Gezielte Materialveredelung: Vernetzungsmethoden für Kunststoff-Upgrades

Optimierung thermoplastischer Kunststoffe

Unvernetzte Kunststoffe, auch Thermoplaste genannt, sind im Gegensatz zu vernetzten Kunststoffen schmelzbar und löslich und können so hohen Temperaturen nicht standhalten.
Um Thermoplaste unter genau solchen Bedingungen einsetzbar zu machen und die Kunststoffeigenschaften zu optimieren, werden sie vernetzt. Dadurch werden technischen oder Standardkunststoffen mechanische, thermische und chemische Eigenschaften verliehen, die mit Hochleistungskunststoffen vergleichbar sind. Die drei gängigsten Verfahren für diese Kunststoffveredelung sind die peroxidische Vernetzung, die Silanvernetzung sowie die Strahlenvernetzung. In diesem Beitrag bieten wir Ihnen einen Überblick über die Vernetzungsarten, ihre Vor- und Nachteile sowie ihre Anwendungsgebiete im Bereich der Kabel-, Schlauch- und Rohrvernetzungen.

Die drei relevanten Vernetzungsarten im Überblick

Die im Rahmen der Kunststoffveredelung eingesetzten Vernetzungsmethoden von Thermoplasten im Bereich Stranggut unterscheiden sich vor allem hinsichtlich ihres Vernetzungsgrads, ihrer Haltbarkeit, sowie ihrer Produktionsrate. Unter den vernetzten Thermoplasten nimmt vernetztes Polyethylen, das gemäß DIN 16893 als PE-X bezeichnet wird, eine besondere Stellung ein. Die Vernetzung von PE führt zu einer deutlichen Verbesserung wichtiger Materialeigenschaften wie dem Kriechwiderstand, der Spannungsrissbeständigkeit und der Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen. Darüber hinaus ist PE-X kurzzeitig bis zu Temperaturen von 250 °C belastbar.
Die geläufigsten Arten zur Vernetzung von PE und anderen Thermoplasten sind:

• PE-Xa: peroxidisch vernetztes Polyethylen

• PE-Xb: silanvernetztes Polyethylen

• PE-Xc: strahlenvernetztes Polyethylen

Im Folgenden stellen wir Ihnen die Vernetzungsmethoden und ihren Einfluss auf die Entwicklung langlebiger und leistungsfähiger Materialien im Detail vor.

Peroxidische Vernetzung (PE-Xa)

Bei der peroxidischen Vernetzung wird Polyethylen mithilfe von Peroxiden wie beispielsweise Dicumylperoxid gezielt vernetzt. Dabei zerfallen die Peroxide bei hohen Temperaturen, bilden Radikale und lösen damit eine thermisch initiierte radikalische Vernetzung aus. Diese erfolgt in der Schmelze, also im vollständig amorphen Zustand des Polyethylens. Das führt dazu, dass die Kristallinität und Dichte im Vergleich zu anderen Verfahren sinken, da die Kristallisation durch die Vernetzungsstellen behindert wird. Peroxidisch vernetztes PE wird per Definition als PE-Xa bezeichnet.

Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der hohen thermischen Beständigkeit (bis 250 °C) und einem hohen Vernetzungsgrad. Darüber hinaus entstehen stabile C-C-Bindungen zwischen den Polymerketten, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs deutlich verbessert werden. Die peroxidische Vernetzung bietet zudem aktuell die einzige Möglichkeit, auch Rohre mit sehr großem Durchmesser (90–550 mm) beständig zu machen.

Zu den Nachteilen zählen der hohe Druck- und Energiebedarf sowie die Einschränkungen hinsichtlich Kristallinität und Dichte, die die Peroxidvernetzung für bestimmte Anwendungsfälle ungeeignet machen.

Silanvernetzung (PE-Xb)

Die Silanvernetzung erfolgt zweistufig: Zunächst werden mithilfe von Peroxiden reaktive Stellen in der Polymerkette erzeugt, an die sich Silanmoleküle anlagern. Im zweiten Schritt erfolgt die eigentliche Vernetzung durch eine Polykondensationsreaktion, die unter Einfluss von Wasser und einem Katalysator durch die Ausbildung von mehrfunktionalen Si-O-Si-Bindungen entsteht. Dieser Prozess findet nicht in der Schmelze, sondern nach der Formgebung statt, typischerweise in heißem Wasser oder Dampf bei 80–95 °C.

Ein großer Vorteil der Silanvernetzung ist die weitgehend erhaltene Kristallinität und Dichte des Ausgangsmaterials, da die Kristallisation bereits vor der Vernetzung abgeschlossen ist. Das Verfahren ist vielseitig einsetzbar und wird auch für andere Polymere wie PVC, PP, oder Polyamid angewendet.

Nachteilig gegenüber anderen Vernetzungsmethoden sind die längeren Prozesszeiten, die teils mehrere Stunden andauern können und die Notwendigkeit von Feuchtigkeit und Katalysatoren für die Vernetzung. Zudem ist die chemische Beständigkeit bei der Silanvernetzung geringer als bei PE-Xa oder PE-Xc.

Strahlenvernetzung (PE-Xc)

Mithilfe der Strahlenvernetzung lassen sich herkömmliche technische Kunststoffe vernetzen und deren Eigenschaften aufwerten. Bei diesem Verfahren wird die Vernetzung nach der Formgebung durch energiereiche Elektronenstrahlen (1–10 MeV) ausgelöst. Die Strahlung spaltet chemische Bindungen in den Polymerketten, wodurch reaktive Radikale entstehen, die sich zu dreidimensionalen Netzwerken verbinden. Die Vernetzung erfolgt dabei unterhalb der Kristallitschmelztemperatur, typischerweise bei Raumtemperatur, sodass die Kristallinität und Dichte des Materials erhalten bleiben. Zu den typischen thermoplastischen Kunststoffen, die mittels Strahlenvernetzung veredelt werden können, zählen etwa PE, TPE, PBT, PA sowie viele weitere. Je nach ausgewähltem Material ist ein Vernetzungsadditiv für den Prozess erforderlich.

Die Vorteile der Strahlenvernetzung ergeben sich vor allem aus dem einzigartigen physikalischen Wirkprinzip: Die Energie zur Auslösung chemischer Reaktionen wird über ionisierende Elektronenstrahlen eingebracht, die tief in das Material eindringen können. Dabei entstehen im Inneren des Kunststoffs hochreaktive Radikale, ohne dass das Produkt hohen Temperaturen oder Drücken ausgesetzt werden muss. Dies ermöglicht eine besonders schonende, präzise und kontrollierbare Vernetzung selbst bei temperaturempfindlichen Bauteilen.

Gleichzeitig bleiben Kristallinität und Dichte des Ausgangsmaterials weitgehend erhalten, da die Vernetzung erst nach der vollständigen Formgebung erfolgt. Die veredelten Werkstoffe zeigen eine verbesserte Wärmeformbeständigkeit, erhöhte Spannungsriss- und Chemikalienbeständigkeit sowie eine höhere mechanische Belastbarkeit.

Das Verfahren ist durch einen begrenzten Produktdurchmesser bzw. Produktquerschnitt des Strangguts limitiert, was den Einsatzbereich einschränken kann.

Welche Eigenschaften weisen strahlenvernetzte Thermoplaste auf?

Durch die Strahlenvernetzung erfahren Thermoplaste eine gezielte strukturelle Aufwertung. Die Bildung eines dreidimensionalen Netzwerks innerhalb des Kunststoffs führt zu einer deutlichen Verbesserung zentraler Materialeigenschaften wie der mechanischen Belastbarkeit, thermischen Stabilität oder chemischen Widerstandsfähigkeit.

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften

Strahlenvernetzte Thermoplaste zeigen eine signifikante Verbesserung ihrer mechanischen Belastbarkeit. Insbesondere im Hinblick auf Langzeiteinsatz und mechanischen Verschleiß ergeben sich Vorteile:

• Erhöhung der Module
• Verbesserte Spannungsrissbeständigkeit
• Steigerung der Festigkeiten, insbesondere der Langzeitfestigkeit
• Verbesserung der Abriebfestigkeit und des Weiterreißwiderstandes
• Erhöhung der Härte
• Verminderung des Kaltflusses (Kriechens)
• Abnahme der Bruchdehnung
• Optimierte Rückstelleigenschaften (Memory-Effekt)

Diese Verbesserungen machen vernetzte Thermoplaste besonders geeignet für mechanisch anspruchsvolle Anwendungsbereiche.

Verbesserung der thermischen Eigenschaften

Ein zentrales Merkmal strahlenvernetzter Materialien ist ihre deutlich gesteigerte Wärmeformbeständigkeit, wodurch sie auch höheren Temperaturen ausgesetzt werden können:

• Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit
• Steigerung der thermischen Stabilität bei Druck- und Temperatureinwirkung

Im Vergleich zu unvernetzten Kunststoffen sind strahlenvernetzte Werkstoffe weniger entflammbar, was einen klaren Vorteil im Brandverhalten darstellt. Gleichzeitig bieten sie unter thermischer Belastung eine deutliche Leistungssteigerung.

Verbesserung der chemischen Eigenschaften

Die chemische Strukturveränderung durch Strahlenvernetzung führt zu einer graduellen Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Medien:

● Verbesserte Beständigkeit gegen Chemikalien und Lösungsmittel
● Reduzierte Löslichkeit
● Verringertes Quellverhalten

Die aus der Veredelung resultierenden Eigenschaften ermöglichen den Einsatz vernetzter Thermoplasten in vielfältigen Anwendungsbereichen. Dazu zählen in erster Linie die Branchen Automotive & E-Mobilität, Infrastruktur & Gebäudetechnik, Elektrik & Elektronik, sowie Maschinenbau.

In modernen Fahrzeugen übernehmen Hochspannungskabel eine zentrale Rolle: Sie transportieren elektrische Energie bei Spannungen von 400 bis zu 1500 Volt und sind dabei mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Hohe Temperaturen, Vibrationen, mechanische Beanspruchung und die Beständigkeit gegenüber verschiedenen Medien stellen extreme Anforderungen an das eingesetzte Material. Zudem sind eine hohe Flexibilität, Flammwidrigkeit und ein gutes Alterungsverhalten erforderlich.

Strahlenvernetzte Thermoplaste schaffen hier Abhilfe. Durch die gezielte Vernetzung auf molekularer Ebene werden die Kabelisolierungen deutlich robuster. Konkret äußert sich die optimierte Leistungsfähigkeit der Werkstoffe durch die folgenden Eigenschaften:

1. Erhöhte thermische Widerstandsfähigkeit: Die Wärmebeständigkeit steigt, sodass auch bei hohen Betriebstemperaturen eine sichere Funktion gewährleistet ist.
2. Optimiertes Alterungsverhalten: Das Alterungsverhalten verbessert sich, was die Lebensdauer der Komponenten verlängert.
3. Stärkere Beständigkeit und Festigkeit: Die Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Feuchtigkeit, Spannungsrissen und mechanischem Abrieb wird optimiert.

Dank dieser Eigenschaften verteilen strahlenvernetzte Hochspannungskabel die erforderliche Energie im gesamten Fahrzeug sicher und zuverlässig.

Fazit: Vernetzte Kunststoffe als Schlüssel für leistungsfähige Materialien

Vernetzte Thermoplaste eröffnen neue Möglichkeiten, die Eigenschaften technischer Kunststoffe gezielt an anspruchsvolle Einsatzbedingungen anzupassen. Ob durch peroxidische Vernetzung, Silanvernetzung oder Strahlenvernetzung: Die Verfahren ermöglichen signifikante Verbesserungen in Bezug auf thermische Widerstandsfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit und verleihen Standardkunststoffe so ein echtes Upgrade. Gerade mit Blick auf aktuelle Marktentwicklungen gewinnen vernetzte Werkstoffe weiter an Bedeutung:

“In der Industrie beobachten wir einen klaren Trend hin zu Kabeln mit größeren Querschnitten und dickwandigeren Schläuche. Höhere Leistungsanforderungen, der Fokus auf Energieeffizienz und der Ausbau elektrifizierter Infrastrukturen erfordern perspektivisch noch robustere Kabel. Auch neue Sicherheitsnormen treiben diese Entwicklung voran. BGS ist auf diese Veränderungen bestens vorbereitet: Mit modernster Anlagentechnik können wir auch dickere Kabelstrukturen effizient strahlenvernetzen.”