Die Strahlenvernetzung und ihre Anwendung in der Kunststoffveredelung

KURZER Intro-Text mit Übersicht, was man hier alles lesen kann

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Was ist Strahlenvernetzung?

Umtexten, da Kopie aus PDF; weg von Kunststoff, hier nur Beschreibung zum Verfahren allgemein. Einleitung! Idealerweise noch aufsplitten und 1-2 Unterüberschriften.

Die Strahlenvernetzung beruht auf der Wirkung hochenergetischer Beta- und Gammastrahlen. Der Kunststoff wird einer exakt festgelegten Dosis an Gamma- oder Betastrahlen ausgesetzt und so die Vernetzung der Kunststoffmoleküle präzise gesteuert. Die Materialeigenschaften werden im Voraus genau definiert und durch die punktgenaue Bestrahlung erreicht. Bei der Vernetzung absorbiert das Material die Strahlungsenergie. Chemische Bindungen werden gespalten, es entstehen freie Radikale. Diese gehen im nächsten Schritt die gewünschte Molekularverbindung ein. So entsteht ein extrem belastbares „Netzwerk“.

Die Modifikation findet am fertigen Kunststoffprodukt statt. Durch Abschirmung lässt sich der Vernetzungsgrad sogar innerhalb eines Formteils variieren. Auch die Bestrahlung von Rohstoffen ist möglich. Strahlenvernetzung eignet sich grundsätzlich für Kunststoffe, bei denen auch die chemische Vernetzung mittels radikalischer Initiatoren (z. B. Peroxiden) möglich ist. Anders als bei den chemischen Vernetzungsverfahren findet die Strahlenvernetzung bei niedrigen Temperaturen statt. Mengenmäßig am bedeutendsten ist die Vernetzung von Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Polybutylente-Rephthalat (PBT) und Polyvinylchlorid (PVC). Die Vernetzung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) gewinnt zunehmend an Bedeutung, auch Polypropylen (PP) lässt sich strahlenvernetzen. Die Wirkweise der Strahlenvernetzung ist der seit Langem genutzten Vulkanisation bei Kautschuken vergleichbar.

Als physikalisches Verfahren hat die Bestrahlung den Vorteil, dass Effekte bereits bei niedrigen Temperaturen erzielt werden und sich die Ergebnisse exakt und ohne qualitative Schwankungen erreichen lassen. BGS trägt mit der bedarfsgenau abgestimmten Anwendung von Beta- oder Gammastrahlen dazu bei, die Werkstoffeigenschaften von Kunststoffen zu optimieren und neue Anwendungsbereiche für etablierte Rohstoffe zu eröffnen. Da sich die Vernetzung als externer Schritt an den Produktionsprozess beim Hersteller anschließt, wird die optimale Prozessgeschwindigkeit nicht beeinträchtigt. Als weiterer Vorteil der nachgelagerten Bestrahlung fertiger Spritzgussteile lassen sich anfallende Kunststoffreste, beispielsweise Angussstücke, problemlos in den Produktionsprozess zurückführen.

Strahlenvernetzung in der Kunststoffveredelung

Umtexten, stammt aus PDF

„Upgrading“ für Kunststoffe: Die Strahlenvernetzung verleiht preiswerten Massenkunststoffen oder technischen Kunststoffen die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen. Nach der Strahlenvernetzung können Kunststoffe unter Bedingungen eingesetzt werden, denen sie ansonsten nicht standhalten würden. Die Strahlenvernetzung findet grundsätzlich nach der Formgebung statt – das Spritzgießen, Extrudieren oder Blasformen nimmt wie gewohnt der Hersteller mit den üblichen Rohstoffen vor. Dementsprechend fallen keine Kosten für die Anschaffung neuer Werkzeuge oder Maschinen an. Die Strahlenvernetzung erfolgt bei Raumtemperatur und löst als physikalisches Verfahren die Vernetzungsreaktionen über Radikale im Polymer aus. Welches Eigenschaftsspektrum sich erzielen lässt, hängt vom jeweiligen Basispolymer ab. Für einige Kunststoffe sind Vernetzungsverstärker erforderlich. Die Zugabe der Vernetzungs-hilfen kann bei der Herstellung des Kunststoffgranulates (Compoundieren) oder unmittelbar vor der Formgebung (z. B. Masterbatches) erfolgen. Die Additive ermöglichen oder verbessern die Vernetzbarkeit und können die Eigenschaftsprofile des Kunststoffs weiter optimieren. Zum Einsatz kommen die aus der Kunststoff- und Kautschukindustrie bekannten Vernetzungshilfen. Zur   Beurteilung der erzielten Eigenschaftsveränderungen kann BGS im Anschluss an die Bestrahlung spezielle Kunststoffprüfungen vornehmen.

Zielwort

Welche Polymere eignen sich für eine Kunststoffveredelung ?

Die am häufigsten veredelten Kunststoffe sind die mit der größten Anwendungsbreite: Polyethylen (PE) und seine Copolymere, Polyamid (PA), Polyester wie PBT sowie Polyvinylchlorid (PVC). Für einige Werkstoffe mit geringer Reaktivität ist ein spezieller Vernetzungsbeschleuniger notwendig. Diese Zusätze können entweder direkt vor der Formgebung zugegeben, als Masterbatch zusammen mit dem Rohgranulat zugefügt oder direkt als fertiges Compound eingesetzt werden. In den vergangenen Jahren kamen viele neue Materialien und Copolymere auf den Markt. Es ist nicht möglich, alle zur Vernetzung geeigneten Materialien aufzulisten. Grundsätzlich funktioniert eine Strahlenvernetzung immer dann, wenn eine chemische Vernetzung mit radikalischen Initiatoren (wie Peroxiden) möglich ist. Typische Kunststoffe und mögliche positive Effekte sind:

Polyamide

Wenn Polyamide strahlenvernetzt werden, können sie deutlich höheren Temperaturen von bis zu 350 °C standhalten und weisen ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten auf. Auch die Formbeständigkeit unter Wärmebelastung wird verbessert. Strahlenvernetztes Polyamid kann oft Duroplaste bzw. teurere Hochleistungskunststoffe wie PPS, PEI, LCP etc. ersetzen. Zu den langjährig bewährten Anwendungen gehören strahlenvernetzte Bauteile für die Elektro- und Automobilindustrie – beispielsweise Schaltkomponenten oder Komponenten des Motorinnenraums – sowie Bauteile für den Maschinenbau. Zu den zurzeit bevorzugten Typen gehören PA 6, PA 6.6, PA 11 und PA 12. Polyamide müssen zur Vernetzbarkeit ein spezielles Additiv (Vernetzungsverstärker) enthalten.

Polyethylen

Die Vernetzung von Polyethylen (PE) erweitert das Anwendungsspektrum dieses Kunststoffes für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen oder bei hohen mechanischen und chemischen Anforderungen. Alle Polyethylentypen (PE-HD, PE-LD, PE-UHMW etc.) und ihre Copolymere (EPDM, EVA) sind strahlenvernetzbar. Als teilkristalliner Werkstoff wird PE im Wesentlichen in den amorphen Bereichen vernetzt – Kristallisationsgrad und Dichte bleiben nahezu unverändert. Strahlenvernetztes PE-Xc ist ein bewährtes Material für Rohre und Schläuche, die beispielsweise in Fußbodenheizungen sowie der Gas- und Wasserversorgung eingesetzt werden. Aber auch andere Anwendungsbereiche, wie Transportkisten und rotierende Komponenten, profitieren von den signifikant verbesserten mechanischen Eigenschaften des bestrahlten PE.

PBT

Der Vorteil der Strahlenvernetzung bei PBT ist eine erheblich höhere Hitzebeständigkeit: Hierdurch sind kurzzeitige Temperaturbelastungen bis zu 400 °C möglich. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist beispielsweise die Elektroindustrie. Duroplaste lassen sich dank Strahlenvernetzung durch Thermoplaste ersetzen, woraus sich deutliche Verarbeitungsvorteile ergeben.

TPE

Die Vernetzung von thermoplastischen Elastomeren (TPO, TPC und TPA) gewinnt immer mehr an Bedeutung. Vorteile sind verbesserte Druckverformungsreste und Hot-Set-Werte. In der Kombination ergibt sich der Vorteil der einfachen Verarbeitung eines TPE mit den Eigenschaften eines Elastomers.

Polypropylen

Prinzipiell ist die Vernetzung von Polypropylen ebenfalls möglich, obwohl dieses Material eher zu Abbaureaktionen neigt. Der Erfolg der Bestrahlung hängt von der Auswahl eines geeigneten (Co-)Polymertypen in Kombination mit einem Vernetzungsbeschleuniger ab. Unsere Experten stehen Ihnen gerne zur Beratung zur Verfügung.

Polyurethane

Durch ihren chemischen Aufbau können Standard-PU-Typen durch Bestrahlung nicht vernetzt werden. Es sind jedoch modifizierte Typen erhältlich, die sich durch Bestrahlung leicht vernetzen lassen. Bitte sprechen Sie mit Ihrem Rohstofflieferanten.

Die Eigenschaftsveränderungen durch eine Strahlenvernetzung

Die Strahlenvernetzung kann in verschiedenen Polymeren ganz unterschiedlich aussehen, beziehungsweise können Eigenschaften gezielt verändert werden. Man unterscheidet zwischen folgenden Bereichen:

Thermische Eigenschaftsverbesserungen

Umtexten, Text aus PDF

Thermoplastische Materialien werden bei der Strahlenvernetzung thermoelastisch. Durch die Vernetzungsreaktion entsteht ein Netzwerk, das die Fließfähigkeit des Kunststoffs unterbindet – bei höheren Temperaturen verhält sich das Material wie ein Elastomer. Die verbesserte Temperaturbeständigkeit und die bei erhöhten Temperaturen deutlich verbesserten mechanischen Kennwerte sind wesentliche Kennzeichen der Strahlenvernetzung. Demnach fallen bei unvernetztem PA-6.6 die Moduln oberhalb der Kristallitschmelztemperatur praktisch auf Null. Dagegen gewährleisten die wesentlich höheren Moduln eines vernetzten Kunststoffes eine ausreichend hohe Festigkeit auch bei Temperaturen von mehr als 350°C. Zusätzlich verringert sich der thermische Ausdehnungskoeffizient. Ein vernetztes PA-6.6 weist einen um 20°C verbesserten Temperaturindex auf (5.000h; 60 % Abfall der Bruchdehnung).

• Verbesserung der Wärmeformbeständigkeit
• Gezielte Einstellung der Wärmedehnung (Hot-Set/Hot-Modulus)
• Verbesserung des Druck-/Zugverformungsrestes
• Erhöhung der Glühdrahtfestigkeit
• Erhöhung der Alterungsbeständigkeit

GRAFIK, Lötkolbentest, nicht das gleiche Bild wie im PDF
Dateiname: Lötkolbentest-Waermeformbestaendigkeit
Alt-Text: Darstellung eines Lötkolbentest zur Überprüfung der Wärmeformbeständigkeit nach einer Strahlenvernetzung

Mechanische Eigenschaftsverbesserungen

Umtexten, Text aus PDF

Die Strahlenvernetzung verbessert die mechanische Festigkeit verstärkter Kunststoffe schon bei Raumtemperatur. Hierzu trägt vor allem die bessere Ankopplung der Füllstoffe an die Polymermatrix bei, die durch eine Aktivierung der Grenzflächen verursacht wird. Auch die Schweißnahtfestigkeit an vibrationsgeschweißten Bauteilen sowie die Verbundfestigkeit zwischen Materialkombinationen (z.B. Polymer/Polymer und Polymer/Metall) werden durch die Strahlenvernetzung erhöht.

• Anstieg der Moduln
• Reduktion des Kaltflusses (Kriechen)
• Verbesserung der Wechsel-biegefestigkeit
• Erhöhung der Bindenaht-festigkeit
• Verbesserung des Zeitstandverhaltens unter Innendruck

GRAFIK, Faser-Matrix-Anhaftung, nicht das gleiche Bild wie im PDF
Dateiname: Faser-Matrix-Anhaftung-Strahlenvernetzung
Alt-Text: Erhöhung der Faser-Matrix-Anhaftung und Festigkeit nach einer Strahlenvernetzung

Tribologische Eigenschaftsverbesserungen

Umtexten, Text aus PDF

Ein wichtiges Auswahlkriterium für Maschinenelemente aus Kunststoff ist deren Reibungs- und Verschleißverhalten. Bei immer höheren Einsatztemperaturen von Gleitlagern und Zahnrädern verkürzen Reibung und Verschleißihre Lebensdauer. In der Regel weisen die herstellungsbedingt in der Oberfläche der Kunststoffteile erhöhten amorphen Anteile ein ungünstiges Verschleißverhalten auf. Gerade die amorphen Bereiche sind besonders gut strahlenvernetzbar, wodurch sich ihr Verschleißverhalten dramatisch verbessern lässt. Bei Polyamiden beispielsweise kann die Strahlenvernetzung die Dauereinsatztemperatur um bis zu 100 °C erhöhen und ein Aufschmelzen verhindern. Bei vernetzten Teilen aus Polyamid-6.6 lassen sich wesentlich höhere Gleitgeschwindigkeiten bei gleich-zeitig reduziertem Verschleißkoeffizienten erzielen.

• Höhere Verschleißfestigkeit
• Beständiger gegen Reibungswärme: kein Schmelzen der Gleitfläche
• Erhöhte Maßhaltigkeit
• Vielfältige Schmierungsmöglichkeit
• Höhere mechanische Belastbarkeit (übertragene Momente/Zahnräder)

Chemische Eigenschaftsverbesserungen

Umtexten, Text aus PDF

Die Vernetzung von Kunststoffen verringert die Löslichkeit bzw. die Quellung durch Lösungsmittel deutlich. Dies wird beispielsweise zur Bestimmung des Vernetzungsgrads durch den Extraktionsversuch genutzt. Der so ermittelte Gel-Wert korreliert direkt mit dem Vernetzungsgrad:  Nimmt der Vernetzungsgrad zu, sinkt gleichzeitig der Quellungsgrad. Gleichermaßen  verbessert  die  Strahlenvernetzung  die Beständigkeit gegen aggressive Medien (z. B. Bremsflüssigkeit)  und  Hydrolyse.  Dies zeigt sich beispielsweise in verbesserter Spannungsrissbeständigkeit und deutlich reduziertem Festigkeitsabfall nach Einwirkung von Lösungsmitteln.

• Verminderung der Löslichkeit
• Verbesserung des Quellverhaltens
• Erhöhung der Spannungsrissbeständigkeit
• Verbesserung der Hydrolyse- und Ölbeständigkeit

GRAFIK, Spannungsrissbeständigkeit, nicht das gleiche Bild wie im PDF
Dateiname: Spannungsrissbeständigkeit-Strahlenvernetzung
Alt-Text: Gedehnte Folie mit verbesserter Spannungsrissbeständigkeit nach einer Strahlenvernetzung

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