I.Definition von technischen Spezialkunststoffen
Technische Spezialkunststoffe sind ein wichtiger Zweig der Kunststoffindustrie und eine Klasse technischer Kunststoffe mit hoher Gesamtleistung und einer Langzeitgebrauchstemperatur von 150 °C oder mehr. Beispiele hierfür sind Polyphenylensulfid (PPS), Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK), Flüssigkristallpolymere (LCP) und Polysulfon (PSU). Diese Kunststoffe zeichnen sich durch ein starres Grundgerüst, hohe Schmelzpunkte und geordnete Molekülkettenanordnungen aus und weisen eine hervorragende Stabilität in Hochtemperaturumgebungen auf. Technische Spezialkunststoffe können spezifische Leistungsanforderungen wie Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erfüllen und werden bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen, Isoliermaterialien, chemischen Verarbeitungsgeräten und Teilen von Automobilmotoren verwendet. Da weiterhin neue nachgelagerte Anwendungen entdeckt werden, rücken technische Spezialkunststoffe in verschiedenen Branchen immer mehr in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit.
II. Klassifizierung von technischen Spezialkunststoffen
Zu den wichtigsten Klassifizierungskriterien für die Spezialkunststoffindustrie gehören Materialtyp, Leistungsmerkmale und Anwendungsbereiche:
1. Polyphenylensulfid (PPS): Besitzt eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften und wird häufig in Automobilkomponenten, Elektronik, Elektrogeräten und Geräten für die chemische Verarbeitung verwendet.
2. Polyimid (PI): Aufgrund seiner hervorragenden Hochtemperaturstabilität, chemischen Beständigkeit und mechanischen Festigkeit wird es häufig in Hochtemperaturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Automobilindustrie eingesetzt.
3. Polyetheretherketon (PEEK): Aufgrund seiner hervorragenden Hochtemperaturstabilität, chemischen Beständigkeit und mechanischen Eigenschaften wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Petrochemie eingesetzt.
4. Flüssigkristallpolymer (LCP): Mit ausgezeichneter Dimensionsstabilität, geringer Reibung und Hochfrequenzeigenschaften wird es häufig bei der Herstellung von elektronischen Verpackungsmaterialien und Mikrokomponenten verwendet.
5. Polysulfon (PSU): Mit ausgezeichneter Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften wird es häufig in chemischen Geräten, elektronischen Bauteilen und medizinischen Geräten verwendet.
III.Hintergrund der Forschung und Entwicklung spezieller technischer Kunststoffe
Die Entwicklung spezieller technischer Kunststoffe wurde in erster Linie durch die Nachfrage nach Hochleistungsmaterialien vorangetrieben, die durch das damalige internationale Wettrüsten, insbesondere den Bedarf an Anwendungen in High-Tech-Bereichen, beflügelt wurde. Damals investierten große Unternehmen in Europa und den Vereinigten Staaten erhebliche finanzielle und personelle Ressourcen in den Wettlauf um die Entwicklung dieser Materialien. Von Anfang der 1960er bis 1980er Jahre waren diese Materialien weitgehend standardisiert. Im Folgenden sind verschiedene Arten von technischen Spezialkunststoffen aufgeführt:
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Polyimid (PI)
Polyimid (PI) wurde erstmals von DuPont in den USA unter dem Markennamen Kapton entwickelt und vermarktet. Es ist ein amorphes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) über 400 °C. PI ist ein aromatisches heterozyklisches Polymer, das in seiner Hauptkette Imidringe (-CO-NH-CO-) enthält. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften wie elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit, chemische Stabilität, Alterungsbeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit und geringen dielektrischen Verlust; Darüber hinaus bleiben diese Eigenschaften über einen Temperaturbereich von -269 bis 400 °C weitgehend unverändert. Es ist derzeit der hitzebeständigste Polymerwerkstoff in der industriellen Produktion und wird daher als „einer der vielversprechendsten technischen Kunststoffe des 21. Jahrhunderts“ gelistet. Die Strukturformel der PI-Wiederholungseinheit lautet:
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Polyamidimid (PAI)
Polyamidimid (PAI), erstmals von Toray Industries, Inc. aus Japan unter dem Markennamen Torlon entwickelt, ist ein amorphes, nicht thermoplastisches Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 285 °C. PAI ist eine Klasse von Polymeren, in denen Imidringe und Amidbindungen in einem regelmäßigen abwechselnden Muster angeordnet sind. Seine Festigkeit wird heute von keinem unverstärkten Industriekunststoff auf der Welt erreicht; Es weist hervorragende mechanische Eigenschaften bei 250 °C auf, mit einer Wärmeformbeständigkeit von 269 °C. Die Verschleißfestigkeit, chemische Beständigkeit und Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung machen PAI zu einer noch herausragenderen Leistung und machen es hervorragend für den Einsatz in rauen Betriebsumgebungen geeignet. Die Strukturformel der PAI-Wiederholungseinheit lautet:
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Polyetherimid (PEI)
Polyetherimid (PEI) wurde erstmals in den 1970er Jahren von GE in den USA erforscht und entwickelt. Nach 10 Jahren Pilotproduktion und Tests wurde es in den 1980er Jahren unter dem Markennamen ULTEM kommerzialisiert. Es ist ein amorphes Polymer mit einer Tg von 217 °C. Im Gegensatz zu den ersten beiden Materialien handelt es sich um ein thermoplastisches Polyimid, das mit thermoplastischen Techniken wie Extrusionsformen und Spritzgießen verarbeitet werden kann. PEI ist typischerweise transparent mit einem bernsteinfarbenen Farbton. Es weist eine hervorragende Hochtemperaturstabilität, mechanische Eigenschaften, chemische Stabilität und elektrische Eigenschaften auf. Zu seinen Hauptmerkmalen gehören ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Festigkeitserhaltung bis zu 200 °C (390 °F), langfristige Beständigkeit gegen thermische Oxidation, gute elektrische Eigenschaften sowie inhärente chemische Beständigkeit und Flammhemmung. PEI behält seine Eigenschaften auch nach längerer Einwirkung von Dampf und heißem Wasser, was ein großer Vorteil für Lebensmittelverarbeitungsgeräte und medizinische Anwendungen ist, die eine gründliche Reinigung oder Sterilisation erfordern. Die Strukturformel der Wiederholungseinheit in PEI lautet:
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Polysulfon (PSU)
Polysulfon (PSU) wurde Ende der 1960er Jahre von der United Carbides Corporation (UCC) unter dem Markennamen UDEL erfolgreich entwickelt und vermarktet. Es ist ein amorphes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 192 °C. 1986 übertrug UCC die Produktions- und Vertriebsrechte für Polysulfon an Amoco. Die Hauptkette von PSU enthält Benzolringe und das Schwefelatom in der -SO₂-Gruppe befindet sich in seiner höchsten Oxidationsstufe; Folglich weist es eine gute Oxidationsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften und thermische Stabilität auf, während das Vorhandensein von Etherbindungen für ein gewisses Maß an Zähigkeit sorgt. PSU verfügt über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften und wird häufig in der Elektroindustrie eingesetzt. Im medizinischen Bereich wird PSU aufgrund seiner guten Biokompatibilität und Sterilisationsbeständigkeit häufig zur Herstellung medizinischer Geräte wie Hämodialysatoren verwendet. In der Lebensmittelverarbeitung können PSU zur Herstellung bestimmter hochtemperaturbeständiger Geräte eingesetzt werden. Darüber hinaus gibt es einige Anwendungen für PSU in der Luft- und Raumfahrt- und Elektronikindustrie. Derzeit gibt es drei im Handel erhältliche und relativ ausgereifte Arten von Polysulfonharzen: Polysulfon vom Bisphenol-A-Typ (PSU), Polyphenylsulfon (PPSU) und Polyethersulfon (PES). Die Strukturformel der Wiederholungseinheit von PSU lautet:
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Polyethersulfon (PES)
Polyethersulfon (PES) wurde in den 1970er Jahren von der britischen Firma ICI erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert. Es wird unter dem Handelsnamen PES verkauft und ist ein amorphes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 225 °C. Die Molekülstruktur von PES enthält weder aliphatische Kohlenwasserstoffeinheiten – die eine geringe thermische Stabilität aufweisen – noch starre Biphenyleinheiten; Es besteht hauptsächlich aus Sulfongruppen, Ethergruppen und Phenylgruppen. Die Sulfongruppen verleihen Hitzebeständigkeit, während die Ethergruppen den Polymerketten im geschmolzenen Zustand eine gute Fließfähigkeit verleihen und so das Formen und Verarbeiten erleichtern. PES verfügt über eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit, physikalische und mechanische Eigenschaften sowie elektrische Isolationseigenschaften. Es kann kontinuierlich bei hohen Temperaturen verwendet werden und behält eine stabile Leistung in Umgebungen bei, die schnellen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Es ist beständig gegen Korrosion durch die meisten chemischen Medien; Polyethersulfon wird in Wasser nicht hydrolysiert, aber die Aufnahme von Spuren von Feuchtigkeit kann zu einer leichten Plastifizierung führen, was zu geringfügigen Änderungen der mechanischen Eigenschaften führt. Darüber hinaus ist Polyethersulfon selbstverlöschend und weist ohne Zusatz von Flammschutzmitteln eine hervorragende Flammwidrigkeit auf. PES wird häufig in den Bereichen Elektronik, Elektrik, Mechanik, Automobil, medizinische Geräte und Warmwasser eingesetzt. Es gilt als technischer Kunststoff, der eine hohe Wärmeformbeständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und hervorragende Verarbeitbarkeit vereint. Die Strukturformel der Wiederholungseinheit von PES lautet:
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Polyarylat (PAR)
Polyarylat (PAR) ist ein allgemeiner Begriff für eine Familie aromatischer Polyesterprodukte. Das erste derartige Produkt, das erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert wurde, wurde Anfang der 1970er Jahre von der japanischen Firma UNITIKA unter dem Handelsnamen U-Polymer entwickelt. Es ist ein amorphes Polymer; Insbesondere hat U-100 eine Tg von 193 °C. PAR ist ein spezieller technischer Kunststoff mit Benzolringen und Estergruppen in der Hauptkette. Die hohe Dichte aromatischer Ringe in der Hauptkette erhöht die Hitzebeständigkeit mit einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 175 °C. Das Vorhandensein von para- und meta-Benzolringeinheiten in der Hauptkette hemmt die Polymerkristallisation, was zu einem amorphen, transparenten Polymer führt. Seine Transparenz ist mit der von PC und PMMA vergleichbar, mit einer Lichtdurchlässigkeit von nahezu 90 %; es weist eine gute Biegeelastizität und eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit über einen weiten Temperaturbereich auf; Es verfügt über eine hervorragende Witterungsbeständigkeit, blockiert UV-Strahlung unter 350 nm und behält im Wesentlichen unveränderte mechanische Eigenschaften unter langfristigen Außenbedingungen bei. Es ist selbstverlöschend, erzeugt beim Verbrennen nur minimale Rauchentwicklung und ist ungiftig. PAR ist ein Polymermaterial mit ausgezeichneter Hitzebeständigkeit; Seine Strukturformel und Synthesemethoden variieren je nach Anwendungsanforderungen. Es kann in hochtemperaturbeständigen elektronischen Geräten sowie in Komponenten und Teilen für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie eingesetzt werden und wird häufig auch in medizinischen Geräten eingesetzt. Seine Anwendungen in zahlreichen Industriesektoren belegen seinen bedeutenden Wert als technischer Spezialkunststoff. Die Strukturformel der Wiederholungseinheit von PAR lautet:
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Polyphenylensulfid (PPS)
Polyphenylensulfid (PPS) wurde erstmals in den 1970er Jahren von Philips in den USA unter dem Markennamen Ryton entwickelt und kommerzialisiert. Es ist ein kristallines Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 88 °C und einem Schmelzpunkt (Tm) von 277 °C. PPS besteht aus einer abwechselnden Anordnung von Benzolringen und Schwefelatomen, was ihm eine regelmäßige Struktur und eine hohe Kristallinität – bis zu 75 % – mit einem Schmelzpunkt von bis zu 285 °C verleiht. Die Benzolringe verleihen PPS eine gute Steifigkeit und Hitzebeständigkeit, während die Sulfidbindungen ein gewisses Maß an Flexibilität verleihen. PPS weist eine hervorragende Hitzebeständigkeit, Flammhemmung, elektrische Isolierung und Korrosionsbeständigkeit auf. Seine umfassenden Eigenschaften – einschließlich thermischer Stabilität, mechanischer Festigkeit und elektrischer Leistung – ermöglichen es ihm, langfristig Temperaturen von bis zu 220 °C standzuhalten. Aus diesem Grund wird PPS nach Polycarbonat (PC), Polyester (PET), Polyoxymethylen (POM), Nylon (PA) und Polyphenylenoxid (PPO) als „der sechstgrößte technische Kunststoff der Welt“ gefeiert. Die Strukturformel der Wiederholungseinheit in PPS lautet:
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Polyetheretherketon (PEEK)
Polyetheretherketon (PEEK) wurde erstmals in den 1970er Jahren von der britischen Firma ICI erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert. ICI synthetisierte PEEK erfolgreich und begann 1978 mit der Vermarktung; Seitdem wird es unter der Marke Victrex verkauft. Der Handelsname ist PEEK. Es ist ein kristallines Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 143 °C und Tm = 334 °C. PEEK ist ein kristallines, ultrahochtemperaturbeständiges thermoplastisches Polymer, das aus wiederkehrenden Einheiten besteht, die in seiner Hauptkettenstruktur eine Ketonbindung und zwei Etherbindungen enthalten. Die Molekülstruktur von Polyetheretherketon enthält starre Benzolringe, die ihm eine hervorragende Hochtemperaturleistung, mechanische Eigenschaften, elektrische Isolierung, Flammhemmung, Strahlungsbeständigkeit und chemische Beständigkeit verleihen. PEEK hat einen Schmelzpunkt (Tm) von bis zu 340 °C; Dieser hohe Schmelzpunkt verleiht PEEK eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur von faserverstärktem PEEK kann bis zu 315 °C erreichen, während seine langfristige Dauergebrauchstemperatur (UL946B) 260 °C erreichen kann und seine kurzfristige Hitzebeständigkeit bis zu 300 °C beträgt. Auch nach 5.000 Betriebsstunden bei 260 °C bleibt die Festigkeit im Vergleich zum Ausgangszustand nahezu unverändert und es weist eine hervorragende thermische Stabilität auf. Dadurch hat PEEK eine lange Lebensdauer in rauen Umgebungen. Die Strukturformel der Wiederholungseinheit in PEEK lautet:
