Modifizierte Kunststoffe

Faserverstärkte und faserverbundene Werkstoffe

Das Eigenschaftenprofil von Kunststoffen kann durch Hinzugabe von Additiven oder Füllstoffen spezifisch geändert werden, um spezielle Eigenschaften zu erreichen. Die daraus entstehenden Kunststoffcompounds bieten verschiedene (in der Regel bessere) thermische, mechanische, elektrische, optische oder andere Eigenschaften, die über die Eigenschaften unmodifizierter Basispolymere hinaus verbessert werden. Zu den am häufigsten verwendeten Füllstoffen und Additiven zählen neben Farbmitteln Verstärkungsfasern, Stabilisatoren und reibungsmindernde Zusätze.

Verstärkungsfasern

Bei faserverstärkten Polymeren werden die Materialeigenschaften der Compounds durch die Verstärkungsfasern bestimmt. In vielen Fällen übertrifft die Festigkeit der Fasern die Festigkeit der Matrixwerkstoffe. Häufig ist die Festigkeit auch höher als die Zugfestigkeit metallischer Werkstoffe. Die Dichte der gängigsten Fasern ist dagegen geringer als die Dichte von Aluminium, wodurch sich ein großes Potenzial für die Gestaltung von Bauteilen für die Leichtbauweise ergibt. Bei faserverstärkten Kunststoffen kommen am häufigsten Glas-, Kohle- und Aramidfasern zum Einsatz.  Für Konstrukteure sind die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe entscheidend.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe

Glasfasern sind die am häufigsten verwendeten Verstärkungsfasern in verstärkten Polymeren. Im Vergleich zum Basispolymer weisen glasfaserverstärkte Werkstoffe bessere mechanische Eigenschaften auf, beispielsweise eine stärkere Steifigkeit oder Festigkeit. Sie können zudem eine bessere Oberflächenhärte bieten.

Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe

Mit Kohlefasern verstärkte Polymere weisen eine besondere Festigkeit und ein sehr leichtes Gewicht auf. 

Die Herstellung dieser Polymere kann kostenintensiv sein, die entstehenden Werkstoffe werden dann jedoch dort angewendet, wo es auf einen hohen Festigkeits-Gewichts-Quotienten ankommt. Diese Modifikationen kommen häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in vielen anderen technischen Anwendungsbereichen zum Einsatz.

Aramidfasernverstärkte Kunststoffe

Eingesetzt werden die wärmebeständigen und festen Aramidfasern vor allem dort, wo extreme Anforderungen an Schlagzähigkeit, Materialdämpfung und Abriebfestigkeit gestellt werden und gleichzeitig ein geringes Gewicht gefordert wird.

Andere Füllstoffe

Andere Füllstoffe bieten in der Regel keine oder nur minimale technische Vorteile. Sie dienen in erster Linie der Kosten- oder Gewichtsreduktion: Ensinger bietet beispielsweise Kalk, Talkum oder Glashohlkugeln.

Ensinger bietet zudem keramikgefüllte Kunststoffe als weitere, innovative Verbundlösung, mit der u. a. die physischen Eigenschaften und die Bearbeitungsfähigkeit verbessert werden können.



Reibungs- und verschleißmindernde Füllstoffe

Neben dem bekannten Gleitwerkstoff PTFE (Teflon) werden die klassischen Gleitlagerwerkstoffe PA und POM aufgrund ihrer hervorragenden Gleitreibeigenschaften häufig auch ungefüllt verwendet. Um weitere Werkstoffe sowie PA und POM im Hinblick auf die Gleit- und Verschleißeigenschaften zu optimieren, können der Polymermatrix verschiedene Additive beigemischt werden. Hierbei sind maßgeblich vier verschiedene Zusätze zu nennen:

Graphit

Graphit ist reiner Kohlenstoff, der in fein gemahlener Form eine hohe Schmierwirkung aufweist. Durch die gleichmäßige Einarbeitung in einen Kunststoff wird der Reibungskoeffizient vor allem in feuchten Umgebungen gesenkt.

Polyethylen

Die Zugabe von Polyethylen führt zu einer vergleichbaren Wirkung wie bei PTFE. Die Gleitreibeigenschaften verbessern sich jedoch nicht in einem so starken Maß wie bei der Zugabe von PTFE. 

Molybdänsulfid

Molybdänsulfid dient in erster Linie als Nukleierungsmittel und bildet bereits bei geringen Zugabemengen eine feinkristalline Struktur aus.  Durch den höheren Kristallisationsgrad erreichen Kunststoffe eine höhere Abriebfestigkeit und einen reduzierten Reibungskoeffizienten. Ensinger bietet zudem speziell modifizierte Compounds an, in denen reibungsarme Zusätze zum Einsatz kommen. Dazu zählen beispielsweise die Werkstoffe der PVX Familie von Ensinger, die jeweils 10 % PTFE, Graphit und Kohlefasern enthalten. Durch das PTFE sowie das Graphit erhalten die Werkstoffe sehr gute Gleitreibeigenschaften. Die Zugabe der Kohlefasern führt dagegen zu einer hohen Festigkeit und Abriebfestigkeit. Diese Werkstoffe bieten zudem überragende Trocken- und Notlaufeigenschaften bei hohen Belastungen.

Polytetrafluorethylen

PTFE ist ein hochtemperaturbeständiger Fluorkunststoff, der sich durch ein ausgeprägtes antiadhäsives Verhalten auszeichnet. Der Abrieb aus mit PTFE gefüllten Kunststoffen bildet unter Druckbelastung einen feinen Polymerfilm an den Kontaktflächen aus. Hierdurch werden sehr geringe Reibungskoeffizienten erreicht. Mithilfe einer entsprechenden Modifikation ist es auch möglich, den sogenannten „Stick-Slip“-Effekt zu reduzieren oder gar ganz zu vermeiden.

Verbundwerkstoffe

Mit der TECATEC Familie bietet Ensinger einen PEEK Verbundwerkstoff. Aufgrund des unter Druck mit dem PEEK Basispolymer verbundenen Kohlefasergewebes bietet TECATEC eine außergewöhnliche mechanische Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Es zeichnet sich weiterhin durch eine starke Widerstandsfähigkeit gegenüber überhitztem Dampf und Chemikalien aus. Dadurch eignet sich TECATEC ideal für Anwendung in der Medizintechnik. TECATEC ist mit 50- oder 60%iger Kohlefasergewebezugabe verfügbar. In einem besonderen Herstellungsprozess wird eine sehr gute Integration von Faser und Matrix erzielt.