Ein Thermoplast ist ein Polymer, das durch Erhitzen erweicht und dann entweder als weicher Feststoff (z. B. durch Thermoformen) oder als Flüssigkeit (z. B. durch Extrudieren oder Spritzgießen) verarbeitet werden kann.
Thermoplastische Kunststoffe härten nach dem Erkalten aus und verändern ihre chemischen Eigenschaften auch nach mehrmaligem Erhitzen und Abkühlen nicht, so dass sie leicht recycelbar sind.
Wie funktionieren Thermoplaste?
Thermoplaste sind Polymere, d. h. Kunststoffe, die aus sich wiederholenden Einheiten, den so genannten Monomeren, bestehen, die sich zu Verzweigungen oder Ketten zusammenfügen. Während Polymere wie Zellulose, Gummi oder Stärke in der Natur vorkommen, sind andere, wie Nylon, Kunststoff oder Polyester, synthetisch.
Die Monomere in thermoplastischen Polymeren sind durch elektrische Bindungen verbunden, die als Van-der-Waals-Kräfte bekannt sind und neutrale Moleküle schwach zueinander anziehen. Diese sich wiederholenden Einheiten sind so angeordnet, dass die Polymermoleküle einer Perlenkette ähneln. Die Bindungen zwischen den Polymerketten werden mit zunehmender Temperatur schwächer, so dass ein biegsamer Feststoff und anschließend eine zähflüssige Flüssigkeit entsteht, die es ermöglicht, sie für die Herstellung von Bauteilen umzuformen. Diese Kettenmoleküle können wiederholt erhitzt werden, um sie zu erweichen, und abgekühlt werden, um sie zu härten.
Die physikalischen Eigenschaften von Thermoplasten ändern sich oberhalb des Glasübergangstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur, ohne dass es zu einem Phasenwechsel kommt. Einige Thermoplaste kristallisieren unterhalb der Glasübergangstemperatur nicht vollständig aus und behalten einige oder alle ihrer amorphen Eigenschaften bei. Solche amorphen und halbamorphen Kunststoffe werden für Anwendungen verwendet, bei denen optische Klarheit erforderlich ist, da das Licht an Kristalliten gestreut wird, die größer als seine Wellenlänge sind. Diese amorphen und halbamorphen Kunststoffe sind jedoch aufgrund der fehlenden kristallinen Struktur weniger widerstandsfähig gegen chemische Angriffe und Spannungsrisse in der Umwelt.
Weichmacher können thermoplastischen Kunststoffen zugesetzt werden, um die Beweglichkeit der amorphen Kettensegmente zu erhöhen, wodurch die Glasübergangstemperatur gesenkt und die Sprödigkeit verringert wird. Die Sprödigkeit kann auch durch Copolymerisation oder den Zusatz von nicht reaktiven Seitenketten zu den Monomeren vor der Polymerisation verringert werden. Bevor solche Techniken eingesetzt wurden, brachen die Kunststoffteile von Autos häufig, wenn sie kalten Temperaturen ausgesetzt waren.
Wie werden Thermoplaste hergestellt?
Thermoplastische Kunststoffe werden aus Rohstoffen wie Polymerharzen, Farbstoffen und Additiven nach der jeweils gewünschten Rezeptur hergestellt. Diese Materialien werden gemischt, um die Einheitlichkeit der gesamten Charge zu gewährleisten. Nach dem Mischen können die Rohstoffe erhitzt und in verschiedenen Verfahren geformt werden, z. B. durch Spritzgießen oder Extrudieren.
Vorteile
Thermoplastische Polymere bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. die Möglichkeit, sie wiederzuverwenden, indem sie erweicht und in verschiedene Formen umgeformt werden. Neben der Wiederverwendbarkeit weisen diese Materialien eine hohe Festigkeit auf und sind schrumpffest. Sie sind langlebig und vielseitig und können in großen Mengen zu niedrigen Kosten gekauft werden.
Zu den Vorteilen von Thermoplasten gehören:
- Hohe Schlagzähigkeit
- Leicht recycelbar
- Ästhetisch hochwertige Oberflächenbeschaffenheit
- Gute chemische Beständigkeit
- Umweltfreundliche Herstellungsprozesse
- Sie können mit harten (teilkristallinen) oder weichen (gummiartigen) Oberflächeneigenschaften hergestellt werden
Nachteile
Trotz der vielen Vorteile gibt es auch einige Einschränkungen im Zusammenhang mit Thermoplasten. Aufgrund ihres niedrigen Schmelzpunkts sind sie für einige Hochtemperaturanwendungen ungeeignet und können außerdem hohe Produktionskosten verursachen.
Einige Arten von Thermoplasten können sogar schmelzen, wenn sie über einen längeren Zeitraum dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Sie können auch eine schlechte Beständigkeit gegen organische Lösungsmittel, Kohlenwasserstoffe und polare Lösungsmittel aufweisen.
Darüber hinaus neigen einige Thermoplaste zum Kriechen, wenn sie gedehnt werden, und werden durch langfristige Belastungen geschwächt, während andere unter hohen Belastungen brechen können.
Anwendungen
Verschiedene Arten von Thermoplasten werden je nach ihren genauen Eigenschaften für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt, darunter:
1. Acryl
Acryl, Acrylglas oder Polymethylmethacrylat (PMMA) ist auch unter den Handelsnamen Plexiglas, Perspex oder Lucite bekannt. Es wird häufig als Ersatz für Glas in Aquarien, Flugzeugfenstern, Motorradhelm-Visieren und für die Linsen von Auto-Außenleuchten verwendet. Acrylglas wird auch für Beschilderungen, für Linsen und als Knochenzement für medizinische Zwecke sowie für Farben verwendet, bei denen PMMA-Partikel in Wasser suspendiert werden.
2. Nylon
Nylon gehört zur Klasse der Polyamide (PA) und wurde als Ersatz für Seide bei der Herstellung von Schutzwesten, Fallschirmen und Strümpfen verwendet. Nylonfasern werden auch für Gewebe, Teppiche, Seile und Saiten für Musikinstrumente verwendet. Es wird auch für Maschinenschrauben, Zahnräder und Gehäuse von Elektrowerkzeugen verwendet.
3. Polyethylen
Polyethylen (Polyäthylen, Polyethen, PE) ist eine Familie von Materialien mit unterschiedlichen Dichten und Molekülstrukturen, die alle ihre eigenen Anwendungen haben. Das starke und chemikalienbeständige Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) wird zur Herstellung von beweglichen Maschinenteilen, Lagern, Zahnrädern, künstlichen Gelenken und einigen kugelsicheren Westen verwendet. Polyethylen hoher Dichte (HDPE) wird zur Herstellung von Gegenständen wie Wasserrohren, Milchkannen und Margarinebechern verwendet. Polyethylen mittlerer Dichte (MDPE) wird für Verpackungsfolien, Säcke sowie Gasrohre und Armaturen verwendet. Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ist das weichste und flexibelste dieser Materialien und wird für die Herstellung von Quetschflaschen, Säcken und Folien verwendet.
4. Polypropylen
Polypropylen wird für eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte verwendet, darunter wiederverwendbare Aufbewahrungsbehälter, Windeln, Sanitärprodukte, Seile, Teppichböden, Rohrleitungssysteme, Isolierungen für elektrische Kabel, Aktenordner, Filter für Gas oder Flüssigkeiten und Autobatterien.
5. Polystyrol
Polystyrol wird in verschiedenen Formen hergestellt, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Artikel wie Einwegbesteck, Hüllen für CDs und DVDs sowie Gehäuse für Rauchmelder werden aus extrudiertem Polystyrol (PS) hergestellt. Expandierter Polystyrolschaum (EPS) wird für Isolier- und Verpackungsmaterialien verwendet, und extrudierter Polystyrolschaum (XPS), auch unter dem Handelsnamen Styropor bekannt, wird für Architekturmodelle und Trinkbecher verwendet. Andernorts werden Polystyrol-Copolymere für die Herstellung von Spielzeug und Produkthüllen verwendet.
6. Polyvinylchlorid
Polyvinylchlorid (PVC) ist zäh, leicht und beständig gegen Säuren und Basen und wird in der Bauindustrie unter anderem für Vinylverkleidungen, Abflussrohre, Dachrinnen und Dachbahnen verwendet.
Wird PVC mit Hilfe von Weichmachern umgewandelt, kann es für Schläuche, Rohre, elektrische Isolierungen, Kleidung und Polsterungen verwendet werden. Weiches PVC wird auch für aufblasbare Produkte wie Luftmatratzen, Wasserbetten und Poolspielzeug verwendet.
7. Teflon
Teflon gehört zur Klasse der Fluorpolymere und ist der Markenname der DuPont Corporation für Polytetrafluorethylen (PTFE). Es ist bekannt für seine Verwendung in Antihaft-Kochgeschirr, wird aber auch als Schmiermittel verwendet, um den Reibungsverschleiß zwischen gleitenden Teilen wie Zahnrädern, Lagern und Buchsen zu verringern. Da es chemisch inert ist, wird es auch für Rohre und Behälter verwendet, die mit reaktiven Chemikalien in Kontakt kommen.
Gängige Thermoplaste wie PVC, CPVC, Polypropylen, PVDF, ABS, Nylon und Polyethylen werden ebenfalls als Ersatz für Stahl in Rohrleitungssystemen verwendet, da sie rost- und korrosionsbeständig sind und korrosiven Umgebungen standhalten können. Aufgrund ihrer guten Hitzebeständigkeit können sie auch Materialien mit unterschiedlichen Temperaturen transportieren, während Polyethylen auch für Gastanks verwendet wird, die für den Transport von Erdgas für gewerbliche oder private Zwecke eingesetzt werden. Andere thermoplastische Polymere wie Acrylate, Cyanacrylate und Epoxy werden für Klebstoffe verwendet.
Im Folgenden erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Polymeren...
Beispiele
Wie oben gezeigt, gibt es eine Reihe von Thermoplasten mit ihren eigenen einzigartigen Anwendungen. Die grundlegenden Eigenschaften wie Vielseitigkeit und Wiederverwertbarkeit sind jedoch allen diesen Polymeren gemeinsam. Beispiele für thermoplastische Polymere sind:
1. Acryl
Die von der Industrie verwendeten Acryle lassen sich grob in drei Gruppen unterteilen: Polyacrylsäuren (PAA), deren Esterderivate (PAc) und Polymethylmethacrylat (PMMA). PMMA wird als Glasersatz verwendet und ist auch unter Handelsnamen wie Plexiglas, Perspex und Lucite bekannt. In Wasser suspendiert, wird PMMA auch für Acrylfarben verwendet. PMMA ist der weltweit am häufigsten hergestellte Methacrylester.
2. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein leichtes Terpolymer mit hoher Schlagfestigkeit und mechanischer Zähigkeit. ABS wird aus Acrylnitril und Styrol in Anwesenheit von Polybutadien synthetisiert und ist bei normalem Gebrauch für den Menschen unbedenklich.
3. Nylon
Dieses weit verbreitete Polyamid wird als Faser zur Herstellung von Stoffen, Seilen, Teppichen und Saiten für Musikinstrumente verwendet, kann aber auch zur Herstellung von mechanischen Teilen wie Maschinenschrauben oder Zahnrädern verwendet werden, wenn es in einer größeren Form vorliegt. Nylon wird auch für hitzebeständige Verbundwerkstoffe verwendet.
4. Polylactide (PLA)
Polylactide (umgangssprachlich auch Polymilchsäuren, PLA) sind kompostierbare thermoplastische aliphatische Polyester, die aus erneuerbaren Ressourcen wie Zuckerrübenschnitzeln, Maisstärke, Chips, Zuckerrohr und Tapiokawurzeln gewonnen werden. Sie werden in der additiven Fertigung (3D-Druck) für Fused Deposition Modeling-Verfahren verwendet.
5. Polybenzimidazol (PBI)
Polybenzimidazol (PBI) ist eine synthetische Faser mit einem sehr hohen Schmelzpunkt, die eine ausgezeichnete chemische und thermische Stabilität aufweist. Die hervorragende Stabilität, Haltbarkeit, Steifigkeit und Zähigkeit von PBI bei hohen Temperaturen hat dazu geführt, dass es für Feuerwehrkleidung, Raumanzüge für Astronauten, Schutzhandschuhe, Schweißer-Schutzkleidung, Wandgewebe für Flugzeuge und für Membranen in Brennstoffzellen verwendet wird.
6. Polycarbonat (PC)
Polycarbonat-Thermoplaste sind auch unter Handelsnamen wie arcoPlus, Lexan, Makroclear und Makrolon bekannt. Sie lassen sich leicht formen und thermisch verformen und werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Medizin, im Bauwesen, in der Elektronik, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt und vielen anderen Bereichen. Sie sind jedoch anfällig für UV-Licht und vergilben, wenn sie diesem ausgesetzt sind, sofern sie nicht beschichtet sind.
7. Polyethersulfon (PES)
Dieser speziell entwickelte Thermoplast besitzt eine hohe hydrolytische, oxidative und thermische Stabilität sowie eine gute Beständigkeit gegen Laugen, Salzlösungen, Säuren aus wässrigen Mineralien, Öle und Fette.
9. Polyetheretherketon (PEEK)
Dieser organische, farblose Thermoplast gehört zur Familie der Polyaryletherketone (PAEK) und wird aufgrund seiner guten Abriebfestigkeit und geringen Entflammbarkeit sowie seiner geringen Rauch- und Giftgasentwicklung für eine Reihe von technischen Anwendungen verwendet.
10. Polyetherimid (PEI)
PEI hat eine hohe Wärmeformbeständigkeit, einen hohen E-Modul und eine hohe Zugfestigkeit und wird für leistungsstarke elektronische und elektrische Teile, u. a. in der Automobilindustrie, sowie für Konsumgüter wie Mikrowellenherde verwendet.
11. Polyethylen (PE)
Polyethylen (PE) bildet eine Familie ähnlicher Materialien, einschließlich Polyethylen und Polyäthylen, die nach Dichte und Molekularstruktur unterschieden werden. Diese Thermoplaste, die durch die Additionspolymerisation von Ethylen entstehen und manchmal auch als Poly bezeichnet werden, können je nach Herstellungsverfahren eine hohe oder niedrige Dichte aufweisen. PE ist feuchtigkeits- und chemikalienbeständig, flexibel bei Temperaturen bis etwa Raumtemperatur und kann heiß versiegelt werden. PE ist kostengünstig in der Herstellung und wird in den folgenden Formen angeboten:
- Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE): Das zähe und chemikalienbeständige UHMWPE wird für bewegliche Maschinenteile, Lager, Zahnräder, künstliche Gelenke und sogar für kugelsichere Westen verwendet.
- Hochdichtes Polyethylen (HDPE): Dieser wiederverwertbare Kunststoff wird häufig für Plastikmilchflaschen, Flüssigwaschmittelflaschen, Gartenmöbel, Margarinebecher, Wasserrohre, Einkaufstaschen und vieles mehr verwendet.
- Mitteldichtes Polyethylen (MDPE): Dieses Material wird u. a. für Verpackungsfolien, Gasrohre und -armaturen sowie Säcke verwendet.
- Polyethylen niedriger Dichte (LDPE): Dieser flexible Thermoplast wird für Einkaufstaschen und verschließbare Flaschen verwendet.
- Lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE): Das PE mit niedriger Dichte wird als Frischhaltefolie zur Lebensmittelabdeckung und als Stretchfolie in der Verpackungsindustrie verwendet.
12. Polyphenylen-Oxid (PPO)
PPO bietet eine Reihe attraktiver Eigenschaften, darunter hohe Schlagzähigkeit, Wärmeformbeständigkeit und chemische Stabilität gegenüber mineralischen und organischen Säuren. Es bietet auch eine geringe Wasseraufnahme, kann aber aufgrund der hohen Verarbeitungstemperaturen schwierig zu verarbeiten sein. Handelsübliche Harze mischen PPO mit hochschlagfestem Polystyrol (PPO), um die Verarbeitungstemperatur zu senken und die Verarbeitung zu erleichtern.
13. Polyphenylensulfid (PPS)
PPS wird häufig für Beschichtungen verwendet und entsteht durch die Kondensationspolymerisation von Natriumsulfid und p-Dichlorbenzol. PPS zeichnet sich durch hervorragende chemische Beständigkeit, elektrische Eigenschaften, Flammwidrigkeit und Transparenz gegenüber Mikrowellenstrahlung sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten aus. Diese Eigenschaften bedeuten, dass PPS, wenn es im Spritzguss- oder Formpressverfahren bei Temperaturen verarbeitet wird, die hoch genug sind, um Vernetzungen zu erzeugen, auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Lagern und Pumpenkomponenten verwendet werden kann, die für korrosive Umgebungen geeignet sind.
14. Polypropylen (PP)
Polypropylen ist das weltweit am zweithäufigsten verwendete Standardpolymer (nach Polyethylen – siehe oben). Es wird in einer Vielzahl von Industriezweigen zur Herstellung von Gegenständen wie mikrowellen- und spülmaschinenfesten sowie wiederverwendbaren Lebensmittelbehältern, Rohren, hitzebeständigen medizinischen Geräten, Seilen, Teppichen, Autobatterien, Lagerbehältern und sogar Geldscheinen verwendet. Es ist empfindlich gegenüber UV-Licht und kann sich in direktem Sonnenlicht zersetzen.