Thermoplaste

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Ein Thermoplast oder Thermoweichplastik ist ein plastisches Polymermaterial, das bei einer bestimmten erhöhten Temperatur geschmeidig oder formbar wird und sich beim Abkühlen verfestigt.

Die meisten Thermoplaste haben ein hohes Molekulargewicht. Die Polymerketten verbinden sich durch intermolekulare Kräfte, die mit zunehmender Temperatur schnell nachlassen, so dass eine viskose Flüssigkeit entsteht. In diesem Zustand können Thermoplaste umgeformt werden und werden in der Regel zur Herstellung von Teilen durch verschiedene Polymerverarbeitungsverfahren wie Spritzgießen, Formpressen, Kalandrieren und Extrudieren verwendet. Thermoplaste unterscheiden sich von duroplastischen Polymeren (oder "Duroplasten"), die während des Aushärtungsprozesses irreversible chemische Bindungen bilden. Duroplaste schmelzen beim Erhitzen nicht, sondern zersetzen sich in der Regel und bilden sich beim Abkühlen nicht neu.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines thermoplastischen Materials

Oberhalb der Glasübergangstemperatur und unterhalb des Schmelzpunkts ändern sich die physikalischen Eigenschaften eines Thermoplasten drastisch, 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. Amorphe und halbamorphe Kunststoffe werden verwendet, wenn eine hohe optische Klarheit erforderlich ist, da das Licht von Kristalliten, die größer als seine Wellenlänge sind, stark gestreut wird. Amorphe und halbamorphe Kunststoffe sind weniger widerstandsfähig gegen chemische Angriffe und Spannungsrisse, da ihnen eine kristalline Struktur fehlt.

Die Sprödigkeit kann durch den Zusatz von Weichmachern verringert werden, die die Beweglichkeit der amorphen Kettensegmente erhöhen und so die Glasübergangstemperatur wirksam senken. Eine Modifizierung des Polymers durch Copolymerisation oder durch Hinzufügen von nicht reaktiven Seitenketten zu den Monomeren vor der Polymerisation kann die Glasübergangstemperatur ebenfalls senken. Bevor diese Techniken zum Einsatz kamen, brachen Kunststoffteile für Kraftfahrzeuge häufig, wenn sie kalten Temperaturen ausgesetzt wurden. Dabei handelt es sich um lineare oder leicht verzweigte langkettige Moleküle, die bei Erwärmung wiederholt erweichen und bei Abkühlung aushärten können.

LEGO-Steine sind aus Thermoplasten hergestellt

Thermoplaste (Singular der Thermoplast, von altgriechisch θερμός thermós ‚warm‘, ‚heiß‘ und πλάσσειν plássein ‚bilden‘, ‚formen‘), auch Plastomere genannt, sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die sogenannte thermische Zersetzung des Materials einsetzt. Darin unterscheiden sich Thermoplaste von den Duroplasten und Elastomeren. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die Schweißbarkeit von Thermoplasten.

Acrylglas

Die heutige Acrylindustrie lässt sich in zwei verschiedene Milliardenmärkte unterteilen: zum einen den Markt für Polyacrylsäuren (PAA) und ihre Esterderivate (PAc) und zum anderen den Markt für Poly(methylmethacrylat) (PMMA). PMMA ist auch unter Handelsnamen wie Lucite, Perspex und Plexiglas bekannt. Es dient als stabiler Ersatz für Glas bei Gegenständen wie Aquarien, Knöpfen, Motorradhelm-Visieren, Flugzeugfenstern, Sichtfenstern von Tauchbooten und Linsen von Außenleuchten von Autos. Es wird in großem Umfang zur Herstellung von Schildern, einschließlich Schriftzügen und Logos, verwendet. In der Medizin wird es in Knochenzement und als Ersatz für Augenlinsen verwendet. Acrylfarbe besteht aus in Wasser suspendierten PMMA-Partikeln.

PMMA ist seit vielen Jahrzehnten der weltweit am meisten produzierte Methacrylsäureester. Die wichtigsten Akteure auf dem PMMA-Markt sind Mitsubishi Rayon (Japan), Arkema SA (Frankreich), LG MMA (Südkorea), Chi Mei Corp. (Taiwan), Sumimoto Chemical Company Ltd (Japan), Evonik Industries (Deutschland), BASF (Deutschland), Dow Chemical Company (USA), AkzoNobel (Niederlande), Quinn Plastics (UK) und Cytec Industries (USA). Die wichtigsten Hersteller auf dem PAA- und PAc-Markt sind Nippon Shokubai Company Ltd. (Japan), Arkema SA (Frankreich) und Dow Chemical Company (U.S.)

Beispiele

Schildkröt-Puppe Inge aus Zelluloid, 1950

Zu den Thermoplasten zählen z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactid (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC). Der am längsten bekannte Thermoplast ist Zelluloid. Die am häufigsten verwendeten Thermoplaste sind Polyolefine, wie Polyethylen und Polypropylen.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein Terpolymer, das aus Styrol und Acrylnitril in Gegenwart von Polybutadien synthetisiert wird. ABS ist ein leichtes Material mit hoher Schlagfestigkeit und mechanischer Zähigkeit. Bei normaler Handhabung birgt es kaum Risiken für die menschliche Gesundheit. Es wird in vielen Konsumgütern wie Spielzeug, Haushaltsgeräten und Telefonen verwendet.

Nylon

Nylon gehört zu einer Klasse von Polymeren, den Polyamiden. Es diente als Ersatz für Hanf, Baumwolle und Seide in Produkten wie Fallschirmen, Schnüren, Segeln, Schutzwesten und Kleidung. Nylonfasern werden zur Herstellung von Stoffen, Seilen, Teppichen und Musiksaiten verwendet, während Nylon in loser Form für mechanische Teile wie Maschinenschrauben, Zahnräder und Gehäuse von Elektrowerkzeugen eingesetzt wird. Außerdem wird es für die Herstellung von hitzebeständigen Verbundwerkstoffen verwendet.

PLA

Polymilchsäure (Polylactid) ist ein kompostierbarer thermoplastischer aliphatischer Polyester, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke (in den Vereinigten Staaten), Zuckerrübenschnitzeln (in Europa), Tapiokawurzeln, -chips oder -stärke (hauptsächlich in Asien) oder Zuckerrohr gewonnen wird. Es ist das am häufigsten verwendete Material für den 3D-Druck mit FDM-Techniken (Fused Deposition Modeling).

Polybenzimidazol

Polybenzimidazol (PBI, kurz für Poly-[2,2'-(m-phenylen)-5,5'-bisbenzimidazol]) ist eine Kunstfaser mit einem sehr hohen Schmelzpunkt. Sie besitzt eine außergewöhnliche thermische und chemische Stabilität und ist nicht leicht entzündbar. Sie wurde erstmals von dem amerikanischen Polymerchemiker Carl Shipp Marvel auf der Suche nach neuen Materialien mit überlegener Stabilität, Steifigkeit und Zähigkeit bei hohen Temperaturen entdeckt. Aufgrund seiner hohen Stabilität wird Polybenzimidazol zur Herstellung von Hochleistungs-Schutzkleidung verwendet, z. B. für die Feuerwehr, für Astronauten-Raumanzüge, für Hochtemperatur-Schutzhandschuhe, für Schweißerkleidung und für Flugzeugwandstoffe. In den letzten Jahren wurde Polybenzimidazol auch als Membran in Brennstoffzellen eingesetzt.

Polycarbonat

Polycarbonat (PC) ist ein thermoplastischer Kunststoff, der unter Marken wie Lexan, Makrolon, Makroclear und arcoPlus bekannt ist. Sie lassen sich leicht bearbeiten, formen und thermisch verformen und eignen sich für viele Anwendungen, z. B. für elektronische Bauteile, Baumaterialien, Datenspeicher, Automobil- und Flugzeugteile, Prothesenfassungen und Sicherheitsverglasungen. Polycarbonate haben keinen eindeutigen Identifikationscode für das Harz. Aus Polycarbonat hergestellte Gegenstände können das Vorläufermonomer Bisphenol A (BPA) enthalten. Sie sind empfindlich gegenüber UV-Licht und vergilben (die Verschlechterung ist besonders bei Scheinwerfern sichtbar, die nicht mehr oder nicht mehr richtig geschützt sind).

Polyether-Sulfon

Polyethersulfon (PES) oder Polysulfon ist eine Klasse speziell entwickelter Thermoplaste mit hoher thermischer, oxidativer und hydrolytischer Stabilität und guter Beständigkeit gegenüber wässrigen Mineralsäuren, Laugen, Salzlösungen, Ölen und Fetten.

Polyoxymethylen

Polyoxymethylen (POM), auch bekannt als Acetal, Polyacetal und Polyformaldehyd, ist ein technischer Thermoplast, der für Präzisionsteile verwendet wird, die eine hohe Steifigkeit, geringe Reibung und ausgezeichnete Dimensionsstabilität erfordern. Wie viele andere synthetische Polymere wird es von verschiedenen Chemieunternehmen mit leicht unterschiedlichen Formeln hergestellt und unter Namen wie Delrin, Celcon, Ramtal, Duracon, Kepital und Hostaform vertrieben.

Polyetheretherketon

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein farbloses organisches thermoplastisches Polymer aus der Familie der Polyaryletherketone (PAEK), das in technischen Anwendungen eingesetzt wird. Es wurde ursprünglich von Victrex PLC und dann von ICI (Imperial Chemical Industries) in den frühen 1980er Jahren eingeführt. Es hat attraktive Eigenschaften wie gute Abriebfestigkeit, geringe Entflammbarkeit und Emission von Rauch und giftigen Gasen.

Polyetherimid

Polyetherimid (PEI), das durch eine neuartige Nitroverdrängungsreaktion unter Beteiligung von Bisphenol A, 4,4'-Methylendianilin und 3-Nitrophthalsäureanhydrid hergestellt wird, hat eine hohe Wärmeformbeständigkeit, Zugfestigkeit und einen hohen Modul. Sie werden im Allgemeinen für elektrische und elektronische Hochleistungsbauteile, Mikrowellengeräte und Teile für den Motorraum von Kraftfahrzeugen verwendet.

Polyethylen

Polyethylen (Polyethen, Polyäthylen, PE) ist eine Familie ähnlicher Materialien, die nach ihrer Dichte und Molekularstruktur kategorisiert werden. Es wird auch als Poly bezeichnet und durch die Additionspolymerisation von Ethylen gewonnen. Je nach Herstellungsverfahren kann es eine niedrige oder hohe Dichte aufweisen. Es ist beständig gegen Feuchtigkeit und die meisten Chemikalien. Er ist bei Raumtemperatur (und niedrigen Temperaturen) flexibel und kann heiß versiegelt werden. Da es sich um einen preiswerten Kunststoff handelt, wird er in großen Mengen hergestellt, um die Nachfrage zu befriedigen. Zum Beispiel:

  • Das ultrahochmolekulare Polyethylen (UHMWPE) ist zäh und chemikalienbeständig. Es wird zur Herstellung von beweglichen Maschinenteilen, Lagern, Getrieben, künstlichen Gelenken und einigen kugelsicheren Westen verwendet.
  • Polyethylen hoher Dichte (HDPE), recycelbarer Kunststoff Nr. 2, wird häufig für Milchkannen, Flüssigwaschmittelflaschen, Gartenmöbel, Margarinebecher, tragbare Benzinkanister, Trinkwasserverteilungssysteme, Wasserabflussrohre und Einkaufstüten verwendet.
  • Polyethylen mittlerer Dichte (MDPE) wird für Verpackungsfolien, Säcke sowie Gasrohre und Armaturen verwendet.
  • Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ist flexibel und wird für die Herstellung von Quetschflaschen, Milchkannendeckeln, Tüten für den Einzelhandel und lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) als Stretchfolie für Transport- und Handhabungskisten von Gebrauchsgütern sowie als gängige Haushaltsabdeckung für Lebensmittel verwendet.

Polyphenylenoxid

Polyphenylenoxid (PPO), das durch radikalische, stufenweise oxidative Kopplungspolymerisation von 2,6-Xylenol gewonnen wird, hat viele attraktive Eigenschaften wie hohe Wärmeformbeständigkeit und Schlagzähigkeit, chemische Stabilität gegenüber mineralischen und organischen Säuren und geringe Wasseraufnahme. Da PPO schwer zu verarbeiten ist, wird das handelsübliche Harz (Noryl) durch Mischen von PPO mit hochschlagfestem Polystyrol (HIPS) hergestellt, wodurch die Verarbeitungstemperatur gesenkt werden kann.

Polyphenylensulfid

Polyphenylensulfid (PPS), das durch die Kondensationspolymerisation von p-Dichlorbenzol und Natriumsulfid gewonnen wird, hat eine hervorragende chemische Beständigkeit, gute elektrische Eigenschaften, eine ausgezeichnete Flammwidrigkeit, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Transparenz gegenüber Mikrowellenstrahlung. PPS wird hauptsächlich in Beschichtungsanwendungen eingesetzt. Dazu wird eine wässrige Aufschlämmung von PPS-Partikeln aufgesprüht und auf Temperaturen über 370 °C erhitzt. Bestimmte PPS-Qualitäten können beim Spritzgießen und Formpressen bei Temperaturen (300 bis 370 °C) verwendet werden, bei denen die PPS-Teilchen erweichen und offensichtlich vernetzt werden. Zu den wichtigsten Anwendungen von spritzgegossenem und formgepresstem PPS gehören Kochgeschirr, Lager und Pumpenteile für den Einsatz in verschiedenen korrosiven Umgebungen.

Polypropylen

Polypropylen (PP) eignet sich für so unterschiedliche Produkte wie wiederverwendbare Lebensmittelbehälter aus Kunststoff, mikrowellen- und spülmaschinenfeste Kunststoffbehälter, Windelauskleidungen, Auskleidungen und Verkleidungen von Damenbinden, Seile, Teppiche, Kunststoffformteile, Rohrleitungssysteme, Autobatterien, Isolierungen für elektrische Kabel und Filter für Gase und Flüssigkeiten. In der Medizin wird es bei der Behandlung von Leistenbrüchen und zur Herstellung hitzebeständiger medizinischer Geräte verwendet. Polypropylenplatten werden für Schreibwarenmappen und -verpackungen sowie für durchsichtige Lagerbehälter verwendet. Polypropylen wird durch die Nummer 5 für wiederverwertbare Kunststoffe gekennzeichnet. Obwohl es relativ inert ist, reagiert es empfindlich auf ultraviolette Strahlung und kann sich bei direkter Sonneneinstrahlung erheblich zersetzen. Polypropylen ist nicht so schlagfest wie die Polyethylene (HDPE, LDPE). Außerdem ist es etwas durchlässig für leicht flüchtige Gase und Flüssigkeiten.

Polystyrol

Polystyrol wird in verschiedenen Formen hergestellt, die unterschiedliche Anwendungen haben. Extrudiertes Polystyrol (PS) wird für die Herstellung von Einwegbesteck, CD- und DVD-Hüllen, Plastikmodellen von Autos und Booten sowie Rauchmeldergehäusen verwendet. Expandierter Polystyrolschaum (EPS) wird zur Herstellung von Isolier- und Verpackungsmaterialien verwendet, wie z. B. "Erdnüsse" und Formschaum zur Polsterung empfindlicher Produkte. Polystyrol-Copolymere werden bei der Herstellung von Spielzeug und Produktgehäusen verwendet.

Polyvinylchlorid

Polyvinylchlorid (PVC) ist ein zähes, leichtes Material, das langlebig, ziemlich steif und vielseitig ist und gegen Säuren und Basen beständig ist. Ein Großteil davon wird in der Bauindustrie verwendet, z. B. für Vinylverkleidungen, Abflussrohre, Dachrinnen und Dachbahnen. Durch Zugabe von Weichmachern kann es auch in flexible Formen umgewandelt werden, wodurch es für Gegenstände wie Schläuche, Rohre, elektrische Isolierungen, Mäntel, Jacken und Polsterungen nützlich wird. Weiches PVC wird auch für aufblasbare Produkte wie Wasserbetten und Poolspielzeug verwendet. PVC ist auch ein gängiges Material für Vinyl-Actionfiguren, insbesondere in Ländern wie Japan, wo das Material in großem Umfang für so genannte Sofubi-Figuren (Weichvinylspielzeug) verwendet wird. Da sich PVC leicht verbiegt und dazu neigt, während des Transports verbogen zu werden, besteht eine Methode zur Abschwächung dieser Verformung darin, den Kunststoff zu erhitzen, bis er beweglich wird, und das Material dann in die gewünschte Form zu bringen.

PVC wird in vielen spezifischen Modifikationen hergestellt, die seine chemischen und physikalischen Eigenschaften beeinflussen. Bei weichgemachtem Polyvinylchlorid (pPVC) werden dem Rohmaterial vor der Formgebung Weichmacher zugesetzt, um es flexibler oder geschmeidiger zu machen. Die Gesundheits- und Umweltaspekte dieses Materials waren anfangs nur unzureichend bekannt, so dass nach Studien Ersatzprodukte und Produktverbote erlassen wurden. Die ursprüngliche Form wird oft als weichmacherfreies Polyvinylchlorid (PVC) bezeichnet, das am häufigsten für Installationen wie Wasser-, Abwasser- und Kanalisationsrohre verwendet wird.

Chemische Modifikationen führen oft zu drastischeren Veränderungen der Eigenschaften. Chloriertes Polyvinylchlorid (CPVC) wird hergestellt, indem PVC der fortgesetzten radikalischen Chlorierungsreaktion ausgesetzt wird, aus der das PVC-Polymer ursprünglich entstanden ist. Durch die Chlorierungsreaktion werden dem Kohlenwasserstoffgerüst des Polymers weiterhin Chloratome hinzugefügt, bis die meisten kommerziellen Anwendungen einen prozentualen Bereich zwischen 56 und 74 % Gesamtchlor erreichen. Diese Erhöhung des elementaren Chlorgehalts trägt dazu bei, dass CPVC verstärkt chlorhaltige Eigenschaften aufweist, wie z. B. chemische Beständigkeit, Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen und Salzen, Anfälligkeit gegenüber ammoniakhaltigen Verbindungen, Aromaten, Estern und Ketonen, chemische Stabilität und Beständigkeit bei der Übertragung von Wärmeenergie. CPVC wird häufig in Wasser-, Chemie-, Heiß- und Kaltwasserversorgungssystemen für private, gewerbliche und industrielle Anwendungen eingesetzt.

Polyvinylidenfluorid

Polyvinylidenfluorid (PVDF) gehört zur Klasse der Fluorpolymere und ist bekannt für seine hohe chemische Beständigkeit und Widerstandsfähigkeit. PVDF wird durch die Polymerisation des Vinylidenfluorid-Monomers gewonnen. PVDF-Thermoplaste werden zu Platten und Rohren für technische Anwendungen sowie zu Pulvern und Beschichtungen verarbeitet, die in Lösungsmitteln gelöst und auf die Oberfläche eines Produkts aufgetragen werden können. PVDF wird in der chemischen Industrie häufig als Rohrleitung für aggressive Chemikalien und hochreine Flüssigkeiten verwendet. Das PVDF-Material wird im Bauwesen, im Transportwesen, in chemischen Prozessen, in der Elektrizitätswirtschaft, in Batterien, im Abwasserbereich und in der Abwasserbehandlung eingesetzt.

Polytetrafluorethylen (Teflon)

Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein synthetisches Fluorpolymer aus Tetrafluorethylen, das gemeinhin unter dem Markennamen Teflon bekannt ist. PTFE ist hydrophob: Wässrige Flüssigkeiten benetzen das Material nicht, da Fluorkohlenwasserstoffe aufgrund der hohen Elektronegativität von Fluor geringere Londoner Dispersionskräfte aufweisen. Dies spricht auch für seine Verwendung in Beschichtungen von Kochgeschirr. Das Polymer hat einen der niedrigsten Reibungskoeffizienten aller Feststoffe und wird daher häufig für Lager und die Lagerung beweglicher mechanischer Teile verwendet.

Aufbau und Einteilung

Thermoplaste sind aus wenig oder nicht verzweigten, also linearen Kohlenstoffketten aufgebaut, die nur durch schwache physikalische Bindungen miteinander verbunden sind. Diese Bindungskräfte sind wirksamer, wenn die Ketten parallel ausgerichtet sind. Solche Bereiche nennt man kristallin, im Gegensatz zu amorphen (ungeordneten) Bereichen, in denen die Makromoleküle verknäult vorliegen.

Einteilung der thermoplastischen Kunststoffe.

Thermoplaste lassen sich bezüglich mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften in die Gruppen Standardkunststoffe, technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe einteilen. Dies ist allerdings keine chemische, sondern eine anwendungsbezogene, ingenieurstechnische Einteilung.

Verarbeitung

Thermoplaste wurden ursprünglich vor allem im Spritzgießverfahren verarbeitet, weshalb man sie auch als Spritzmassen bezeichnete (im Gegensatz zu Duroplasten, die man Pressmassen nannte). Heute ist die Extrusion ein weiteres wichtiges Verarbeitungsverfahren. Weitere Verarbeitungsmöglichkeiten sind z. B. Blasformen, Folienblasen, Heißverstemmen und Kalandrieren. Prinzipiell lassen sich Thermoplaste auch mechanisch und thermisch bearbeiten. Unter mechanischer Bearbeitung versteht man z. B. Sägen, Fräsen, Schleifen, Drehen, Hobeln sowie die Fügeverfahren Kleben und Schweißen. Zu den thermischen Bearbeitungsverfahren zählen z. B. das freie Verformen über einem Werkzeug und das Vakuumtiefziehen.

Aggregatzustände

Fest
Vor dem Erwärmen und nach dem Abkühlen sind Thermoplaste fest, was nicht gleich steif bedeutet. Viele Thermoplaste sind auch im festen Zustand flexibel und manche können auch im festen Zustand bearbeitet und in der Form verändert werden.
Thermoelastisch
In dem Bereich, in dem ein Thermoplast thermoelastisch wird, kann er in seiner Form verändert werden, behält aber seine Ursprungsform bei und kann in diese zurückgebracht werden.
Thermoplastisch
Das Material wird weich und ist nicht mehr formstabil, kann also evtl. nicht in seine Ursprungsform zurückgebracht werden (zum Beispiel bei Röhren).
Fließfähig
Wenn der Bereich der Thermoplastizität überschritten ist, wird das Material fließfähig. Bei weiterer Erhitzung verflüchtigt sich das Material und zersetzt sich in seine Grundbestandteile.

Einkauf/Handel von Thermoplasten

Thermoplastische Kunststoffe werden in Westeuropa zum überwiegenden Teil direkt zwischen Kunststoff-Erzeugern und Kunststoff-Verarbeitern gehandelt. Bei Spezialitäten, Kleinmengen, in regional oder national abgegrenzten Gebieten sind zum Teil Distributeure dazwischen geschaltet.

Eine zusammenfassende Gesamtschau der Preisentwicklung von Thermoplasten in Europa bietet ein Rohstoffindex, der sogenannte Plastixx. Seit Anfang 2004 werden die Rohstoffe Polyethylen-LLD und Polypropylen auch an der London Metal Exchange (LME) als Warenterminkontrakte (Futures) gehandelt. Seit Mitte 2007 gibt es auch eine regional unterschiedliche Preisbildung (für Asien, Europa, Nordamerika) über dieses System, um die Marktsituation noch genauer abzubilden.