PlastXnow erklärt – Hochleistungskunststoffe  Eigenschaften, Materialien & Anwendungen

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Hochleistungskunststoffe zeichnen sich durch ihre außergewöhnlichen mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften aus. Sie sind für anspruchsvolle Anwendungen konzipiert und finden breite Anwendung in den Bereichen Automobil, Medizintechnik und Elektronik. 

Hochleistungskunststoffe sind nicht nur Kunststoffe, sondern bilden die Königsklasse der Kunststoffe. Ihre einzigartigen Eigenschaften, wie hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, eröffnen neue Möglichkeiten und verbessern die Effizienz und Sicherheit von Produkten erheblich. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die Besonderheiten der Hochtemperaturkunststoffe, ihre vielseitigen Anwendungen sowie die Herausforderungen bei der Verarbeitung und beim Recycling. 

Was sind Hochleistungskunststoffe?

Hochleistungskunststoffe sind eine spezielle Klasse von thermoplastischen Kunststoffen, die sich durch außergewöhnlich hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeit auszeichnen. Sie behalten ihre Eigenschaften auch unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Chemikalien, Druck oder mechanischer Belastung.

Hochleistungspolymere bieten im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen eine verbesserte Leistung in anspruchsvollen Umgebungen und unter extremen Bedingungen. Hinsichtlich technischer Kunststoffe unterscheiden sie sich Temperaturbeständigkeit, mechanischer Leistungsfähigkeit und Preis. Hochleistungskunststoffe sind für extremere Einsatzbedingungen ausgelegt, technische Kunststoffe finden sich auch in Alltagsanwendungen.

Wegen ihrer Eigenschaften werden die Werkstoffe auch als Hochleistungspolymere, Hochleistungsthermoplaste, Hochtemperaturkunststoffe oder Hightech-Kunststoffe bezeichnet.

Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen

Hochleistungskunststoffe sind eine Untergruppe der thermoplastischen Kunststoffe. Diese Zugehörigkeit macht sich auch im Eigenschaftsprofil bemerkbar. Dabei spielen sie jedoch gegenüber Standardthermopasten und technischen Thermoplasten vor allem hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit sowie bei den mechanischen Eigenschaften in einer eigenen Liga.

Zu den wesentlichen Eigenschaften gehören: 

• Temperaturbeständigkeit: Sie können hohen Temperaturen standhalten, oft über 150 °C, ohne ihre physikalischen Eigenschaften zu verlieren.
• Mechanische Festigkeit: Sie besitzen eine hohe Zug-, Druck- und Biegefestigkeit, was sie ideal für strukturelle Anwendungen macht.
• Chemische Beständigkeit: Hochleistungskunststoffe sind unempfindlich gegenüber aggressiven Chemikalien, Ölen und Lösungsmitteln.
• Geringe Feuchtigkeitsaufnahme: Sie neigen weniger zur Feuchtigkeitsaufnahme, was ihre Leistung in feuchten Umgebungen optimiert.
• Gute Isolatoren: Viele dieser Kunststoffe isolieren elektrisch und thermisch äußerst effektiv.

Durch ihre Kombination aus Festigkeit, Stabilität und Beständigkeit finden Hochleistungskunststoffe Einsatz in Industrien, die nach langlebigen Materialien in extremen Bedingungen suchen. Bereichsspezifische Innovationen in der Materialwissenschaft treiben die Entwicklung von Hochleistungskunststoffen weiter voran, um den Anforderungen moderner technologischer Anwendungen gerecht zu werden.

Wichtige Vertreter im Überblick

Es gibt zwar keine exakte Anzahl, die beschreibt, wie viele Hochleistungskunststoffe existieren. In der Praxis spricht man jedoch von etwa 10 bis 20 etablierten Hochleistungspolymeren, die industriell relevant sind. Zu den wichtigsten zählen unter anderem Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyphenylensulfid (PPS).

Polyetheretherketon (PEEK)

Der hochleistungsfähige Thermoplast ist vor allem für außergewöhnliche Festigkeit, Steifheit und Temperaturbeständigkeit bekannt. Es ist chemisch resistent gegen eine Vielzahl von Säuren, Laugen und Lösungsmitteln, was es ideal für anspruchsvolle Umgebungen macht. 

PEEK kann hohe Temperaturen von bis zu 260 °C aushalten, ohne seine strukturellen Eigenschaften zu verlieren. Aufgrund dieser Eigenschaften gehört PEEK zu den Kunststoffen, die häufig in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik eingesetzt werden.

Polytetrafluorethylen (PTFE)

Das Fluorpolymer PTFE, auch bekannt unter dem Markennamen Teflon, zeichnet sich durch seine hervorragende Chemikalienbeständigkeit und extreme Temperaturtoleranz aus, da er Temperaturen von -200 °C bis 260 °C standhalten kann. 

PTFE ist zudem nicht haftend und besitzt sehr gute dielektrische Eigenschaften, wodurch es weitverbreitet in elektrischen Isoliermaterialien und Antihaftbeschichtungen zum Einsatz kommt. Aufgrund seiner Vielseitigkeit und Beständigkeit ist PTFE ein bevorzugter Kunststoff in Umgebungen, in denen andere Kunststoffe versagen würden.

Polyphenylensulfid (PPS)

PPS ist für seine exzellente chemische Beständigkeit und thermische Stabilität bekannt. Das Hochleistungspolymer kann Temperaturen bis zu 240 °C widerstehen und behält dabei seine strukturelle Integrität. 

PPS bietet zudem eine hervorragende Dimensionsstabilität und geringe Feuchtigkeitsaufnahme, was ihn ideal für Anwendungen in hochpräzisen Bauteilen macht. Aufgrund dieser Eigenschaften ist PPS ein beliebter Kunststoff für die Automobil- und Elektronikindustrie. Seine inhärente Flammenwidrigkeit macht es zudem zu einer attraktiven Wahl für Anwendungen, die strenge Brandschutzanforderungen erfüllen müssen.

Welche Hochleistungskunststoffe gibt es außerdem?

• Polyimide (PI) sind heterocyclische Polymere, die bis 550 °C stabil sind. Sie sind ausgezeichnet chemikalienbeständig und eignen sich als Werkstücke im Maschinenbau (Ventile, Lager) und in der Elektrotechnik für Spulenkörper sowie als Kabelisolierung und Substrat für Leiterplatten.
• Eine andere Klasse, die Polyetherimide (PEI), hat einen niedrigeren Erweichungspunkt (ca. 360 °C) und lässt sich mit Standardprozessen der Kunststoffindustrie verarbeiten.
• Flüssigkristallpolymere (LCP) werden häufig in der Elektronik aufgrund ihrer guten Verarbeitbarkeit und Festigkeit verwendet.
• Polyaryletherketone (PEKK) zeichnen sich durch außergewöhnliche mechanische, thermische und chemische Eigenschaften aus und werden daher in zahlreichen Branchen und Anwendungen eingesetzt.
• Ein weiterer wichtiger Vertreter der Fluorpolymere ist Perfluoralkoxylalkan (PFA) mit einer Temperaturbeständigkeit bis 260 °C. Wichtig: Fluorpolymere werden jedoch nur in manchen Fällen zu den Hochleistungskunststoffen gezählt.
• Polysulfon (PSU) ist ein amorpher Kunststoff mit hoher Transparenz und guter Schlagzähigkeit. Er hält Temperaturen bis etwa 160 °C stand und bietet eine gute Hydrolysebeständigkeit, weshalb er auch häufig in der Medizintechnik und in der Lebensmittelverarbeitung Verwendung findet. 

IM DETAIL

Hochleistungskunststoffe im Vergleich: PEEK, PPS & PSU
 

Quelle: martanplastics.com

Wie lassen sich Hochleistungskunststoffe verarbeiten?

Hochleistungskunststoffe lassen sich durch eine Vielzahl von Verfahren verarbeiten, die speziell auf ihre besonderen Eigenschaften und Anforderungen abgestimmt sind. Hier sind die gängigsten Verarbeitungsmethoden:

• Das Spritzgießen ist weitverbreitet und ermöglicht die Herstellung präziser und komplexer Bauteile in großen Stückzahlen. Besonders bei Hochleistungspolymeren müssen die Spritzgießmaschinen hohen Temperaturen standhalten.
• Bei der Extrusion wird das Kunststoffgranulat erhitzt und durch eine formgebende Düse gepresst, um kontinuierliche Formen wie Rohre oder Profile zu erzeugen. Diese Technik eignet sich besonders für thermoplastische Kunststoffe.
•  Pressen und Sintern ist ein spezialisiertes Fertigungsverfahren, das besonders für Polymere eingesetzt wird, die sich nur schwer schmelzverarbeiten lassen. Dabei wird Kunststoffpulver unter hohem Druck in eine Form gepresst und anschließend im Ofen unterhalb der Schmelztemperatur (oder leicht darüber) verdichtet
• Beim Thermoformen wird eine Kunststoffplatte erhitzt und über eine Form gezogen, um große 3D-Strukturen zu schaffen. Diese Methode ist weniger gebräuchlich bei Hochleistungskunststoffen, wird aber für bestimmte Anwendungen eingesetzt.
• Hochleistungspolymere können auch durch Drehen, Fräsen und Bohren bearbeitet werden. Diese Techniken kommen oft bei der Herstellung von maßgeschneiderten oder präzisen Bauteilen zum Einsatz.
• Die additive Fertigung von temperaturbeständigen Kunststoffen ermöglicht die Herstellung komplexer, leichter und hitzebeständiger Bauteile (bis >260°C) mittels FDM/FFF- oder SLS-Verfahren. 

Jede dieser Methoden erfordert spezifische Anpassungen der Maschinen und Prozesse, um den hohen Anforderungen der Materialien gerecht zu werden.

Einsatzbereiche und Anwendungen

Hochleistungskunststoffe werden überall dort eingesetzt, wo Bauteile sehr hohen Temperaturen, starken mechanischen Belastungen oder aggressiven Chemikalien standhalten müssen. Sie ersetzen häufig Metalle, weil sie leichter und korrosionsbeständig sind.

Hochleistungskunststoffe werden vor allem in Hightech-Industrien wie Luftfahrt, Automobilbau, Elektronik, Medizintechnik und Maschinenbau eingesetzt, wo Materialien besonders belastbar und temperaturbeständig sein müssen.

Was sind die wichtigsten Auswahlkriterien?

Bei der Auswahl von Hochleistungskunststoffen achtet man darauf, ob der Kunststoff die Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind:

Temperaturbeständigkeit

• maximale Dauergebrauchstemperatur
• Verhalten bei kurzzeitig sehr hohen Temperaturen
• Wärmeformbeständigkeit

Der Kunststoff muss seine Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behalten.

Mechanische Eigenschaften 

• Festigkeit
• Steifigkeit
• Zähigkeit
• Verschleißfestigkeit

Diese Eigenschaften bestimmen, wie gut der Kunststoff Belastungen, Reibung oder Druck standhält.

Chemische Beständigkeit (gegenüber)

• Säuren
• Laugen
• Lösungsmittel
• Öle

Das ist zum Beispiel in der Chemieindustrie oder im Motorbereich wichtig.

Elektrische Eigenschaften

• Isolationsfähigkeit
• Durchschlagfestigkeit

Besonders relevant für Elektronik- und Elektrotechnik-Anwendungen.

Gewicht und Dichte 

Hochleistungskunststoffe sind oft leichter als Metalle, das ist vor allem für den Flugzeug- und Automobilbau relevant.

Lassen sich Hochleistungskunststoffe recyceln?

Grundsätzlich ja! Allerdings ist der Prozess oft komplexer als bei herkömmlichen Kunststoffen. Ihre speziellen Eigenschaften und Anwendungen erfordern eine sorgfältige Behandlung beim Recycling.

Methoden, die auch für das Recycling von Hochleistungskunststoffen genutzt werden können, umfassen im Groben: 

• Mechanisches Recycling: Bei dieser Methode werden die Kunststoffe zerkleinert und wieder zu neuen Produkten verarbeitet. Allerdings können die Eigenschaften der Materialien dabei beeinträchtigt werden.
• Chemisches Recycling: Hierbei werden die Kunststoffe in ihre chemischen Bestandteile zerlegt und können dann zur Herstellung neuer Hochleistungskunststoffe verwendet werden. Diese Methode kann helfen, die ursprünglichen Eigenschaften der Kunststoffe zu bewahren.
• Energetische Verwertung: Wenn das Material nicht direkt recycelt werden kann, kann es zur Energiegewinnung verbrannt werden.

Die Recyclingfähigkeit von Hochleistungskunststoffen hängt stark von ihrer Zusammensetzung, dem verwendeten Recyclingverfahren und der Infrastruktur zur Sammlung und Verarbeitung ab. Durch technologische Fortschritte und innovative Recyclingmethoden wird die Wiederverwertbarkeit jedoch zunehmend verbessert.

Fazit

Hochleistungskunststoffe sind eine spezielle Klasse von Kunststoffen, die durch ihre außergewöhnlichen physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften gekennzeichnet sind. Sie werden in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, in denen Standardkunststoffe oft nicht ausreichend performant sind.

Insgesamt spielen Hochleistungskunststoffe eine wichtige Rolle in der technischen Entwicklung und bieten innovative Lösungen in zahlreichen Branchen, während gleichzeitig deren Recycling und Umweltverträglichkeit immer mehr in den Fokus rückt.