Vernetzungsgrad von Kunststoffen: Optimierung der Materialeigenschaften
Um den stetig wachsenden Anforderungen an Effizienz, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit in Produktion und Produktgestaltung gerecht zu werden, sind leichte und leistungsfähige Werkstoffe in vielen Branchen unerlässlich. Ob in der Automobilindustrie, in der Elektrotechnik, im Maschinenbau oder in der Medizintechnik – Kunststoffe bieten ein enormes Potenzial und ermöglichen innovative Konstruktionsansätze. Für viele Anwendungen sind sie jedoch bislang nur bedingt geeignet, da sie extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, chemischer Belastung oder mechanischem Verschleiß standhalten müssen.
Bei BGS wird mit der Strahlenvernetzung thermoplastischer Kunststoffe ein Verfahren eingesetzt, das herkömmliche Kunststoffe so weiterentwickelt, dass sie Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen erreichen: ein echtes Upgrade durch Strahlenvernetzung. Dabei werden insbesondere zentrale Materialeigenschaften gezielt verbessert:
- erhöhte Temperatur- und Wärmeformbeständigkeit,
- verbesserte mechanische Festigkeit und Kriechbeständigkeit,
- optimiertes Reibungs- und Verschleißverhalten (Tribologie),
- erhöhte Chemikalien- und Medienbeständigkeit, sowie
- Funktion ohne Schmierstoffe.
Das Ziel des Veredelungsverfahrens ist, den Vernetzungsgrad der Kunststoffe gezielt zu optimieren, um ein optimales Eigenschaftsprofil bei gleichzeitig wirtschaftlich vertretbaren Kosten zu erzielen.
Definition: Was bedeutet Vernetzungsgrad?
Der Vernetzungsgrad von Kunststoffen beschreibt den relativen Anteil der Polymerketten, die untereinander durch kovalente chemische Bindungen vernetzt sind. Ein hoher Vernetzungsgrad bedeutet, dass eine Vielzahl von reaktionsfähigen Stellen in den Polymersträngen chemische Bindungen eingegangen sind und zur Bildung eines quervernetzten dreidimensionalen Netzwerks führen. Bei einem niedrigen Vernetzungsgrad existieren weniger Verknüpfungen und damit auch ein weniger engmaschiges polymeres Netzwerk.
Der Vernetzungsgrad beeinflusst maßgeblich die mechanischen, elastischen, thermischen und chemischen Eigenschaften: Je stärker vernetzt, desto steifer, temperaturbeständiger und weniger formveränderlich ist das Material; je geringer vernetzt, desto flexibler und elastischer.
Wie beeinflusst der Vernetzungsgrad von Polymeren die Materialeigenschaften?
Der Vernetzungsgrad bestimmt maßgeblich, wie sich ein Kunststoff unter mechanischer, thermischer und chemischer Belastung verhält. Je nachdem, wie stark die Polymerketten miteinander verbunden sind, ändern sich Eigenschaften wie z. B. E-Modul, Temperaturbeständigkeit und Aufschmelzverhalten.
Niedriger Vernetzungsgrad
Bei einem geringen Vernetzungsgrad sind nur wenige Polymerketten chemisch miteinander verbunden. Die Molekülketten können sich relativ frei gegeneinander bewegen, wodurch das Material flexibel und gut verformbar bleibt. Kunststoffe mit niedrigem Vernetzungsgrad lassen sich in der Regel schmelzen und erneut verarbeiten – typische Polymere sind Thermoplaste. Sie eignen sich überall dort, wo gute Formbarkeit und einfache Verarbeitung wichtiger sind als eine hohe Temperatur- oder Chemikalienbeständigkeit.
Mittlerer Vernetzungsgrad
Bei einem mittleren Vernetzungsgrad sind die Ketten bereits teilweise miteinander verknüpft. Das Material bleibt elastisch, zeigt aber eine deutlich höhere Formstabilität als unvernetzte Kunststoffe. Diese Struktur ist charakteristisch für Elastomere: Sie lassen sich dehnen, kehren aber nach Entlastung in ihre Ausgangsform zurück. Gleichzeitig nehmen Beständigkeit gegenüber Wärme und mechanischer Beanspruchung zu, ohne dass die Flexibilität vollständig verloren geht.
Hoher Vernetzungsgrad
Ein hoher Vernetzungsgrad führt zu einem dichten, dreidimensionalen Polymernetzwerk. Das Material ist sehr fest, hart und behält seine Form auch bei hohen Temperaturen. Kunststoffe mit hohem Vernetzungsgrad, wie etwa Duroplaste, zeigen häufig eine hohe Hitzebeständigkeit und chemische Stabilität, sind allerdings oft auch sehr spröde, welches sich nachteilig auf die die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Sie werden eingesetzt, wenn Bauteile extremen Bedingungen standhalten müssen, wie etwa in der Automobil- oder Elektrotechnik.
Niedriger Vernetzungsgrad | Hoher Vernetzungsgrad |
|---|---|
Polymerketten können aneinander vorbeigleiten, Schmelzen möglich | Schmelzen nicht mehr möglich, Material degradiert bei hohen Temperaturen |
Flexiblere Verformung, oft reversibel | weniger elastisch, steifer, bei manchen Materialien spröde oder hart |
Höheres Kriechen unter Last bei Temperatur | Geringeres Kriechen, bessere Langzeitstabilität unter Belastung und Hitze |
Schnellerer Verschleiß, insbesondere in amorphen Bereichen, höherer Abrieb | Verbesserte Oberfläche, geringerer Verschleiß, bessere Gleiteigenschaften |
Höhere chemische Löslichkeit, stärkeres Quellen | Reduzierte Löslichkeit & Quellverhalten, bessere Beständigkeit gegen aggressive Medien |
Mittels Strahlenvernetzung kann der Vernetzungsgrad vieler thermoplastischer Kunststoffe und Elastomere (Übersicht strahlenvernetzbarer Polymere) gezielt optimiert werden. Dadurch, dass die Strahlenvernetzung nach der Formgebung als letzter Prozessschritt durchgeführt wird, lassen sich weiterhin alle Vorteile bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe nutzen.
Obwohl der erreichbare Vernetzungsgrad unter dem von Duroplasten liegt und deren hohe Form- und Wärmebeständigkeit nicht vollständig erreicht wird, führt die Strahlenvernetzung zu einer deutlichen Verbesserung der Materialeigenschaften. So entstehen Werkstoffe mit erhöhter Temperaturbeständigkeit, verbesserter Kriechfestigkeit und gesteigerter Chemikalienbeständigkeit. Das resultierende Eigenschaftsprofil liegt damit zwischen Thermoplasten und Duroplasten und kombiniert deren Vorteile, ohne die typischen Nachteile spröder Duroplaste zu übernehmen.
Einteilung der Kunststoffe nach Vernetzungsgrad
Anhand des Vernetzungsgrads sind Polymere in drei große Klassen einteilbar:
Thermoplaste
Thermoplaste bestehen aus langen, linearen bzw. nur schwach verzweigten Polymerketten aus, die nicht miteinander vernetzt sind. Daraus resultieren auch ihre besonderen Eigenschaften. Thermoplaste zeichnen sich dadurch aus, dass sie reversibel aufschmelzbar und damit in einer Vielzahl von thermischen Formgebungsverfahren verarbeitbar sind.
Thermoplaste besitzen nur lose oder gar keine Vernetzungen. Die Polymerketten sind physikalisch ineinander verschlungen, können sich aber bei höheren Temperaturen viskos fließen und verformen und sind bei hohen Temperaturen schmelzbar.
Strahlenvernetzte Thermoplaste
Eine Sonderform der Thermoplaste stellen strahlenvernetzte Thermoplaste dar. Durch die Behandlung mit ionisierender Strahlung (z. B. Elektronen- oder Gammastrahlung) entstehen zwischen den Polymerketten zusätzliche chemische Bindungen. Diese führen zu einer teilweisen Vernetzung, wodurch das Material thermisch stabiler und mechanisch belastbarer wird, ohne die grundlegende Struktur eines Thermoplasten vollständig zu verlieren. Die Strahlenvernetzung findet in der Regel nach der Formgebung statt, so dass die Vorteile in der Verarbeitung mit dem Eigenschaftsupgrade durch die Strahlenvernetzung kombiniert werden können. Strahlenvernetzt sind Thermoplaste nicht mehr aufschmelzbar.
Elastomere
Elastomere sind weitmaschig vernetzt. Das bedeutet, es existieren viele Vernetzungen, aber sie sind nicht so dicht, dass das Material hart und spröde wird. Elastomere zeigen große reversible Verformbarkeit und reagieren elastisch unter Belastung. Auch bestimmte thermoplastische Elastomere lassen sich strahlenvernetzen und damit in ihrem Eigenschaftsprofil gezielt modifizieren.
Duroplaste
Duroplaste haben einen sehr hohen Vernetzungsgrad. Alle Ketten sind verbunden, sodass ein einziges hartes und nicht schmelzbares Polymernetzwerk entsteht.
Vernetzungsgrad in der Produktion: Worauf es bei der Vernetzung ankommt
Welcher Vernetzungsgrad der richtige ist, lässt sich nicht pauschal beantworten, sondern hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu zählen beispielsweise:
- Ausgangspolymer: Nicht alle Polymere sind gleich gut für eine Vernetzung geeignet. Der Vernetzungsgrad hängt unter anderem von der Verfügbarkeit reaktiver Gruppen, der kristalliner und amorpher Anteile und damit entscheidend vom Basismaterial (Polyethylen, Polyamid etc.) ab.
- Strahlenvernetzbarkeit: Manche Polymere benötigen monomere Hilfsmittel, sogenannte Vernetzungsadditive, um die Veredelung durch Strahlung zu ermöglichen.
- Gewünschte Eigenschaften: Welche Materialeigenschaften sollen verbessert werden? Temperaturbeständigkeit, Abrieb, Reibung, Festigkeit, Kriechverhalten, Beständigkeit gegen Chemikalien? Je nach Einsatzzweck kann der optimale Vernetzungsgrad variieren.
Längere Lebensdauer, bessere Performance – Optimieren Sie den Vernetzungsgrad Ihrer Kunststoffe mit BGS
Sie sind unsicher, ob sich die Strahlenvernetzung auch für Ihre Anwendung lohnt und welche Kunststoffe sich dafür eignen? In unserem Fachartikel „Strahlenvernetzung in der Serienproduktion“ in der ATZproduktion zeigen wir, wie sich durch die gezielte Steuerung des Vernetzungsgrads thermoplastische Kunststoffe für den Serieneinsatz optimieren lassen – inklusive technischer Hintergründe und konkreter Praxisbeispiele.
Der Artikel bietet unter anderem:
- Eine detaillierte Übersicht aller strahlenvernetzbaren Polymere
- Einblicke in Prozessabläufe, Strahlendosis und Materialverhalten
- Praxisbeispiele aus Automobil-, Elektro- und Konsumgüterindustrie mit nachweislich verbesserten Materialeigenschaften
Mit der Strahlenvernetzung lassen sich die Grenzen klassischer technischer Kunststoffe gezielt erweitern. Das Verfahren verbessert ihre Beständigkeit gegenüber Hitze, Chemikalien und mechanischer Belastung und schafft damit nicht nur eine wirtschaftliche Alternative zu teuren Hochleistungskunststoffen, sondern eröffnet auch ganz neue Anwendungsfelder.