Thermoplaste zählen heute aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Kosteneffizienz zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen. Durch Erhitzen und Abkühlen lassen sie sich wiederholt umformen. Dadurch eignen sie sich für zahlreiche Fertigungsanwendungen.
Für die industrielle Herstellung von Thermoplasten gibt es mehrere wichtige Verfahren. Zu den wichtigsten zählen Extrusion, Spritzgießen, Blasformen und Thermoformen. Welches Verfahren zum Einsatz kommt, hängt von der Art des Kunststoffharzes sowie von der gewünschten Form und den Eigenschaften des Endprodukts ab.
Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über Thermoplaste und ihre Herstellung.
Zusammensetzung von Thermoplasten
Bei Thermoplasten verbinden sich einfache Moleküle zu komplexen Strukturen. Diese Werkstoffe sind für alles von Verpackungen bis hin zu Fahrzeugteilen unverzichtbar.
Grundlagen zu Polymeren
Thermoplaste bestehen zunächst aus Monomeren, kleinen Molekülen, die sich wie Kettenglieder miteinander verbinden. Bei einem als Polymerisation bezeichneten Prozess bilden diese Monomere Polymerketten. Stellen Sie sich diese wie einen Zug vor: Jeder Wagen entspricht einem Monomer, und der ganze Zug bildet das Polymer.
- Polyethylen (PE): Wird häufig für Kunststoffbeutel verwendet und gilt geradezu als typischer Thermoplast.
- Polyvinylchlorid (PVC): Rohre und Fensterrahmen verdanken ihre Stabilität häufig PVC.
- Polystyrol (PS): Verpackungen und Einweg-Kaffeebecher sind typische Anwendungen von Polystyrol.
- Nylon (Polyamid): Nylon ist nicht nur für Strumpfhosen gedacht – auch Zahnräder und Kabelbinder profitieren von seiner Festigkeit.
- Polypropylen (PP): PP ist vielseitig und wird häufig für Behälter und Fahrzeugteile verwendet.
- Polycarbonat (PC): Ihre Brillengläser können aus PC bestehen, das Klarheit mit Robustheit verbindet.
Thermoplastarten
Zu den gängigen Beispielen für Duroplaste gehören:
- Epoxidharz – für Beschichtungen, Klebstoffe und Verbundwerkstoffe
- Polyesterharz – für Glasfaserverbundwerkstoffe
- Phenolharze – für Klebstoffe, Beschichtungen und elektrische Bauteile
- Melamin-Formaldehyd – für Geschirr, Laminate und Whiteboards
- Harnstoff-Formaldehyd – für Elektroinstallationen und Klebstoffe
- Silikon – für Dichtungen, Dichtringe und Beschichtungen
Additive und Modifikatoren
Manchmal benötigen Thermoplaste eine gezielte Eigenschaftsverbesserung. Hier kommen Additive und Modifikatoren ins Spiel.
- Füllstoffe: Sie können die Festigkeit erhöhen, ohne das Budget zu sprengen.
- UV-Stabilisatoren: Dank UV-Stabilisatoren bleiben Ihre Gartenmöbel auch in der Sonne stabil.
- Weichmacher: Diese verleihen PVC seine Flexibilität und machen es für Kabel oder Kunstleder geeignet.
Additive sind wie geheime Gewürze, mit denen Köche ihre Gerichte perfektionieren: Sie stimmen die Eigenschaften von Kunststoffen gezielt ab.
Herstellungsverfahren für Thermoplaste
Bei der Herstellung von Thermoplasten kommen einige wichtige Verfahren zum Einsatz. Sie beginnen alle mit Kunststoffrohstoffen, meist in Form von Harzen, die mithilfe von Wärme und Druck zu unterschiedlichen Produkten verarbeitet werden. Sehen wir uns einige der verbreitetsten Methoden an.
Spritzgießen
Beim Spritzguss werden Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Das Verfahren eignet sich für die Herstellung einer großen Vielfalt von Produkten, von Fahrzeugteilen bis zu Behältern. Entscheidend ist dabei die Form: Sie ist äußerst präzise, oft komplex und mit gewissen Kosten verbunden. Nach der Investition lassen sich jedoch große Mengen gleichbleibend hochwertiger Teile fertigen.
Extrusion
Extrusion funktioniert ähnlich wie das Ausdrücken von Zahnpasta aus einer Tube – nur viel heißer und mit Kunststoff. Dabei wird geschmolzener Kunststoff kontinuierlich durch ein Extrusionswerkzeug gepresst und zu langen Rohren, Stäben oder Platten geformt. Da die Extrusion auf lange, durchgehende Profile ausgelegt ist, ist sie in der Regel kostengünstiger als Spritzgießen, wenn solche Formen benötigt werden.
Thermoformen
Beim Thermoformen wird eine Kunststoffplatte erhitzt, bis sie formbar ist, und anschließend über eine Form gelegt. Durch Vakuum wird die Luft abgesaugt, sodass sich die Platte eng an die Form anschmiegt. Das Verfahren ermöglicht weniger Details als Spritzgießen, eignet sich aber hervorragend für größere, dünnwandige Produkte wie Einwegbecher und Schalen.
3D-Druck
Nicht zu vergessen ist auch der 3D-Druck. Dabei werden Schichten aus geschmolzenem Kunststoff nach einem digitalen Modell aufgetragen, um komplexe Formen zu erzeugen, die mit anderen Verfahren nur schwer herzustellen wären. Für die Serienfertigung ist das Verfahren langsamer als Spritzgießen oder Extrusion, bei Prototypen und individuellen Teilen ist es jedoch ein echter Durchbruch.
Blasformen
Thermoplastische Schläuche werden extrudiert und noch heiß und weich in eine Form eingespannt. Druckluft wird in den Schlauch geblasen, sodass er sich aufbläht und die Formkontur annimmt. Das Verfahren dient zur Herstellung hohler Kunststoffbehälter und Bauteile wie Flaschen und Tanks.
Kalanderverfahren
Thermoplastische Platten entstehen, indem geschmolzener Kunststoff zwischen großen Walzen zu gleichmäßigen Bahnen ausgewalzt wird. Das Verfahren wird beispielsweise für PVC-Bodenbeläge und Kunststofffolien eingesetzt.
Eigenschaften und Leistungsfähigkeit
Im Folgenden lernen Sie die Eigenschaften kennen, die Thermoplaste zu beliebten Werkstoffen in vielen Branchen machen. Ihre Vielseitigkeit und Langlebigkeit sorgen für eine hohe Leistungsfähigkeit.
Physikalische und mechanische Eigenschaften
Thermoplaste verfügen über ein breites Spektrum an physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Ihre Struktur kann amorph oder teilkristallin sein und beeinflusst ihre Leistungsfähigkeit. Amorphe Thermoplaste sind meist verformbarer und weniger spröde; teilkristalline Typen bieten typischerweise eine höhere Festigkeit und Wärmebeständigkeit. Viele zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit aus. Die Glasübergangstemperatur ist ein wichtiger Kennwert: Sie gibt an, wann der Werkstoff unter Wärmeeinwirkung erweicht, und hilft dabei, seine geeigneten Einsatzbereiche zu bestimmen.
Thermische und chemische Beständigkeit
Diese Werkstoffe sind nicht nur robust, sondern bieten auch eine beachtliche Beständigkeit. Thermische Stabilität ist ein typisches Merkmal von Thermoplasten. Sie können ihre Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich hinweg bewahren, von niedrigen Raumtemperaturen bis zu höheren Werten. Der genaue Bereich hängt jedoch vom jeweiligen Polymer ab. Ihre chemische Beständigkeit macht sie für Umgebungen interessant, in denen sie Chemikalien ausgesetzt sind, die andere Werkstoffe angreifen könnten. Die Beständigkeit hängt allerdings von der Polymerstruktur – amorph oder teilkristallin – ab. Wählen Sie den Werkstoff daher passend zu den jeweiligen Einsatzbedingungen.
Schlag- und Zugfestigkeit
Die Schlagzähigkeit von Thermoplasten kann bemerkenswert hoch sein. Auch ihre Zugfestigkeit – also die Kraft, die sie vor dem Bruch aufnehmen können – ist beachtlich; bei manchen faserverstärkten Thermoplast-Verbundwerkstoffen beträgt sie bis zu 333 MPa.
Anwendungen in verschiedenen Branchen
Thermoplaste sind inzwischen in nahezu allen Bereichen der modernen Fertigung zu finden. Sie sind äußerst vielseitig und kommen in vielen Branchen zum Einsatz. Sehen wir uns einige konkrete Anwendungsbereiche an.
Bauwesen und Rohrleitungen
Für Rohrleitungen sind Thermoplaste eine naheliegende Wahl. PVC und ABS sind in diesem Bereich besonders verbreitet: Sie sind kostengünstig und einfach zu installieren und bilden das Rückgrat vieler Sanitärsysteme. Sie widerstehen Wasser, Chemikalien und Korrosion, weshalb sie in Wohn- und Geschäftsgebäuden überall anzutreffen sind.
Automobil- und Luftfahrtindustrie
In der Automobilindustrie geht es darum, Fahrzeuge leichter und kraftstoffeffizienter zu machen. Thermoplaste leisten dazu einen wichtigen Beitrag, da sie das Gewicht verringern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Sie finden sich in vielen Bauteilen, vom Armaturenbrett bis zur Kraftstoffleitung. Auch in der Luftfahrt sind diese Werkstoffe wichtig: Leichtere Flugzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff und sind effizienter.
Medizintechnik
Für medizinische Geräte werden saubere und sichere Werkstoffe benötigt. Thermoplaste kommen hier häufig zum Einsatz, auch bei vielen Einwegprodukten wie Spritzen und Blutbeuteln.
Verpackungslösungen
Ein Blick ins Supermarktregal zeigt, warum Thermoplaste bei Verpackungen dominieren. Außerdem lassen sie sich in nahezu jede beliebige Form und Größe bringen – ein praktischer Vorteil.
Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit
Bei Thermoplasten ist Nachhaltigkeit ein wichtiges Thema. Zu berücksichtigen ist, wie Ihre Kunststoffe hergestellt werden und was am Ende ihrer Nutzungsdauer mit ihnen geschieht. Glücklicherweise sind die meisten Thermoplaste recycelbar. Sie lassen sich erneut aufschmelzen und umformen, wodurch weniger neue Materialien benötigt werden und Abfälle vermieden werden.
- Recycling: Das Recycling von Thermoplasten ist relativ einfach: Erhitzt man sie, werden sie wieder flüssig und können zu etwas Neuem geformt werden.
Das Recycling von Thermoplasten ist in der Regel vorteilhaft, da es sowohl Abfall als auch den Bedarf an neuen Rohstoffen reduziert. Sind Kunststoffe jedoch verunreinigt oder falsch sortiert, kann dies den Recyclingprozess beeinträchtigen.
Hier die Übersicht:
| Faktor | Auswirkung auf die Nachhaltigkeit |
|---|---|
| Recycling | Positive Auswirkung |
| Verunreinigung | Negative Auswirkung |
| Kompostierung (sofern möglich) | Positive Auswirkung |
Ihre Entscheidungen spielen dabei eine wichtige Rolle. Je stärker Sie auf erneuerbare Ressourcen und ein ordnungsgemäßes Abfallmanagement setzen, desto besser ist es für die Umwelt.
