Kunststoffe mit guten mechanischen Eigenschaften

In Anwendungen, in denen Kunststoffkomponenten Belastungen widerstehen müssen, spielen die mechanischen Eigenschaften von Polymeren eine besonders wichtige Rolle. Zu den grundlegenden mechanischen Eigenschaften gehören:
SFRT - Strength, Formability, Rigidity, Toughness
  • Festigkeit: Messgröße des Widerstands eines Werkstoffs gegenüber externen Belastungen
  • Steifigkeit: Messgröße des Widerstands eines Werkstoffs gegenüber Verformungen
  • Härte: Messgröße des Widerstands eines Werkstoffs gegenüber Verformungen unter konzentrierter Druckbelastung
  • Zähigkeit: Messgröße der Energieaufnahme eines Werkstoffs bei Schlägen

Diese Eigenschaften können unter Anwendung standardisierter Testmethoden untersucht und in verschiedenen Produkten verglichen werden. Die Zugeigenschaften von Kunststoffen (z. B. die Zugfestigkeit und Steifigkeit) können beispielsweise gemäß DIN EN ISO 527 bestimmt werden. Dafür wird bei einem Zugtest eine Belastung kurz in eine Richtung angewendet. Die möglichen Ergebnisse und typische Werte, die je nach Werkstoffverhalten in einem solchen Test ermittelt werden können, werden im folgenden Diagramm zusammengefasst:

Tensile test

Ensinger testet die mechanischen Eigenschaften aller unserer hergestellten Halbzeuge. Diese Informationen werden in unsere standardmäßigen technischen Produktdatenblätter eingefügt. Anwender können diese verwenden, um die physischen Eigenschaften verschiedener technischer Werkstoffe direkt zu vergleichen.

Dabei sollte jedoch beachtet werden, dass beim Vergleich der Werte von Ensinger mit Werten aus anderen Quellen möglicherweise abweichende Ergebnisse angezeigt werden können. Dies kann auf verschiedene Testmethoden, unterschiedliche Testgeschwindigkeiten und verschiedene Proben zurückgeführt werden. Die Unterschiede könnten darauf zurückgeführt werden, dass sich ein Großteil der veröffentlichten Literatur über Thermoplastwerkstoffe auf Ergebnisse bezieht, die auf spritzgussgeformten Proben basieren. Die Informationen in den Datenblättern von Ensinger werden dagegen mit Proben gewonnen, die durch Extrusion hergestellt werden. Der Kristallinisierungsgrad und die Faserausrichtung sind in extrudierten und spritzgussgeformten Werkstoffen verschieden. Dies wiederum sorgt für erhebliche Abweichungen in den Werten.

festigkeit - Zug- und Biegefestigkeit (mechanische Widerstandsfähigkeit)

Biegefestigkeit und Zugfestigkeit sind zwei der am häufigsten verwendeten Werte, die beim Vergleich von Kunststoffen verglichen werden. Ensinger bietet u. a. folgende Kunststoffe mit hoher Zugfestigkeit:

Durch Zugabe verstärkender Kohlenstofffasern und Glasfasern zu extrudierten Werkstoffen werden die Zug- und Biegefestigkeit verbessert. Allerdings ist der Nutzen stärker eingegrenzt als bei spritzgussgeformten Bauteilen.

Steifigkeit - Elastizitätsmodul für Zug und Biegung

Die Steifigkeit ungefüllter Werkstoffe wird über das Zugelastizitätsmodul ausgedrückt. Beispiele von Produkten von Ensinger, die die beste Steifigkeit bieten: TECASINT 4111 (PI), TECAPEEK (PEEK), TECAST (PA 6 C), TECAFORM AD (POM-H) und TECAPET (PET).

Ein größtmögliches Elastizitätsmodul wird bei Werkstoffen erreicht, die mit Kohlenstofffasern und Glasfasern verstärkt werden, u. a.:

Druckfestigkeit

Druckfestigkeit [MPa]

Compessive strentgh [MPa]
Die Druckfestigkeit weist auf die kurzfristigen Belastungskapazitäten verschiedener Kunststoffe hin. Sie wird gemessen, indem eine steigende Kraft auf zylinderförmige oder würfelförmige Proben angewendet wird, die zwischen zwei Platten gehalten werden. Dabei werden der Druck und die Dehnung gemessen. 
 
Bei Thermoplasten ist die Eigenschaft der Druckfestigkeit beim Bruch nicht immer eine relevante Messgröße, da sich Proben aus vielen dehnbaren Werkstoffen verformen, ohne dass es zu einem klaren Bruch kommt. Eine übermäßige Verformung unter Belastung wäre daher kein gutes Anzeichen für den erfolgreichen Einsatz in realen industriellen Anwendungen. Aus diesem Grund wird die Druckbelastung normalerweise nicht beim Bruch angegeben, sondern an einem definierten Verformungspunkt (i. d. R. 1 %, 2 % oder 10 %). Die Testbedingungen müssen zwingend überprüft werden, bevor die Druckwerte aus verschiedenen Quellen verglichen werden!
 
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass durch Zugabe einer Kohlenstofffaser- oder Glasfaserverstärkung üblicherweise eine Verbesserung der Druckfestigkeit des Polymers erreicht wird. Aufgrund der verbesserten Kriecheigenschaften ist der makroskopische Effekt jedoch eher längerfristig und nicht bei einer kurzzeitigen Belastung erkennbar.

 

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe:

ZÄHIGKEIT - Schlagzähigkeit

Festigkeit / Belastung [MPa]
 
Strength - Stress [MPa]
Die Schlagzähigkeit von Thermoplasten wird im Rahmen von Charpy- oder Izod-Schlagtests gemessen. Ein kleiner rechteckiger Stab wird mit einer hohen Geschwindigkeit von einem Pendel getroffen. Dabei wird die bei der Beschädigung der Probe aufgenommene Energie gemessen: Je höher der Wert ausfällt, desto besser ist die Schlagzähigkeit. Wenn Proben bei Kunststoffen mit hoher Schlagzähigkeit nicht zerbrechen und sich kein nutzbarer Wert ergibt, wird der Test mit einer Kerbe wiederholt, die in die Probe geschlagen wird. So sollen Informationen über diese anspruchsvollere Bedingung gesammelt werden.
Folgende Kunststoffe bieten typischerweise eine sehr hohe Schlagzähigkeit:
 

Härte

Kugeldruckhärte [MPa]

Ball impression hardness [MPa]
Für die Messung der Oberflächenhärte stehen viele verschiedene Methoden zur Verfügung. Bei einer der am häufigsten für den Test von Thermoplasten eingesetzten Methoden handelt es sich um die Ermittlung der „Kugeldruckhärte“. Dabei wird eine Metallkugel mit standardmäßigen Größen mit einer definierten Kraft und über einen definierten Zeitraum in den Werkstoff gedrückt. Über die Markierung im Werkstoff wird der Härtewert bestimmt. Eine weitere Methode, die häufig zum Testen der Härte angewendet wird, ist der Rockwell-Härtetest.
 
Mit Glasfasern und Kohlenstofffasern gefüllte Werkstoffe weisen die größte Oberflächenhärte auf. Dagegen bieten die folgenden ungefüllten Werkstoffe die besten Ergebnisse für diese Eigenschaft: