Top 5 hitzebeständige Kunststoffe für Hochleistungsanwendungen

Hersteller tendieren dazu, Metalle wie Nickel und Edelstahl für Hochleistungsanwendungen einzusetzen, da diese hoch hitzebeständig sind. Nickelbasierte Legierungen behalten beispielsweise ihre Festigkeit in Umgebungen mit hohen Temperaturen, zyklischer Thermik und hohen Kohlenstoffgehalten. Obwohl Metall tendenziell hitzebeständiger ist als Kunststoff, gibt es viele Fälle, in denen Ingenieure davon profitieren würden, hitzebeständige Kunststoffe für ihre Hochleistungsanwendungen einzusetzen.

Hitzebeständige Kunststoffe fallen in zwei breite Kategorien – Duroplaste und Thermoplaste. Duroplaste sind Kunststoffe, die unter Hitzeeinwirkung aushärten und nach dem Aushärten nicht mehr umgeformt werden können. Hochleistungsthermoplaste sind Kunststoffe, die beim Erhitzen schmelzen, beim Abkühlen fest werden und nach dem Abkühlen wieder aufgeschmolzen werden können. Die strukturelle Integrität von Thermoplasten wird von Faktoren wie der Glasübergangstemperatur (Tg) und dem Schmelzpunkt beeinflusst, die jedem Material inhärent sind. Es gibt Hochleistungsthermoplaste, die ihre strukturellen Fähigkeiten über 150 °C und kurzzeitig über 250 °C beibehalten.

Zusätzlich zur Hitzebeständigkeit sind diese Materialien chemikalienbeständig, korrosionsbeständig und exzellente elektrische und thermische Isolatoren. Gängige Hochleistungsanwendungen umfassen Kolbenkomponenten in der Automobilindustrie, Kabelkanäle in der Luftfahrt, Subsea-Verbinder in der Halbleiterindustrie und mehr. Beim Design von Bauteilen, die extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sollten Produktteams die Fertigung mit diesen Top 5 hitzebeständigen Kunststoffen in Betracht ziehen.

Top 5 hitzebeständige Kunststoffe

Thermoplaste gewinnen ihre Hitzebeständigkeit aus ihrer molekularen Struktur. Wenn starre aromatische Ringe anstelle von aliphatischen Gruppen in das Harz eingebaut werden, wird das Rückgrat der Molekülkette so eingeschränkt und gefestigt, dass zwei chemische Bindungen gebrochen werden müssen, um die Kette zu brechen. Mit dieser neuen Struktur kann die chemische und Hitzebeständigkeit eines Thermoplasts der eines Duroplasts gleichkommen oder sie übertreffen.

Hier sind fünf Kunststoffe, die die Hitze aushalten.

1. Polyetherimid (PEI)

ULTEM®, der Markenname für Polyetherimid (PEI), ist einer der wenigen kommerziell verfügbaren amorphen Thermoplaste auf dem Markt. Er ist fest, chemikalien- und flammbeständig und seit über 35 Jahren ein fester Bestandteil der Fertigungsindustrie. ULTEM sticht hervor, da er die höchste Durchschlagfestigkeit aller Hochleistungsthermoplaste aufweist.

Dieses Material hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von 219 °C und eine maximale kontinuierliche Einsatztemperatur von 170 °C, was es ideal für Leiterplatten, Lebensmittelsterilisationsgeräte und insbesondere Flugzeugbauteile macht. ULTEM ist eines der wenigen Harze für den Einsatz in der kommerziellen Luftfahrt – es übertrifft andere Thermoplaste in Kriechbeständigkeit und hält verschiedenen Kraftstoffen und Kühlmitteln gut stand. Allerdings neigt es zu Rissbildung in Gegenwart polarer chlorierter Lösungsmittel. Dieses Material findet sich in Brandschutzblockern und Flugzeugsitzbezügen.

ULTEM ist wie viele andere Kunststoffe auf dieser Liste recht teuer. Zudem hat es eine geringere Schlagzähigkeit und Einsatztemperatur als PEEK.

Vorteile von ULTEM:

• Bessere Kriechbeständigkeit als Thermoplaste
• Hält Kraftstoffen und Kühlmitteln stand

Nachteile von ULTEM:

• Neigt zu Rissen in Gegenwart polarer chlorierter Lösungsmittel
• Ziemlich teuer

2. Polyetheretherketon (PEEK)

PEEK, kurz für Polyetheretherketon, ist ein teilkristalliner, hochleistungsfähiger technischer Thermoplast, der beständig gegen Chemikalien, Verschleiß, Ermüdung, Kriechen und Hitze ist. Dieses Material ist so fest und anpassungsfähig an raue Umgebungen, dass Hersteller es in vielen Anwendungen als Metallersatz einsetzen, unabhängig von der Temperatur. PEEK hält Temperaturen bis zu 310 °C für kurze Zeiträume stand und hat einen Schmelzpunkt über 371 °C. Was mehr ist, es hat die höchste Zug- und Biegefestigkeit aller Hochleistungspolymere.

Aufgrund seiner metallähnlichen Haltbarkeit wird PEEK breit für diverse Medizinprodukte, aktive Komponenten in Auto-Getrieben und Flugzeugaußenteile eingesetzt. Es hat den zusätzlichen Vorteil, leicht via Spritzguss oder Extrusion bearbeitbar zu sein, und massives PEEK ist kompatibel mit CNC-Bearbeitung.

Dieser beliebte Thermoplast hat ein paar kleine Nachteile, einschließlich Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht und bestimmten Säuren. Dennoch bleibt PEEK ein hochvielseitiger Thermoplast, den alle Ingenieure in ihrem Repertoire haben sollten.

Vorteile von PEEK:

• Stark und anpassungsfähig an raue Umgebungen
• Höchste Zug- und Biegefestigkeit
• Einfache Spritzguss-Bearbeitungsfähigkeiten
• Kompatibel mit CNC-Bearbeitung

Nachteile von PEEK:

• Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht und bestimmten Säuren

3. Polytetrafluorethylen (PTFE)

PTFE, allgemein bekannt als Teflon, ist ein weicher, hitzebeständiger, reibungsarmer Kunststoff mit exzellenter chemischer Beständigkeit. Er hat hohe Biegefestigkeit, angemessene Witterungsbeständigkeit und gute elektrische Isoliereigenschaften sowohl in heißen als auch nassen Umgebungen.

PTFE ist einzigartig, da es fast vollständig chemisch inert und in den meisten Lösungsmitteln hochgradig unlöslich ist, was es ideal für Hochtemperaturanwendungen macht. PTFE hat einen der höchsten Schmelzpunkte aller Thermoplaste bei 327 °C und einen sehr großen Einsatztemperaturbereich. Es ist thermisch stabil genug, um zwischen -200 °C und +260 °C eingesetzt zu werden.

PTFE ist am bekanntesten für seine kommerziellen Anwendungen. Es wird auch zum Schutz von Rohren vor korrosiven Materialien, zur Beschichtung von Wärmetauschern und zur Isolierung elektrischer Komponenten verwendet.

PTFE glänzt bei extrem hohen und niedrigen Temperaturen, aber seine mechanischen Eigenschaften sind typischerweise denen vergleichbarer Kunststoffe bei Raumtemperatur unterlegen. Es ist empfindlich gegenüber Kriechen, Abrieb und Strahlung, und seine Dämpfe können giftig sein. Auch ist erwähnenswert, dass PTFE in der Verarbeitung recht teuer ist.

Vorteile von PTFE:

• Hohe Biegefestigkeit
• Angemessene Witterungsbeständigkeit
• Gute elektrische Isolation in heißen und nassen Umgebungen

Nachteile von PTFE:

• Unterlegen vergleichbaren Kunststoffen bei Raumtemperatur
• Empfindlich gegenüber Kriechen, Abrieb und Strahlung
• Dämpfe können giftig sein
• Ziemlich teuer in der Verarbeitung

4. Polybenzimidazol (PBI)

Polybenzimidazol (PBI) hat die höchste Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Festigkeit und mechanische Eigenschaftsstabilität aller technischen Thermoplaste auf dem heutigen Markt. PBI-Fasern haben keinen bekannten Schmelzpunkt, brennen nicht und kleben nicht an anderen Kunststoffen. Dieses Material hat eine maximale kontinuierliche Einsatztemperatur von 398 °C in Inertumgebungen, 343 °C in Luft und kurzzeitiges Expositionspotenzial bis zu 537 °C.

Für all seine Stärken ist PBI unglaublich teuer und schwer zu fertigen. Ingenieure müssen oft Diamantwerkzeuge zur Bearbeitung dieses Materials einsetzen, was die Kosten weiter treibt. Aus Designsicht ist ein großer Nachteil von PBI seine Kerbempfindlichkeit. Produktdesigner müssen sorgfältig darauf achten, jegliche scharfen Kanten oder Ecken zu vermeiden und alle Oberflächen zu glätten.

Vorteile von PBI:

• Hohe Stabilität
• Extreme Hitzebeständigkeit – höchste aller Thermoplaste am Markt
• Fasern haben keinen Schmelzpunkt – brennen nicht und kleben nicht an anderen Kunststoffen

Nachteile von PBI:

• Teuer und schwer zu fertigen
• Hohe Kerbempfindlichkeit

5. Polydicyclopentadien (pDCPD)

Polydicyclopentadien (pDCPD) ist ein maßgeschneiderter Duroplast-Polymer, entwickelt, um eine exzellente Kombination aus chemischer, Korrosions- und Hitzebeständigkeit sowie Steifigkeit und Schlagfestigkeit zu liefern. Dieses Material vereint die Formflexibilität eines Duroplasts mit den Hochleistungseigenschaften führender technischer Thermoplaste. Es hat eine Wärmeformbeständigkeit von bis zu 120 °C.

pDCPD ist einzigartig, da es praktisch keine Bauteilgrößen- oder Gewichtsbeschränkungen hat – Bauteile mit variablen Wandstärken, geformten Versteifungsrippen und mehr verlangsamen die Produktion nicht. pDCPD ist ein relativ neues Material und seine Anwendungen sind bisher begrenzt, aber es hat sich in korrosionsbeständiger chemischer Prozesstechnik, Klärgruben und Wasseraufbereitungsanlagen bewährt.

Vorteile von pDCPD:

• Kombiniert chemische, Korrosions- und Hitzebeständigkeit
• Keine Bauteilgrößen- oder Gewichtsbeschränkung – verlangsamt Produktion nicht
• Vereint Formflexibilität mit Hochleistung

Nachteile von pDCPD:

• Neues Material: Anwendungen sind begrenzt

Können Hersteller die Hitzebeständigkeit verbessern?

Ingenieure und Hersteller können die Hitze erhöhen und die Performance der meisten Kunststoffarten durch Additive und/oder Hitzestabilisatoren verbessern. Die drei gängigsten Additivtypen sind Antioxidantien, Flammschutzmittel und Verarbeitungshilfsmittel. Jedes Additiv bietet ein anderes Feature und trägt zur Haltbarkeit des Polymers bei.

Hitzestabilisatoren schützen ein Polymer vor Hitzeschäden während der Fertigung oder während des normalen Gebrauchs des Endbauteils, und sie werden heute den meisten Polymeren zugesetzt. Hitzestabilisatoren können auch das Erscheinungsbild, die Festigkeit und die Elastizität des Polymers bewahren.

Expertenhersteller für Materialauswahl wählen

Für Hochtemperaturanwendungen kann jeder dieser Hochleistungskunststoffe die Hitze wirklich aushalten. Doch nicht irgendein Material tut es. Ingenieure müssen ihre Recherche betreiben, um sicherzustellen, dass sie den hitzebeständigen Kunststoff wählen, der am besten zu ihrer spezifischen Anwendung passt. Wählen Ingenieure das falsche Material, riskieren sie, die Funktionalität ihres Bauteils zu kompromittieren und von vorne beginnen zu müssen.

Ein erfahrener Fertigungspartner wie Fast Radius kann den Materialauswahlprozess stressfrei gestalten dank unserer experten Engineering-Beratungsdienstleistungen. Wir können jedem Produktteam helfen, das richtige Material für ihr Bauteil und ihre einzigartigen Anforderungen zu wählen.

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Für weitere Materialleitfäden und Informationen zur Fertigung mit Kunststoffen, schauen Sie ins Fast Radius Ressourcencenter.

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