr wichtig, auf die Temperaturbeständigkeit zu achten.
Denn nicht jeder Kunststoff kommt mit hohen Temperaturen zurecht oder verträgt umgekehrt niedrige Temperaturen.
Inhalt:
Kunststoffe als innovatives Hochleistungsmaterial
Neue Erkenntnisse in der Forschung und große Fortschritte in der Entwicklung haben dazu geführt, dass Kunststoffe heute in Bereichen eingesetzt werden können, in denen dies lange Zeit undenkbar schien. Moderne Hochleistungskunststoffe von heute können für Anwendungen genutzt werden, die klassischen Werkstoffen wie Metall, Glas oder Keramik vorbehalten waren.
Die Kunststoffe sind bis in den dreistelligen Gradbereich hinein frost- und hitzebeständig. Darüber hinaus punkten sie mit chemischer Beständigkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber Druck und Vibration und vielen anderen technischen Eigenschaften.
Sie sind nicht nur robuster als herkömmliche Kunststoffe, sondern auch leichter als Stahl, Glas oder Keramik.
Insofern verwundert es nicht, dass Hochleistungskunststoffe längst einen festen Platz in zahlreichen Industrien erobert haben, angefangen im Anlagen- und Maschinenbau über den Automotive-Sektor, die Medizintechnik, die Lebensmittelproduktion oder die Elektrotechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt.
Die Temperatur beeinflusst das Verhalten von Kunststoffen
Ein wesentlicher Unterschied zwischen herkömmlichen technischen Kunststoffen und hitzebeständigen Kunststoffen ist die ausgeprägte Temperaturbeständigkeit. Hitzebeständige Kunststoffe halten Arbeitstemperaturen von über 150 Grad Celsius stand und können deshalb auch dort eingesetzt werden, wo dauerhaft große Hitze herrscht.
Der Kunststoff verliert an mechanischer Festigkeit, verformt sich ungewollt und verändert seine Farbe. Durch die Hitze altert das Thermoplast, bis es irgendwann bricht oder zerstört ist.
Neben der Alterung wirkt sich Wärme auch auf die Formbeständigkeit aus. Überschreitet ein kurzzeitiger Hitzeeinfluss eine gewisse Temperaturgrenze, sinken in den Polymerketten die Bindungskräfte zwischen den Molekülen.
Die Folge ist, dass die Molekülketten schneller voneinander abgleiten und die Steifigkeit verloren geht. Der Kunststoff fängt an, zu fließen. Diese thermische Zersetzung führt dazu, dass der Kunststoff auch nach dem Abkühlen nicht mehr verwendet werden kann.
Beispiele für hitzebeständige Kunststoffe
Bis zur sogenannten Glasübergangstemperatur verändern sich die Eigenschaften von Kunststoffen kaum. Allerdings ist der Schmelzpunkt von Kunststoffen sehr verschieden.
Werden Polymere oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur eingesetzt, muss deshalb bei der Auswahl des Materials berücksichtigt werden, dass und wie sich bestimmte Eigenschaften verändern.
Zu den modernsten hitzebeständigen Kunststoffen gehören:
- Polyamidimid (PAI)
- Polyphenylsulfon (PPSU)
- Polyethersulfon (PES)
- Polyetherimid (PEI)
- Polyetheretherketon (PEEK)
- Polyphenylensulfid (PPS)
- Polytetrafluorethylen (PTFE)
Aromatische und andere mesomere Strukturen, die in das polymere Gefüge eingebunden sind, bewirken, dass hitzebeständige Kunststoffe dauerhaft Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius standhalten.
Kurzzeitig lassen sie noch höhere Temperaturen zu, ohne dass die Kunststoffe altern oder fließen. Mittlerweile sind auch Hochleistungskunststoffe erhältlich, die in einer Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoff sogar weit höhere Hitze vertragen.
Solche hitzebeständigen Kunststoffe können aber nicht nur bei extrem hohen, sondern andersherum auch bei extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Außerdem verfügen sie über eine gute elektrische und thermische Isolationsfähigkeit und sind bieg- und druckfest. Eine besonders ausgeprägte Verschleißfestigkeit zählt ebenfalls zu ihren Eigenschaften.
Wichtige Begriffe
Im Zusammenhang mit hitzebeständigen Kunststoffen sind vier Begriffe wichtig, die wir Ihnen noch kurz erklären wollen:
Glasübergangstemperatur
Die Glasübergangstemperatur, kurz Tg, benennt den Punkt, an dem amorphe Polymere ihre Festigkeit verlieren. Die mechanischen Eigenschaften der Polymere sinken rapide.
Steigt die Temperatur für teilkristalline Polymere noch weiter an, lösen sich auch die kristallinen Bereiche. Die Eigenschaften des jeweiligen Kunststoffs gehen dadurch nahezu verloren.
Dauergebrauchstemperatur
Bei der Dauergebrauchstemperatur handelt es sich eigentlich um den Relativen Thermischen Index, kurz RTI. Er ist für die thermisch-oxidative Stabilisierung eines Kunststoffs maßgeblich. Wird die Dauergebrauchstemperatur überschritten, verändern sich einige Eigenschaften des Kunststoffs deutlich.
Bei diesen Eigenschaften kann es sich zum Beispiel um die Farbe, die Härte oder die Festigkeit handeln. Wird ein Kunststoff langfristig deutlich oberhalb seiner Dauergebrauchstemperatur eingesetzt, kann das Material erweichen, sich verformen oder komplett versagen.
Kurzzeittemperatur
Die Kurzzeittemperatur beziffert die Temperatur, der ein Kunststoff kurzzeitig ausgesetzt werden kann. Es kann zwar passieren, dass der Kunststoff beginnt, seine Eigenschaften zu verändern. Trotzdem kann der Kunststoff kurzzeitig unter dieser Temperatur arbeiten.
Die Spanne der Kurzzeittemperatur kann von drei bis 100 Stunden gehen und hängt neben dem Material vor allem auch von den Bedingungen im Betrieb, also zum Beispiel der Atmosphäre und der Beanspruchung, ab.
Schmelztemperatur
Die Schmelztemperatur, kurz Tm, ist die höchste Temperatur im Schmelzbereich. Ab jetzt schmelzen auch die größten Kristalle. Deshalb findet ein Phasenwechsel erster Ordnung statt und der Kunststoff geht vom festen in den flüssigen Zustand über.
