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ROHSTOFFE
ERHÖHTE MARKTCHANCEN
Neues Potenzial durch Nano
Anwendungsbereiche für chemisch gekoppelte Compounds sind
unter anderem Gleitlager, Förder- und Transportsysteme, Zahnräder oder auch Kugellagerkäfige. Anforderungen hinsichtlich
höherer Festigkeiten und verbesserter tribologischer Eigenschaften lassen sich durch zusätzliche Kombination mit Nanofüllstoffen realisieren. Hier ist ein neues Potenzial für tribologische Anwendungen entstanden.
SCHNELLER, HÖHER, WEITER
POTENZIAL FÜR TRIBOLOGISCHE ANWENDUNGEN Die chemische Koppelung von Polytetrafluorethylen
(PTFE) an Polyamid 6, Polyamid 66 und Polyamid 4.6 (PA) eröffnet eine große Bandbreite innovativer Anwendungen, bei denen tribologische Eigenschaften im Fokus stehen. In Verbindung mit Nanofüllstoffen ergibt sich darüber hinaus eine weitere Optimierung der mechanischen Kenngrößen solcher PA/PTFE-Compounds.
M
aßgeschneiderte Compounds
auf Polyamidbasis eröffnen den
Schlüsselindustrien neue Anwendungsmöglichkeiten. Herkömmliche
Kunststoffe und andere Werkstoffe werden mehr und mehr durch Polymerspezialitäten ersetzt. Zielgerichtet ausgerüstete Compounds erobern sich zunehmend hochwertige Anwendungssegmente, bei denen es vor allem auf Miniaturisierung, komplexe Teile- und Funktionsintegration, höhere mechanische
Festigkeit sowie Temperaturbeständigkeit ankommt. Auch für tribologisch modifizierte technische und High-techKunststoffe gilt das olympische Motto
„schneller, höher, weiter“. Neuentwicklungen wie die chemische Koppelung
von PTFE mit PA heben insgesamt die
Messlatte hinsichtlich des Eigenschaftsprofils technischer Werkstoffe Stück für
Stück an.
Das Institut für Polymerforschung
Dresden hat chemisch gekoppelte PA/
PTFE-Compounds entwickelt und patentieren lassen. Ter Hell Plastic hat sich die
kommerziellen Rechte zur Herstellung
und Vermarktung dieser Compounds auf
Basis PA 6, 66, 4.6 gesichert. Die unter
dem Markennamen Terez vertriebenen
chemisch gekoppelten PA/PTFE-Compounds stehen für eine neue Klasse von
Tribologiewerkstoffen. Während sich die
Gleit-Reibungszahlen im Vergleich zu
anderen kommerziellen PA/PTFE-Produkten nur unwesentlich unterscheiden,
Autor
Goran Brkljac, Leiter Anwendungstechnik und Produktentwicklung,
Ter Hell Plastic, Herne,
brkljac@terhell.de
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Plastverarbeiter · September 2008
weisen die neuen Werkstoffe eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit auf, die zu
einer Lebenszeitverlängerung der gefertigten Bauteile führt. Die besseren mechanischen Kennwerte sind auf die Kompatibilisierung (Phasenvermittlung) und
Fixierung des unpolaren PTFE in der polaren PA-Matrix zurückzuführen.
Große Anwendungsbandbreite
Je nach den geforderten Einsatztemperaturen lässt sich PTFE an PA 6 oder PA 66
koppeln. Um auch den Anforderungen
des Maschinenbaus oder der Automobilindustrie hinsichtlich höherer Dauergebrauchstemperaturen zu entsprechen,
stehen den Verarbeitern auch Produktreihen auf Basis des Hochleistungspolymers PA 4.6 zur Verfügung. Polyamid 4.6 zeichnet sich durch eine hohe
Kristallinität, gute Fließfähigkeit sowie
einen hohen Schmelzpunkt aus. Daraus
ergibt sich eine große Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen bei
gleichbleibender Verschleißfestigkeit –
kurzfristig widersteht PA 4.6 bis zu
290 °C. Des weiteren sind kurze Zykluszeiten möglich. Somit wird auch den Forderungen nach einer kostengünstigen
Verarbeitung Rechnung getragen.
Da technische Kunststoffe dank ihres
Leistungsvermögens mehr und mehr in
die Anwendungsdomänen klassischer
Werkstoffe wie Metalle eindringen, wird
zur Erfüllung entsprechender Festigkeiten auf Kunststoffseite vielfach mit Füllund Verstärkungsstoffen gearbeitet. Der
Einsatz von Verstärkungsmaterialien wie
zum Beispiel Kurzglasfasern (Durchmesser etwa 10 μm, Länge bis zu 0,3 mm im
Formteil) führt zu einer Erhöhung der
Festigkeit und des Zug-E-Moduls. Unver-
stärkt erreicht ein Probenkörper aus PA 6
einen Zug-E-Modul von 3 200 MPa. Bei
einer Glasfaserverstärkung von 30 Prozent erhöht sich dieser Wert auf
10 000 MPa (jeweils im trockenen Zustand). Im Falle tribologischer Anwendungen zeigt sich jedoch ein deutlicher
Nachteil der Faserverstärkungen. Die an
der Oberfläche eines Bauteiles liegenden
Faserenden führen gewöhnlich zu einer
verstärkten Abrasion.
Gezielt Eigenschaften verbessern
Durch den Einsatz von Nanocomposites
als Verstärkung lassen sich die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen
gezielt beeinflussen. Um eine Festigkeitsverbesserung der Thermoplaste zu erreichen, muss der Nanofüllstoff im Compoundierprozess bestmöglich in der Polymermatrix verteilt werden. Agglomerationen lassen sich durch den optimierten
Einsatz von Scher- und Knetzonen sowie
eine angepasste Verfahrensdauer vermeiden. Der im Polymer gebundene Nanofüllstoff weist Dimensionen von kleiner
100 nm auf. Seine spezifische Oberfläche
(größer 200 m²/g ) steht in direktem Zusammenhang mit enormer Wirksamkeit,
so dass bei geringen Dosierungen bereits
Verbesserungen der mechanischen und
thermischen Eigenschaften eintreten.
Im Vergleich zu glasfaserverstärkten
Werkstoffen ergeben sich verbesserte Abrasionseigenschaften. Das ist vor allem
auf die Partikelgröße in Verbindung mit
den geringen Zugabemengen des Nanomaterials zurückzuführen. Die Ergebnisse von Schwingungs- Reib- und Verschleißmessungen (SRV) zeigen dies. Die
Prüfung wurde ursprünglich zur Ermittlung des Reibverschleißes infolge von
4
Der SRV-Test
bringt's ans Licht:
Nano-Compounds
besitzen die besten
Eigenschaften.
Wie Wärmeformbeständigkeit HDT/A-ISO 75 und
Zug-E-Modul - ISO
527 in MPa zeigen,
sind Nano-Compounds für hohe
Aufgaben gerüstet.
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
unverstärkt
Kohlefaser
Glasfaser
nanomodifiziert
Prüfbedingungen:
f = 50Hz / Sr = 1.000 μm / T(Block) = 50 °C / Fn = 300 N
Schwingungen entwickelt. Die Versuche
entsprechen DIN 51834. Beispielhaft
wurden vier niedrigviskose Terez-Produkte PA 66 mit 20 % chemisch gekoppeltem PTFE untersucht: Als Verstärkungswerkstoffe kamen Carbon- und
Glasfasern sowie Nanopartikel zum Einsatz. Vergleichend wurde auch der unverstärkte technische Thermoplast untersucht. Naturgemäß zeigt das glasfaserverstärkte Produkt den stärksten Masseverlust, gefolgt von der kohlefaserverstärk-
ten Variante. Beeindruckend ist jedoch,
dass der nanomodifizierte Werkstoff geringere Masseverluste aufweist als die
unverstärkte Type.
Auch bei charakteristischen Kennwerten wie dem Zug-E-Modul und der
Wärmeformbeständigkeit ergeben sich
durch den gezielten Zusatz von Nanopartikeln Verbesserungen. Die PA/PTFECompounds lassen sich auf handelsüblichen Spritzguss- und Extrusionsanlagen
verarbeiten. Für die Vortrocknung wird
der Einsatz von Trockenlufttrocknern
empfohlen; zur Temperierung der Spritzgießwerkzeuge reichen Wassertemperiergeräte aus. Die Compounds haben einen chemisch gekoppelten PTFE-Anteil
zwischen 7,5 und 50 %.
KONTAKT
Ter Hell Plastic, Herne, Halle B1, Stand 1206
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