Hitzebeständige Kunststoffe: Wichtige Einblicke & Anwendungen

Hersteller neigen dazu, für Hochleistungsanwendungen Metalle wie Nickel und Edelstahl wegen ihrer hohen Hitzebeständigkeit einzusetzen. Beispiel: Nickelbasislegierungen behalten ihre Festigkeit in Umgebungen mit hoher Temperatur, zyklischer Hitzeexposition und hohem Kohlenstoffgehalt. Obwohl Metalle tendenziell hitzebeständiger sind als Kunststoffe, können Ingenieure in vielen Fällen von hitzebeständigen Kunststoffen für ihre Hochleistungsanwendungen profitieren.

Hitzebeständige Kunststoffe sind polymere Materialien, die kontinuierliche Betriebstemperaturen von bis zu und über 300 °F (ca. 150 °C) ohne negative Auswirkungen auf ihre mechanischen Eigenschaften standhalten.

Hitzebeständige Kunststoffe lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Duroplaste und Thermoplaste. Duroplaste härten beim Erhitzen aus und können nach dem Aushärten nicht mehr umgeformt werden. Hochleistungsthermoplaste schmelzen beim Erhitzen, werden beim Abkühlen fest und können nach dem Abkühlen wieder aufgeschmolzen werden. Die strukturelle Integrität von Thermoplasten wird von Faktoren wie der inhärenten Glasübergangstemperatur (Tg) und dem Schmelzpunkt beeinflusst. Es gibt Optionen für Hochleistungsthermoplaste, die ihre strukturellen Fähigkeiten über 150 °C und kurzzeitig über 250 °C beibehalten.

Zusätzlich zur Hitzebeständigkeit können sie je nach Zusammensetzung chemische Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, geringes Materialgewicht, elektrische und thermische Isolation sowie andere vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Diese verschiedenen Qualitäten machen sie für eine breite Palette industrieller Anwendungen geeignet.

Im Folgenden konzentrieren wir uns auf einige der besten hitzebeständigen Kunststoffe und ihre Eigenschaften, um Lesern bei der Auswahl des passenden Materials zu helfen. Zudem skizzieren wir typische Anwendungen, in denen hitzebeständige Kunststoffe eingesetzt werden.

Es gibt viele Arten hitzebeständiger Kunststoffe, jeweils mit einzigartigen Vor- und Nachteilen für unterschiedliche Anwendungen. Nachfolgend eine Liste von 4 gründlich erforschten hitzebeständigen Kunststoffen:

• PTFE (Polytetrafluorethylen)
• PEEK (Polyetheretherketon)
• PEI (Polyetherimid)
• PAI (Polyamid-Imid)

PTFE (Polytetrafluorethylen)

Polytetrafluorethylen – bekannt unter dem Markennamen Teflon™ – hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hohe Chemikalienbeständigkeit. Es zeigt auch exzellente Biegefestigkeit, elektrischen Widerstand, Witterungsbeständigkeit und thermische Stabilität. Teflon-Dichtungen eignen sich für -328 °F bis 500 °F (-200 °C bis 260 °C).

Es besitzt gute Festigkeit, ausreichende Witterungsbeständigkeit und gute elektrische Isolation in heißen, feuchten Umgebungen.

PTFE verhält sich bei extrem hohen und niedrigen Temperaturen gut, aber seine mechanischen Eigenschaften sind bei Raumtemperatur meist nicht wie bei anderen Kunststoffen. Es ist anfällig für Kriechen, Abrieb und Strahlung, und sein Rauch kann giftig sein. Zudem ist der Verarbeitungskosten von PTFE recht hoch.

PEEK (Polyetheretherketon)

PEEK ist ein hochleistungsfähiges Engineering-Thermoplast mit teilkristalliner Struktur. Es weist Chemikalienbeständigkeit, Abriebfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Kriech- und Hitzebeständigkeit auf. Dieses Material ist sehr fest und hält rauen Umgebungen stand, weshalb Hersteller es in vielen Anwendungen als Metallersatz nutzen – es bleibt stark und anpassungsfähig unter harten Bedingungen. PEEK hält kurzzeitig Temperaturen bis 310 °C stand, Schmelzpunkt über 371 °C. Wichtiger: Es hat die höchste Zug- und Biegefestigkeit aller Hochleistungspolymere.

Nachteile von PEEK: anfällig für Schwefelsäure, Salpetersäure, Chlorsäure, Halogene und Natrium, geringe UV-Beständigkeit. Teuer, daher nur in anspruchsvollen Anwendungen einsetzbar.

PEI (Polyetherimid)

PEI (meist nur unter Markennamen Ultem®) ist einer der wenigen amorpher Thermoplaste am Markt. Es ist fest, chemikalienbeständig, flammhemmend und hat die höchste Dielektrizitätsfestigkeit aller Hochleistungsthermoplaste. Extrem hoher Schmelzpunkt von 219 °C, maximale kontinuierliche Betriebstemperatur 170 °C.

ULTEM ist eines der wenigen Harze in der kommerziellen Luftfahrt – es übertrifft andere Thermoplaste in Kriechbeständigkeit und behält Eigenschaften in Gegenwart verschiedener Kraftstoffe und Kühlmittel. Neigt jedoch zu Rissbildung in Gegenwart polarer chlorierter Lösungsmittel.

PAI (Polyamid-Imid)

PAI ist ein weiterer hochleistungsfähiger Thermoplast mit hoher Temperaturbeständigkeit, hoher thermischer Stabilität, guter Chemikalienbeständigkeit und Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit bis 275 °C. PAI zeigt auch hohe Zug- und Druckfestigkeit. Polyamid-Imid kann durch Spritzgießen und Pressen verarbeitet werden. PAI besitzt exzellente Dimensionsstabilität durch hohe Druck-, Schlag- und Kriechfestigkeit.

Anwendungen hitzebeständiger Kunststoffe

Hitzebeständige Kunststoffe gibt es in vielen Formen, diese Materialformen werden für Teile und Produkte in vielfältigen Industrien verwendet. Zum Beispiel:

• Hitzebeständige, schlagfeste Teile in Luftfahrt, Automobil, Glasindustrie.
• Hitzebeständige, strahlungsgeschützte, hochisolierende oder spezifisch leitende Komponenten in Elektro- und Halbleiterindustrie.
• Sterilisations- und hydrolysebeständige Komponenten in Medizintechnik.
• Strahlenschutz- und strahlungsbeständige Komponenten in Kernenergie- und Röntgentechnik.
• Verschiedene Komponenten in der Chemieindustrie.

Hitzebeständige Kunststoffe spielen eine entscheidende Rolle in vielen Industrien. Ihre thermische Stabilität kombiniert mit anderen vorteilhaften Eigenschaften macht sie zu geeigneten Metallersatz in zahllosen Anwendungen. Je nach Zusammensetzung können sie sogar die bessere Materialwahl sein. Beispielsweise kann der Ersatz von Metallteilen durch Kunststoffteile in manchen Fällen Bauteilgewicht reduzieren, Lebensdauer verlängern und Leistung verbessern.