Thermoplaste vs. Duroplaste: Die Unterschiede aufschlüsseln

Thermoplaste und Duroplaste sind zwei Hauptarten von Kunststoffen, die in verschiedenen Branchen häufig verwendet werden. Obwohl sie einige Ähnlichkeiten mit organischen Polymeren aufweisen, weisen Thermoplaste und Duroplaste wesentliche Unterschiede in ihrer Molekülstruktur und ihren Eigenschaften auf, die bestimmen, wie sie verwendet werden können.

Dieser Artikel hilft Ihnen, die Unterschiede zwischen Thermoplasten und Duroplasten zu verstehen, um ein Verständnis für ihre unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen zu vermitteln.

Übersicht über Thermoplaste und Duroplaste

Die beiden Hauptkategorien von Polymermaterialien, die bei der Herstellung verwendet werden, sind Duroplaste und Thermoplaste.

Hier ist eine kurze Definition beider Materialien:

• Thermoplaste sind Polymere, die oberhalb einer bestimmten Temperatur biegsam oder formbar werden und beim Abkühlen erstarren. Sie können sie immer wieder aufwärmen und umformen, ohne ihre chemische Struktur zu verändern.
• Duroplaste sind Polymermaterialien, die durch die Bildung vernetzter Netzwerke irreversibel aushärten oder aushärten.

Unterschiede zwischen Duroplast und Thermoplast:

Einige wichtige Eigenschaften, die sich unterscheiden:

• Thermoplaste können beim Erhitzen immer wieder gehärtet und erweicht werden, während Duroplaste nach der ersten Formgebung eine dauerhafte Aushärtung erfahren
• Thermoplaste haben im Vergleich zu den Zersetzungstemperaturen von Duroplasten niedrigere Schmelztemperaturen
• Duroplaste weisen im Allgemeinen eine höhere mechanische Festigkeit, Härte und thermische Stabilität auf

Hier sind einige Beispiele für Thermoplaste

• Acryl
• Nylon
• Acetalcopolymer Polyoxymethylen
• Acetal-Homopolymer Polyoxymethylen
• Polycarbonat (PC)
• Polyethylen (PE)
• Polystyrol (PS)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polyethylenterephthalat (PET)
• Teflon

Duroplastische Kunststoffe werden in der Industrie verwendet, da Duroplaste strukturelle Integrität bieten und wirtschaftlicher sind. Hier einige Beispiele für duroplastischen Kunststoff:

• Phenole
• Silikon
• Melamin
• Epoxidharz
• Polyvinylidenfluorid (PVDF)
• Polytetrafluorethylen (PTFE)
• Polyurethan
• Polyimid

Bei der Herstellung eignen sich Thermoplaste für Prozesse wie Spritzguss, während Duroplaste eine Imprägnierung von Verstärkungen und eine kontrollierte Aushärtung erfordern. Verbundwerkstoffe können sowohl aus thermoplastischen als auch aus duroplastischen Polymermatrizen hergestellt werden. Beispiele sind kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) wie C/C-SiC.

Chemische Eigenschaften und Struktur

Polymerketten und Vernetzung 

Thermoplaste sind lineare Molekülketten, meist auf Kohlenstoffbasis, wie Polyethylen und Nylon. Sie lassen sich leicht umformen und sind flexibel, da es ihnen an starken Bindungen zwischen den Ketten mangelt. Allerdings sind die Moleküle in Duroplasten vernetzt, wodurch ein komplexes Netz entsteht. Materialien wie Epoxid, Silikon und Phenol haben diese netzartige Struktur, die es schwierig macht, sie nach dem Aushärten wieder in Form zu bringen.

• Thermoplaste: Linear, keine Vernetzung (z. B. Polycarbonat, Acryl)
• Duroplaste: Vernetzte, sich überschneidende Netzwerke (z. B. Epoxidharz, Polyurethan)

Chemische Resistenz

Wenn Sie es mit Chemikalien zu tun haben, möchten Sie wissen, was ihnen standhält. Die Wahl des Polymers ist entscheidend. Thermoplaste wie Polypropylen können so manchen chemischen Bösewichten problemlos standhalten, bei bestimmten Lösungsmitteln können sie jedoch schwächer werden. Duroplaste sind dank ihrer robusten Struktur etwas stärker – Materialien wie Epoxidharz und Phenolharz halten aufgrund dieser lästigen Vernetzung einem breiteren Spektrum chemischer Substanzen stand.

• Chemische Resistenz:
  • Thermoplaste: Gut bis ausgezeichnet (variiert je nach Material, z. B. Nylon, Acryl)
  • Duroplaste: Typischerweise ausgezeichnet (z. B. Silikon, Polyurethan)

Herstellungs- und Formprozess

Wenn Sie thermoplastische und duroplastische Produkte herstellen müssen, gibt es verschiedene Verarbeitungstechniken zu:

• Thermoplaste: Erhitzt, um sie für Prozesse wie Spritzguss und Extrusion biegsam zu machen.
• Duroplaste: Werden in Verstärkungen imprägniert und durchlaufen kontrollierte Aushärtungsreaktionen.

Spritzguss und Extrusion

Wenn es um thermoplastische Kunststoffe geht, sind Techniken wie Spritzguss und Extrusion die Methoden der Wahl. Beim Spritzgießen wird der duroplastische Kunststoff geschmolzen und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Es handelt sich um einen schnellen Prozess, der sich ideal für die Herstellung großer Mengen identischer Artikel eignet. Beim Extrudieren wird der Kunststoff durch eine Düse gedrückt, um lange, kontinuierliche Formen zu erzeugen.

Wesentliche Prozessmerkmale:

• Thermoplastische Pellets werden in ein beheiztes Fass gefüllt und unter Druck in einen Formhohlraum gedrückt.
• Aufgrund der Strömungsrichtung und der Bildung von Bindenähten können Probleme auftreten.
• Kristalline Thermoplaste wie Polyethylen (PE) sind anfälliger als amorphe wie Polystyrol (PS).

Aushärteprozesse

Die Aushärtung ist entscheidend, wenn Sie mit duroplastischen Kunststoffen arbeiten. Durch die Anwendung von Hitze oder einer chemischen Reaktion verändert sich das Material dauerhaft – es kann nach dem Aushärten nicht mehr umgeformt werden. Durch diesen Prozess können Duroplaste wie Polyimid zu starken, langlebigen Artikeln wie Isolierungen oder Klebstoffen erstarren. Durch die Aushärtung sind sie beständig gegen hohe Temperaturen und Chemikalien und werden daher häufig in rauen Umgebungen eingesetzt.

Infiltration von flüssigem Silizium

Basierend auf den Suchergebnissen ist Liquid Silicon Infiltration (LSI) ein Verfahren zur Herstellung von Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen, insbesondere C/C-SiC-Verbundwerkstoffen (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Siliziumkarbid). Die wichtigsten Punkte zur Liquid Silicon Infiltration (LSI) aus den Quellen sind:

• Dabei wird eine poröse Kohlenstoffvorform mit geschmolzenem Silizium über dem Schmelzpunkt von Silizium (1414 °C) infiltriert. 
• Das geschmolzene Silizium reagiert mit Kohlenstoff unter Bildung von Siliziumkarbid (SiC), wodurch ein SiC-Matrix-Verbundwerkstoff entsteht
• Im Vergleich zu anderen Verfahren wie der chemischen Dampfinfiltration handelt es sich um eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von SiC-Matrix-Verbundwerkstoffen
• Prozessparameter wie Temperatur, Vakuumniveau und Inertgasdruck können gesteuert werden, um die Infiltration zu optimieren
• Die Mikrostruktur der porösen Kohlenstoffvorform beeinflusst die Vollständigkeit der Infiltration und Reaktion
• Von LSI hergestellte Verbundwerkstoffe weisen eine hohe thermische Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und andere verbesserte Eigenschaften auf

Zusammenfassend ist Liquid Silicon Infiltration (LSI) ein spezialisierter Herstellungsprozess zur Herstellung von C/C-SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen durch Infiltration von geschmolzenem Silizium und Reaktion mit Kohlenstoff.

Harztransfer- und Reaktionsspritzguss 

Wenn Sie duroplastische Kunststoffe verwenden, können Sie das Resin Transfer Moulding (RTM) verwenden – es ist wie eine anspruchsvollere Version des Spritzgießens, bei der Vorformlinge verwendet werden. Reaktionsspritzguss (RIM) ist eine weitere Technik für Duroplaste, bei der zwei flüssige Komponenten gemischt werden, um in der Form zu reagieren und auszuhärten. Mit beiden Methoden erhalten Sie stabile Teile mit komplexen Formen, die häufig in Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen zu finden sind.

Materialeigenschaften und Leistung

Thermoplaste und Duroplaste unterscheiden sich deutlich in ihren Eigenschaften und Leistungsmerkmalen:

 Mechanische Eigenschaften

• Festigkeit – Duroplaste bieten im Allgemeinen im Vergleich zu Thermoplasten eine höhere Festigkeit und Haltbarkeit. Sie werden häufig in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, bei denen Materialien hohen Belastungen standhalten müssen, ohne sich zu verformen. Mittlerweile zeichnen sich Thermoplaste wie Polypropylen durch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus, wodurch sie für viele Anwendungen stabil genug sind und gleichzeitig leicht sind.

Elastizität und Flexibilität

Thermoplaste sind typischerweise flexibler und elastischer als Duroplaste. Thermoplaste wie Polystyrol können sich beispielsweise biegen und dehnen, was sie ideal für Produkte macht, die etwas Nachgiebigkeit erfordern. Diese Elastizität ist auf ihren niedrigeren Schmelzpunkt zurückzuführen, der es ermöglicht, sie bei Bedarf erneut zu erhitzen und umzuformen.

Dimensionsstabilität und Toleranz

Duroplaste zeichnen sich durch Dimensionsstabilität aus – Sie werden nicht bemerken, dass sich ihre Form oder Abmessungen unter Hitze oder während des Aushärtens so leicht ändern. Ihre Struktur ist nach dem Aushärten felsenfest. Bei Präzisionsteilen mit engen Toleranzen ist dies ein großer Vorteil. Auch thermoplastische Kunststoffe weisen eine gute Dimensionsstabilität auf, können sich jedoch bei unsachgemäßer Verarbeitung verziehen.

Schrumpf- und Kriechverhalten

Sie werden feststellen, dass Thermoplaste beim Abkühlen aus Formprozessen dazu neigen, etwas zu schrumpfen. Andererseits weisen Duroplaste aufgrund ihrer vernetzten Struktur eine minimale Schrumpfung auf. Langfristig können Thermoplaste unter Dauerbeanspruchung kriechen oder sich verformen, während Duroplaste ihre Form dauerhaft beibehalten und dadurch mit der Zeit eine bessere Schlagfestigkeit haben.

Auswirkungen der Mikrostruktur

• Die Kristallinität beeinflusst die Eigenschaften teilkristalliner Thermoplaste
• Die Vernetzungsdichte beeinflusst die thermische Stabilität von Duroplasten
• Porosität und Defekte beeinträchtigen die mechanische Leistung

Hochtemperaturverhalten

• Die meisten Thermoplaste erweichen bei etwa 150–200 °C
• Duroplaste behalten ihre Eigenschaften bis zu 300–400 °C
• Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit wichtig

 Recycling und Nachhaltigkeit

• Thermoplaste sind recycelbar
• Duroplaste bilden vernetzte Netzwerke und können nicht wiederverarbeitet werden

Anwendungen und Industrieeinsatz

Thermoplaste und Duroplaste werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und Kostenökonomie in verschiedenen Branchen eingesetzt:

Branchenbezogene Anwendungen

Einige Hauptanwendungsbereiche:

• Automobil: Innenteile, Komponenten unter der Motorhaube
• Luft- und Raumfahrt: Flugzeugzellenstrukturen, Triebwerkskomponenten
• Konstruktion: Rohre, Beschichtungen, Klebstoffe
• Elektronik: Leiterplatten, Steckverbinder

 Verbundwerkstoffe und Vorläufer

• C/C-SiC-Verbundwerkstoffe, die unter Verwendung von Phenolharz und anderen Duroplasten als Vorläufer hergestellt werden
• Kohlenstofffaser- und glasfaserverstärkte Kunststoffe unter Verwendung von Epoxidmatrizen

Kostenökonomie

Während Thermoplaste höhere Rohstoffkosten haben, kann die Verarbeitung von Duroplasten komplexer und teurer sein. Die Analyse der Lebenszykluskosten ist wichtig, um die optimale Materialauswahl zu bestimmen.

Aktuelle Forschungstrends zu Duroplasten und Thermoplasten

Die laufende Forschung konzentriert sich auf die weitere Verbesserung von Thermoplasten und Duroplasten sowie auf den Vergleich ihres Potenzials für verschiedene Anwendungen:

Entwicklung von Duroplast-Vorläufern

• Bewertung neuer Phenolharze und anderer Polymere als Kohlenstofffaser- und Kohlenstoff-Kohlenstoff (C/C)-Vorläufer
• Maßgeschneiderte Vorläufereigenschaften für eine optimierte Verbundleistung

Verbesserungen der Verarbeitungsmethode

• Optimierung der Spritzgussparameter zur Minimierung von Bindenahtfehlern
• Entwicklung von Hochgeschwindigkeits- und Präzisionstechniken für die additive Fertigung

Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen

• Aufklärung der Zusammenhänge zwischen Kristallinität, Vernetzungsdichte und ultimativen mechanischen Eigenschaften
• Strategien zur Reduzierung der Porosität und Verbesserung der Grenzflächenfestigkeit

Vergleichende Bewertung

• Technoökonomische Analysen zur Ermittlung der optimalen Materialwahl
• Lebenszyklusbewertungsmodelle unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitskennzahlen
• Entscheidungsmatrizen ordnen Materialien anhand von Schlüsselkriterien ein

Zukunftsaussichten für Thermoplaste und Duroplaste?

Kontinuierliche Fortschritte bei Materialien und Fertigung werden die zukünftige Landschaft für Thermoplaste und Duroplaste prägen:

Thermoplastische Vorläufer

• Neu entwickelte thermoplastische Vorläufer für die Herstellung von Verbundwerkstoffen
• Nutzen Sie die Recyclingfähigkeit und behalten Sie gleichzeitig die hohe mechanische Leistung bei

Hybridsysteme

• Mischungen und Verbundwerkstoffe zur Optimierung der Eigenschaften
• Beispiele hierfür sind thermoplastische, gehärtete Epoxidharze

Additive Fertigung

• Hochgeschwindigkeits-3D-Druck von thermoplastischen Endverbrauchsteilen
• Überwindet Einschränkungen der geometrischen Komplexität

Nachhaltige Verarbeitung

• Umstellung auf biobasierte und CO2-reduzierte Produktion
• Übernahme der Industrie 4.0-Prinzipien

Insgesamt wird die synergetische Nutzung von Thermoplasten und Duroplasten die Entwicklung leistungsstarker und nachhaltiger technischer Systeme ermöglichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Thermoplaste und Duroplaste deutlich in ihrer Formgebung und ihrem Verhalten auf Wärme unterscheiden. Thermoplaste können durch Hitze wiederholt erweicht und durch Abkühlung gehärtet werden, sodass sie leichter umgeformt und recycelt werden können. Duroplaste hingegen unterliegen beim Aushärten einer irreversiblen chemischen Reaktion, d. h. sie behalten dauerhaft ihre Form, können aber nicht wieder geschmolzen oder umgeformt werden. Für Ingenieure und Hersteller ist es wichtig, die Eigenschaften von Thermoplasten im Vergleich zu Duroplasten zu kennen, um das richtige Kunststoffmaterial für unterschiedliche Produktanforderungen und End-of-Life-Überlegungen auszuwählen.