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Hochleistungskunststoffe sind eine Untergruppe der thermoplastischen Kunststoffe die sich von technischen Kunststoffen und Standardkunststoffen insbesondere durch ihre Temperaturbestandigkeit aber auch in Bezug auf Chemikalienbestandigkeit und mechanische Eigenschaften unterscheiden Gleichzeitig sind sie aber auch teurer und werden in geringeren Mengen produziert 1 Durch Spritzguss hergestellte Plastikhalterung fur Scheinwerfer Inhaltsverzeichnis 1 Begriffsdefinition 2 Geschichte 3 Eigenschaften 3 1 Struktur Eigenschafts Beziehung 3 2 Mechanische Eigenschaften 3 3 Thermische Stabilitat 3 4 Kristallinitat 3 5 Losungseigenschaften 4 Verwendung 5 Beispiele 6 Literatur 7 EinzelnachweiseBegriffsdefinition BearbeitenSiehe auch Einteilung von Kunststoffen nach Anwendung Es existieren zahlreiche Synonyme zum Begriff Hochleistungskunststoffe wie Hochtemperatur Kunststoffe High Performance Polymers Hochleistungsthermoplaste oder auch Hightech Kunststoffe Der Name Hochtemperatur Kunststoffe stammt daher dass ihre Dauergebrauchstemperatur definitionsgemass hoher als 150 C ist auch wenn dies nicht ihr einziges Merkmal ist s o Oft wird von Polymeren statt von Kunststoffen gesprochen da beide Begriffe von Anwendern haufig synonym verwendet werden Der Begriff Hochleistungsthermoplaste betont dass Duroplaste und Elastomere ausserhalb der Einteilung von Kunststoffen in Standard technische und Hochleistungskunststoffe liegen und eigene Klassen bilden Ein Vergleich von Standardkunststoffen technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffen wird durch die folgende Abbildung veranschaulicht die Abkurzungen konnen angeklickt werden nbsp Die Abgrenzung gegenuber weniger leistungsfahigen Kunststoffen variiert jedoch uber die Zeit Wahrend Nylon und Poly ethenterephthalat bei ihrer Einfuhrung noch als ausserordentlich leistungsfahige Kunststoffe galten gelten sie heutzutage als ausserordentlich gewohnlich 2 Geschichte BearbeitenDie Verbesserung von mechanischen Eigenschaften und Temperaturbestandigkeit ist seit jeher ein wichtiges Ziel bei der Erforschung neuer Kunststoffe Seit Anfang der 1960er wurde die Entwicklung von Hochleistungskunststoffen durch entsprechende Bedurfnisse in der Luft und Raumfahrt sowie in der Kerntechnik vorangetrieben 3 Beispielsweise wurden Synthesewege fur PPS PES und PSU in den 1960ern von Philips ICI und Union Carbide entwickelt Der Markteintritt erfolgte jeweils in den fruhen 1970er Jahren Eine Herstellung von PEEK ICI PEK ICI und PEI General Electrics und GE uber Polykondensation wurde in den 1970ern entwickelt PEK wurde bereits 1972 von Raychem angeboten allerdings hergestellt uber eine elektrophile Synthese Da elektrophile Synthesen allgemein den Nachteil einer niedrigen Selektivitat hin zu linearen Polymeren aufweisen und aggressive Edukte verwenden konnte sich das Produkt nur kurze Zeit am Markt halten Aus diesem Grund wird heute der uberwiegende Teil der Hochleistungskunststoffe durch Polykondensationprozesse hergestellt 2 Bei Herstellungsprozessen durch Polykondensation ist eine hohe Reinheit der Ausgangsstoffe wichtig Zudem spielt die Stereochemie bei der Erzielung der erwunschten Eigenschaften eine Rolle Die Entwicklung neuer Hochleistungskunststoffe ist daher eng mit der Entwicklung und wirtschaftlichen Produktion der zugrundeliegenden Monomere verknupft 2 Eigenschaften BearbeitenHochleistungskunststoffe genugen hoheren Anspruchen als Standard und technische Kunststoffe da sie bessere mechanische Eigenschaften eine hohere Chemikalien und oder eine hohere Warmebestandigkeit aufweisen Speziell durch Letztere wird jedoch auch ihre Verarbeitung erschwert oft sind spezielle Maschinen notwendig Meist sind Hochleistungskunststoffe auf eine einzige Eigenschaft z B die Warmeformbestandigkeit spezialisiert Damit stehen sie im Gegensatz zu technischen Kunststoffen die ein breites Funktionsspektrum abdecken 1 Sowohl die mechanischen wie auch die thermischen Eigenschaften der Hochleistungskunststoffe sind auf ihre molekulare Struktur zuruckzufuhren Struktur Eigenschafts Beziehung Struktur Eigenschafts Beziehung Bearbeiten Alle Hochleistungskunststoffe enthalten aromatische Strukturen Aromatische Strukturen vereinen die beiden wichtigsten Merkmale fur Widerstandsfahigkeit gegen hohe Temperaturen Einerseits sind sie oxidationsbestandig da die aromatische C H Bindung mit 435 kJ mol 1 deutlich stabiler ist als aliphatische C H Bindungen mit 350 400 kJ mol 1 Dadurch wird die bei thermischer Zersetzung oder Feuer auftretende Radikalbildung erschwert Andererseits ist die Kettensteifheit aromatischer Polymere grosser als die aliphatischer Polymere was die Glasubergangstemperatur Tg steigert und den Kristallitschmelzpunkt Tm im Falle kristallinen Polymeren 4 49 und die Loslichkeit verringert Ein Polymer aus rein aromatische Einheiten wie Poly p phenylen nbsp besitzt einen ausserordentlich hohen Erweichungspunkt von etwa 500 C im Vergleich zu Polyethylen von 110 C und ist auch bei hohen Temperaturen noch verwendbar Dadurch ist jedoch die Verarbeitbarkeit stark erschwert Um einen Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Stabilitat zu finden sind bei allen kommerziellen Hochleistungskunststoffen ebenfalls temperaturbestandige funktionelle Gruppen X vorhanden 4 49 nbsp X konnen verschiedene flexible Gruppen sein etwa eine Ethergruppe als Diphenylethergruppe z B in Polyetherketonen oder ein Schwefelatom als Diphenylsulfidgruppe z B in Polyphenylensulfid PPS Auch der Einbau eher starrer Gruppen ist moglich etwa ein Schwefelatom als Diphenylsulfongruppe in PES oder ein Stickstoffatom als Imidgruppe in Polyetherimid PEI oder Polyamidimid PAI 2 Mechanische Eigenschaften Bearbeiten Dichte g cm 3 Schmelz temperatur C HDT A C Elastizitats modul MPa Streck spannung MPa CTI A PE LD 0 915 0 935 105 118 200 400 8 10 600ABS 1 03 1 07 235 5 95 105 2200 3000 45 65 550 600PA 6 6 1 13 1 15 255 260 70 100 2700 3300 75 100 600PEEK 1 30 343 152 3500 100 150PES 1 36 1 37 200 205 2600 2800 75 80 100 150PAI 1 38 1 40 4500 4700 275 175 6 In der Tabelle sind einige Eigenschaften der Standardkunststoffe Polyethen niedriger Dichte PE LD und Acrylnitril Butadien Styrol ABS des technischen Kunststoffs Polyamid 6 6 PA 6 6 und der Hochleistungskunststoffe Polyetheretherketon PEEK Polyethersulfon PES und Polyamidimid PAI zu sehen jeweils unverstarkt Es ist zu erkennen dass hin zu den Hochleistungkunststoffen die Dichte die thermischen Eigenschaften Schmelztemperatur und HDT A die mechanische Eigenschaften E Modul und Streckspannung sowie die elektrischen Eigenschaften CTI zunehmen Einige Werte sind so hoch oder so niedrig dass sie nicht mehr gemessen werden konnen und daher in der Tabelle fehlen Thermische Stabilitat Bearbeiten Siehe auch Abschnitt Temperaturbestandigkeit im Artikel Polymere Thermische Stabilitat ist eine zentrale Eigenschaft der Hochleistungskunststoffe Ausgehend von den Eigenschaften der Standardkunststoffe konnen gewisse mechanische und thermische Verbesserungen bereits durch die Zugabe von Verstarkungsstoffen z B Glas und Kohlenstofffasern den Zusatz von Stabilisatoren und durch eine Erhohung des Polymerisationsgrades erzielt werden Gebrauchstemperaturen von bis zu 130 C werden durch das Ersetzen von aliphatischen durch aromatische Einheiten erreicht Eine ahnliche Temperaturbestandigkeit wird mit bis zu 150 C von Duroplasten erreicht welche nicht zu den Hochleistungskunststoffen gehoren s o Eine noch hohere Gebrauchstemperatur lasst sich durch einen vollstandigen Verzicht auf aliphatische Elemente und eine enge Verknupfung von Aromaten durch funktionelle Gruppen wie Ether Sulphon oder Imidgruppen erreichen Dadurch konnen Gebrauchstemperaturen von 200 C im Falle des Polyethersulfon PES bis 260 C bei Polyetherimid PEI oder Polyamidimid PAI erzielt werden 7 Die Erhohung der Temperaturstabilitat durch den Einbau von Aromaten hangt damit zusammen dass die Temperaturstabilitat eines Polymers durch seine Resistenz gegen thermische Degradation und seine Oxidationsbestandigkeit bestimmt wird Die thermische Degradation erfolgt in erster Linie durch eine statistische Kettenspaltung Depolymerisation und Abspaltung von niedermolekularen Verbindungen spielen nur eine untergeordnete Rolle Der thermisch oxidative Abbau eines Polymers beginnt bereits bei niedrigeren Temperaturen als der rein thermische Abbau Beide Arten des Abbaus verlaufen uber einen radikalischen Mechanismus 8 Aromaten bieten einen guten Schutz gegen beide Arten des Abbaus da freie Radikale durch das P Elektronen System der Aromaten delokalisiert und so stabilisiert werden und da die aromatische Bindungsenergie besonders hoch ist s o Die thermische Stabilitat steigt so stark an 2 In der Praxis werden die hochsten Temperaturbestandigkeiten etwa 260 C mit Fluorpolymeren erzielt in welchen die Wasserstoffatome der Kohlenwasserstoffe durch Fluoratome ersetzt wurden 7 Den grossten Marktanteil besitzt hier PTFE mit 65 70 9 Fluorhaltige Polymere eignen sich jedoch wegen schlechter mechanischer Eigenschaften nicht als Konstruktionswerkstoff niedrige Festigkeit und Steifigkeit starkes Kriechen unter Belastung 7 Sie werden deshalb nicht immer zu den Hochleistungskunststoffen gezahlt Kristallinitat Bearbeiten So wie alle Polymere lassen sich auch Hochleistungskunststoffe in amorphe und teilkristalline einteilen siehe Abbildung oben Dies hilft einige generelle Eigenschaften zu unterteilen Kristalline Polymere speziell solche die mit Fullstoffen verstarkt sind konnen auch oberhalb ihrer Glastemperatur noch eingesetzt werden Dies liegt daran dass teilkristalline Polymere zusatzlich zu der Glastemperatur Tg noch eine Kristallitschmelztemperatur Tm aufweisen welche meist deutlich hoher liegt Beispielsweise besitzt PEEK einen Tg von 143 C kann jedoch noch bis zu 250 C eingesetzt werden continuous service temperature CST 250 C Ein weiterer Vorteil von teilkristallinen Polymeren ist ihre hohe Widerstandsfahigkeit gegenuber chemisch aggressiven Substanzen So besitzt PEEK eine hohe Widerstandsfahigkeit gegenuber wassrigen Sauren Laugen und organischen Losungsmitteln 2 Losungseigenschaften Bearbeiten Hochleistungskunststoffe sind generell nur schwer loslich Einige wie Poly ether ether keton PEEK sind nur in starken Sauren wie konzentrierter Schwefelsaure loslich dabei kommt es zu Sulfonierung 10 Verwendung BearbeitenHochleistungskunststoffe sind verhaltnismassig teuer Der Preis kann pro Kilogramm zwischen 5 PA 4 6 und 100 US Dollar PEEK betragen Der durchschnittliche Wert liegt bei etwas weniger als 15 US Dollar kg 11 Hochleistungskunststoffe sind damit etwa 3 bis 20 mal so teuer wie technische Kunststoffe 2 Hier ist auch in Zukunft mit keinem deutlichen Preisruckgang zu rechnen da davon auszugehen ist dass die Investitionskosten fur Fertigungsanlagen die aufwandige Entwicklung sowie die hohen Vertriebskosten konstant bleiben werden 11 Ihr Produktionsvolumen ist mit 749 000 t Jahr Stand 2014 sehr gering 12 ihr Marktanteil liegt damit bei etwa 1 1 3 121Unter den Hochleistungspolymeren besitzen Fluorpolymere 45 Marktanteil Hauptvertreter PTFE schwefelhaltige aromatische Polymere 20 Marktanteil PPS aromatische Polyarylether und Polyketone 10 Marktanteil PEEK Flussigkristallpolymere LCP mit 6 9 11 In der Elektro und Elektronikindustrie werden 41 der Hochleistungskunststoffe verwendet und in der Automobilindustrie 24 womit diese die grossten Abnehmer sind Alle restlichen Industrien inklusive die chemische haben einen Anteil von 23 11 Beispiele BearbeitenZu den Hochleistungskunststoffen werden gezahlt Polyaryle bei denen aromatische Ringe uber Sauerstoff oder Schwefelatome bzw CO oder SO2 Gruppen verknupft sind Hierzu gehoren Polyphenylensulfide Polyethersulfone und Polyetherketone Aromatische Polyester Polyarylate und Polyamide Polyaramide wie Poly m phenylenisophthalamid PMI Heterocyclische Polymere wie Polyimide Polybenzimidazole und Polyetherimid Polyimide sind heterocyclische Polymere die bis 550 C stabil sind Polyimide sind sehr gut chemikalienbestandig und eignen sich als Werkstucke im Maschinenbau Ventile Lager und in der Elektrotechnik fur Spulenkorper und als Kabelisolierung und Substrat fur Leiterplatten 13 Eine andere Klasse die Polyetherimide hat einen niedrigeren Erweichungspunkt ca 360 C und lasst sich mit Standardprozessen der Kunststoffindustrie Spritzguss verarbeiten Polybenzimidazole PBI lassen sich fur Schutzanzuge fur feuerfeste Gewebe in Flugzeugen nutzen 13 Aromatische Polyamide auf Basis von Poly m phenylenisophthalamid PMI eignen sich zum Verspinnen aus der Losung Diese Faser besitzt eine sehr hohe Reissfestigkeit und eine gute Temperaturstabilitat Erst bei ca 400 C verformt sich die Faser und verkohlt Polyaramid Fasern werden als Schutzkleidung gegen Hitze oder als Innenraumauskleidung in Flugzeugen verwendet 13 Flussigkristallpolymere LCP Liquid Crystalline Polymers Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen PTFE auch Teflon genannt oder Perfluoralkoxylalkan PFA mit einer Temperaturbestandigkeit bis 260 C Fluorpolymere werden jedoch nur in manchen Fallen zu den Hochleistungskunststoffen gezahlt Polyphenylene Literatur BearbeitenPatrick E Cassidy Tejraj M Aminabhavi V Sreenivasulu Reddy Heat Resistant Polymers Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology John Wiley amp Sons Inc 2000 ISBN 0 471 23896 1 doi 10 1002 0471238961 0805012003011919 a01 M M Sayyed Studies in synthesis and characterization of polycondensation polymers In Dissertation archiviert bei Shodhganga Shivaji University abgerufen am 13 Dezember 2015 englisch Einzelnachweise Bearbeiten a b c Hans Georg Elias Makromolekule 6 Auflage Band 4 Anwendungen von Polymeren Wiley VCH Weinheim 2003 ISBN 3 527 29962 9 S 298 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b c d e f g David Parker Jan Bussink Hendrik T van de Grampel Gary W Wheatley Ernst Ulrich Dorf Edgar Ostlinning Klaus Reinking Frank Schubert Oliver Junger Polymers High Temperature In Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry April 2012 doi 10 1002 14356007 a21 449 pub3 a b Wolfgang Kaiser Kunststoffchemie fur Ingenieure Von der Synthese bis zur Anwendung 2 Auflage Carl Hanser 2007 ISBN 978 3 446 41325 2 S 439 a b R W Dyson Speciality Polymers Chapman and Hall New York 1987 ISBN 0 216 92248 8 englisch Werkstoffdatenblatt ABS PDF Abgerufen am 18 Juli 2015 Product Data Sheet Duratron PAI PDF Abgerufen am 18 Juli 2015 a b c Walter Hellerich Gunther Harsch Erwin Baur Werkstoff Fuhrer Kunststoffe Eigenschaften Prufungen Kennwerte 10 Auflage Carl Hanser Verlag Munchen 2010 ISBN 978 3 446 42436 4 S 1 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Gottfried W Ehrenstein Sonja Pongratz Bestandigkeit von Kunststoffen Carl Hanser Verlag Munchen 2007 ISBN 978 3 446 21851 2 S 38 47 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b Wilhelm Keim Kunststoffe Synthese Herstellungsverfahren Apparaturen 1 Auflage Wiley VCH Weinheim 2006 ISBN 3 527 31582 9 S 214 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Matthew T Bishop Frank E Karasz Paul S Russo Kenneth H Langley Solubility and properties of a poly aryl ether ketone in strong acids In Macromolecules Band 18 Nr 1 1 Januar 1985 ISSN 0024 9297 S 86 93 doi 10 1021 ma00143a014 englisch a b c d KIweb de Kunststoff Information Abgerufen am 24 Januar 2014 Fast eine Mio t Hochleistungskunststoffe in k zeitung de Nicht mehr online verfugbar Archiviert vom Original am 10 Juli 2015 abgerufen am 18 Juli 2015 nbsp Info Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht gepruft Bitte prufe Original und Archivlink gemass Anleitung und entferne dann diesen Hinweis 1 2 Vorlage Webachiv IABot www k zeitung de a b c Harald Cheldron Friedrich Herold Arnold Scheller Technisch wichtige temperaturbestandige Polymere In Chemie in unserer Zeit 23 Jahrgang Nr 6 Dezember 1989 S 181 192 doi 10 1002 ciuz 19890230602 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Hochleistungskunststoffe amp oldid 237441705