Überblick über Thermoplaste: Materialtypen und Verfahren
Thermoplaste sind aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Wiederverwertbarkeit und Anpassungsfähigkeit in verschiedenen Branchen unverzichtbar. Von den komplizierten Komponenten in Autos bis hin zu lebensrettenden medizinischen Geräten – es sind vielseitige Polymere. Thermoplaste besitzen besondere Eigenschaften, insbesondere die Fähigkeit, unter Hitzeeinwirkung zu schmelzen und geformt zu werden und beim Abkühlen in einen festen Zustand zurückzukehren.
Dieser Artikel beschreibt, was Thermoplaste sind, ihre chemische Zusammensetzung, die zahlreichen Arten von Thermoplasten, ihre Eigenschaften und Anwendungen sowie die gängigsten Techniken zur Verarbeitung von Thermoplasten.
Was sind thermoplastische Kunststoffe?
Thermoplaste oder thermoplastische Kunststoffe sind eine Klasse von Polymeren, die sich durch ihre besondere Reaktion auf Temperaturänderungen auszeichnen. Im Gegensatz zu duroplastischen Kunststoffen, die sich bei Erwärmung chemisch irreversibel verändern und nicht neu geformt werden können, erweichen Thermoplaste bei Wärmeeinwirkung und verfestigen sich bei Abkühlung.
Aufgrund dieses Verhaltens können Thermoplaste mehrere Erhitzungs- und Abkühlungszyklen überstehen, ohne dass sich ihre grundlegenden Eigenschaften wesentlich verändern, so dass sie leicht recycelt werden können.
Abb.: Strukturelle Unterschiede zwischen Thermoplaste und Thermosets
Die chemische Zusammensetzung von Thermoplasten verstehen
Thermoplastische Kunststoffe entstehen durch den Prozess der Polymerisation, einer chemischen Reaktion, bei der sich kleine molekulare Einheiten, die so genannten Monomere, zu langkettigen Polymeren verbinden. Eine Polymerkette besteht aus Tausenden von Monomeren.
Außerdem beeinflusst die Anordnung der Molekularstruktur eines Thermoplasts, ob es sich um ein amorphes oder teilkristallines Polymer handelt.
Amorphe Thermoplaste
Diese Polymere haben eine ungeordnete oder zufällige Molekularstruktur ohne ein genau definiertes, sich wiederholendes Muster. Bei amorphen Thermoplasten mangelt es den Polymerketten an einer spezifischen geometrischen Fernordnung, was häufig zu transparenten oder durchscheinenden Materialien führt. Diese Thermoplaste weisen im Allgemeinen auch eine höhere Schlagzähigkeit auf, da sie keine teilkristalline Struktur haben.
Amorphe Thermoplaste werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. für transparente Verpackungsmaterialien, optische Linsen und Konsumgüter, bei denen Schlagfestigkeit und Transparenz von entscheidender Bedeutung sind.
Teilkristalline Thermoplaste
Im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten weisen teilkristalline Thermoplaste eine geordnetere und strukturiertere Molekülanordnung auf, die zur Bildung von kristallinen Bereichen im Material führt. Die molekulare Anordnung dieser Polymere führt zu den folgenden Eigenschaften:
- Festigkeit und Steifigkeit: Teilkristalline Thermoplaste, wie z. B. Polyethylen und Polypropylen, sind aufgrund der geordneten Anordnung ihrer Moleküle fester und steifer.
- Höhere Schmelzpunkte: Im Vergleich zu amorphen Thermoplasten haben sie oft höhere Schmelzpunkte.
Teilkristalline Thermoplaste werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Festigkeit, Steifigkeit und ein höherer Schmelzpunkt von entscheidender Bedeutung sind, z. B. für Strukturteile in der Automobilindustrie, Rohre und andere technische Anwendungen.
Vergleich von amorphen und teilkristalline Thermoplaste. Quelle: Uni Bremen
Beispiele für Thermoplastik
Während die beiden wichtigsten thermoplastischen Polymerstrukturen amorph und teilkristallin sind, gibt es mehrere gängige Arten von Thermoplasten, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben.
| Arten von Thermoplasten |
|||
|---|---|---|---|
Typ |
Abkürzung |
Eigenschaften |
Anwendungen |
Polyethylen |
PE |
Teil-kristallin Gute chemische Beständigkeit Flexibel und leicht |
Verpackungsmaterialien Wasserrohre |
Polypropylen |
PP |
Teil-kristallin Hohe Festigkeit und Steifigkeit Beständig gegen Chemikalien und Ermüdung |
Automobilkomponenten Verpackungsmaterialien |
Polyvinylchlorid |
PVC |
Amorph Flexibel oder starr, je nach Form Chemische Beständigkeit |
Baumaterialien Rohre und Fittings Medizinische Geräte – Schläuche und Beutel |
Polyethylenterephthalat |
PET |
Kann amorph oder teil-kristallin sein Transparenz (amorph) Mechanische Festigkeit (teil-kristallin) |
Getränkeflaschen Textilfasern Folien |
Polyamid |
PA – Nylon |
Teil-kristallin Hohe Zugfestigkeit Gute chemische Beständigkeit |
Textilindustrie Automobilkomponenten Dübel |
Polystyrol |
PS |
Amorph Transparenz Leichtgewicht |
Verpackungsmaterialien (einschließlich expandiertes PS) Einwegbesteck |
Acrylnitril-Butadien-Styrol |
ABS |
Amorph Schlagfestigkeit Gute Maßstabilität |
Elektronik für Verbraucher Automobilteile Gehäuse/Oberflächenteile |
Polycarbonat |
PC |
Amorph Transparenz Hohe Schlagfestigkeit |
Optische Linsen Schutzbrillen, speziell für Schutzvisiere |
Poly(methylmethacrylat) |
PMMA |
Amorph Optische Klarheit UV-Beständigkeit |
Transparente Kunststoffe in Optik und Beschilderung Acrylglas |
Polyoxymethylen |
POM |
Teil-kristallin Geringe Reibung Hohe Steifigkeit und Festigkeit |
Präzisionsteile in Maschinen Zahnräder und Lager |
Polymilchsäure |
PLA |
Amorph Aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen Biokompatibel |
Biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien Einwegbesteck und -teller Fäden für medizinische Nähte und Implantate |
Polytetrafluorethylen |
PTFE – Teflon |
Nicht-reaktiv Geringe Reibung Hohe chemische Beständigkeit |
Antihaft-Kochgeschirr Dichtungen und Dichtungen |
Tabelle: Übersicht über verschiedene Arten von Thermoplasten, ihre Eigenschaften und typische Anwendungen.
Thermoplastische Verarbeitung
Bei der Verarbeitung von Thermoplasten werden Polymer-Rohstoffe in eine Vielzahl von Formen umgewandelt, um den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Industriezweige gerecht zu werden. Dieser Prozess zeichnet sich durch Präzision und die Einhaltung spezifischer Fertigungstechniken aus, um sicherzustellen, dass die daraus entstehenden Produkte die gewünschten Eigenschaften und Funktionalitäten aufweisen.
Spritzgießen und Extrusion sind die gängigsten thermoplastischen Verarbeitungsverfahren, die etwa 80 % des Marktes für thermoplastische Kunststoffe ausmachen.
Thermoplastischer Spritzguss
Bei diesem Verfahren wird thermoplastisches Material in einen Formhohlraum gespritzt, wo es sich verfestigt und das Endprodukt bildet. Das Spritzgießen wird wegen seiner Fähigkeit zur Herstellung großer Mengen komplexer Komponenten mit außergewöhnlicher Wiederholbarkeit bevorzugt.
Abb.: Spritzgießmaschine
Das Spritzgießverfahren beginnt mit der Zuführung von thermoplastischen Kunststoffgranulaten in einen beheizten Zylinder. Das Material wird geschmolzen und unter hohem Druck in eine Form gespritzt. In der Form angekommen, kühlt das Material ab, verfestigt sich und nimmt die Form des Formhohlraums an. Ausstoßmechanismen geben dann das Endprodukt frei, und der Zyklus wiederholt sich für die weitere ProduktionFunktionsweise einer .
Das Spritzgießen ist in der Fertigungslandschaft weit verbreitet und trägt zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten bei, darunter Automobilkomponenten, Unterhaltungselektronik, medizinische Geräte und Haushaltsartikel.
Extrusion von Thermoplasten
Die Extrusion ist ein weiteres beliebtes Verfahren zur Verarbeitung von Thermoplasten. Bei diesem Verfahren werden thermoplastische Kunststoffe kontinuierlich geformt, indem sie durch eine Düse gepresst werden, um ein einheitliches Profil oder eine einheitliche Form zu erhalten. Die Extrusion eignet sich im Allgemeinen für die Herstellung langer, gleichmäßiger Produkte mit konstantem Querschnitt, die von einfachen Rohren und Schläuchen bis hin zu komplexen Profilen für das Bauwesen und die Fertigung reichen.
Der Prozess beginnt mit der Zuführung des thermoplastischen Rohmaterials in den Extruder, eine Maschine mit einer rotierenden Schnecke, die das Polymer transportiert und schmilzt. Das geschmolzene Material wird dann durch eine Düse gepresst, wodurch die endgültige Form bestimmt wird. Nach der Extrusion wird das geformte Material abgekühlt, kalibriert und geschnitten, um die gewünschten Abmessungen und Eigenschaften zu erhalten.
Das Strangpressen wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, vor allem bei der Herstellung von Rohren, Schläuchen, Platten und Profilen.
In anderen Artikeln behandeln wir Duroplaste, Elastomere und Verbundwerkstoffe.
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