Kosten und Funktionalitäten von PPS bewerten

Kunststoffe mit universalen Eigenschaften

Polyphenylensulfid (PPS) bietet neben guten Basiseigenschaften wie einem hohen Flammschutz eine Vielzahl von Stellschrauben, um gezielt Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung oder Reibverhalten maßzuschneidern. Damit kommt es als Problemlöser für eine Vielzahl von Anwendungen in Frage.

Bei Hybridbauteilen wie dieser Hochvoltschiene kann PPS seine mechanische Leistungsfähigkeit ebenso ausspielen wie seine elektrischen Eigenschaften. (Bilder: Toray)

PPS bietet einige Eigenschaften, die andere Kunststoffe, aber auch Metalle, nicht erreichen. Trotz einem Kilogramm-Preis von etwa 10 Euro ist die Nachfrage laut Anbieter Toray in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Gerade in der Automobilindustrie dienen PPS-Kunststoffe als Ersatz für Metalle. Das leichte Material reduziert Gewicht und damit Treibstoffverbrauch und CO2-Emissionen, und in weiten Bereichen kann der Kunde Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit, Tribologie oder Stabilität nach seinen Bedürfnissen maßschneidern. Dabei sind auch Kombinationen dieser Eigenschaften möglich, die andere Materialien nicht bieten können.

Klare Vorteile gegenüber einfachen Polymeren
Im Vergleich zu günstigeren Polymeren weisen PPS höhere Festigkeiten und eine geringere Wärmeausdehnung auf. Zugleich sind sie beständiger gegenüber Wasser, Hydrolyse und Lösemitteln und weisen klare Vorteile bei elektrischer und thermischer Isolierung auf. Ein weiteres großes Plus von PPS ist sein „eingebauter“ Flammschutz. PPS ist von Natur aus schwer entflammbar, während andere Polymere dafür mit Additiven versehen werden müssen. Die verändern allerdings die mechanischen Eigenschaften zum Teil erheblich und haben die unangenehme Eigenschaft, dass sie von Dampf oder aggressiven Reinigungsmitteln ausgewaschen werden können. Ein anderes von Natur aus schwer entflammbares Material ist PVC, das allerdings Halogene wie Chlor enthält. Im Falle eines Brands entwickeln sich Rauchgase, die mit Löschwasser ätzende Säuren bilden. Ein sicherer Flammschutz ohne Additive, wie ihn PPS bietet, ist zum Beispiel in der Lebensmitteltechnik unabdingbar.

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Neben der Flammhemmung hat PPS weitere günstige Eigenschaften, ganz ohne weitere Optimierung. Dazu gehört ein hoher Schmelzpunkt bei rund 280°C, eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme sowie eine sehr hohe Chemikalienbeständigkeit – bei Raumtemperatur gibt es kein Lösemittel, das PPS angreifen könnte.

Im Vergleich zu andren Polymeren sind PPS erheblich beständiger gegen Wasser.

Thema Leitfähigkeit nutzen
Zu diesen Basiseigenschaften, die allen PPS-Varianten eigen sind, kommen weitere Eigenschaften, die sich je nach Anwendungsfall in weiten Bereichen anpassen lassen. Eine wurde schon erwähnt: Torelina PPS gibt es als Typen mit Lebensmittel-, Trinkwasser- und Medizintechnikfreigaben. Damit ist es eines der wenigen Materialien, die diese Zulassungen in Kombination mit einer Brandklasse nach UL94-V0 ermöglicht. Eine mögliche Anwendung sind trinkwasserführende Komponenten in Luftfahrt oder Schienenverkehr.

Eine weitere Modifikation betrifft die thermische und elektrische Leitfähigkeit. Über Zuschlagstoffe und deren Dosierung kann man die elektrische Leitfähigkeit so erhöhen, dass jeder spezifische Volumenwiderstand zwischen 1 und 1015 Ohm möglich ist. Die Funktion reicht damit von antistatisch über leitfähig und elektromagnetisch abschirmend bis zum Schutz vor elektrischen Entladungen. Damit eignet sich das Material für industrielle Instrumente in Umgebungen, die Explosionsschutz erfordern, oder für Elektronikgehäuse, die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllen müssen.

Auch bei der thermischen Leitfähigkeit gibt es einige Spielräume. Standardmäßig ist PPS mit 0,2 W/mK thermisch isolierend. Es lässt sich aber so modifizieren, dass es sich zum Einsatz in Wärmesenken, etwa für Elektronikbausteine oder LED-Technik, eignet. Eine Einschränkung gibt es allerdings: Eine hohe Wärmeleitfähigkeit schließt ab einem bestimmten Wert eine elektrisch isolierende Wirkung aus.

Auch die elektrischen Eigenschaften von PPS sind in einem breiten Fenster einstellbar und ermöglichen so die Integration von Funktionen

Eine wichtige Eigenschaft eines jeden Materials ist seine Formstabilität bei Temperaturschwankungen. So drehen sich zum Beispiel in Automobilvakuumpumpen oft Flügel aus PPS in einem Gehäuse aus Aluminium. Da die Vakuumpumpe in einem weiten Temperaturbereich von -40 bis 150 °C arbeiten und möglichst effektiv sein soll, werden die Spaltmaße so gewählt, dass die Teile bei der höchsten Temperatur gerade nicht klemmen. Durch die stärkere Kontraktion des Kunststoffes beim Abkühlen vergrößert sich aber das Spaltmaß, die Leistung der Pumpe sinkt. Die thermische Ausdehnung von Flügelmaterial und Alugehäuse sollte also möglichst ähnlich sein. Das gilt noch verschärft für Hybridteile, in denen der Kunststoff um Metall gespritzt wird, etwa der Stator eines Elektromotors oder Leadframes. Geeignete Modifikationen können die Lebensdauer einer Komponente erheblich steigern. In hochgefüllten Torelina-Varianten sind thermische Ausdehnungen realisierbar, die mit der von Druckgussaluminium vergleichbar sind. Kohlefasern mit ihren negativen Ausdehnungskoeffizienten können dafür sorgen, dass die Ausdehnung in Faserrichtung teilweise kompensiert wird. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Wärmedehnung von gefüllten Kunststoffen meistens abhängig von der Fließrichtung beim Spritzgießen, also anisotrop, ist.

Darüber hinaus gibt es viele weitere Möglichkeiten, PPS zu modifizieren, etwa um das tribologische Verhalten und den Verschleiß zu verbessern. Das ist möglich mit Compounds aus PPS und PTFE-Füllstoffen oder Kohlefasern.

Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig
Trotz dieser vielen Vorteile ist der Erfolg von PPS kein Selbstläufer. Zwar sind die positiven Eigenschaften dieser Kunststoffe den Entwicklungsabteilungen großer Unternehmen bekannt, doch der Wechsel zu PPS passiert oft nur zögerlich. Häufig wird zum Beispiel Metall eingesetzt, weil es die Anforderungen erfüllt, ohne dass allerdings genau bekannt ist, welche Eigenschaften des Metalls dafür verantwortlich sind. Doch mit immer detaillierteren Anforderungsprofilen und dem Wunsch nach Gewichtsersparnis steigt auch die Nachfrage nach maßgeschneiderten Materialien. PPS ist dafür die ideale Basis, und zudem oftmals günstiger als Metall.

Ein Beispiel: Die Abgasrückführung eines modernen Verbrennungsmotors besteht aus einem Kunststoffrohr und einem Gummiadapter. Letzterer ist nötig, weil das Rohr starr ist und beim Schütteln des Motors besonders beim Anlassen Schäden verursachen würde. Der Gummi sorgt für die nötige Flexibilität. Statt zwei Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammenzubauen, wäre es wünschenswert, nur ein Bauteil zu verwenden, das alle Anforderungen – sowohl an die Flexibilität als auch an die Temperaturbeständigkeit – erfüllt.

Derzeit entwickelt Toray ein Material für solche flexiblen Abgasrückführungsrohre. Dazu wird ein neues Fertigungsverfahren namens Nanoalloy angewandt. Wie der Name schon andeutet handelt es sich dabei um Legierungen, in diesem Fall aber nicht von Metallen, sondern von Kunststoffen. Bei dem Verfahren werden zwei Polymere mechanisch vermischt, wobei der massemäßig größere Anteil die Matrix beziehungsweise die kontinuierliche Phase bildet. In diese lagern sich nanometerkleine Partikel des massemäßig geringeren Polymers an. Im Beispiel des Abgasrückführungsrohrs besteht die Matrix aus PPS, das Partnermaterial ist ein anderes Polymer. Die gezielte Steuerung der Partikelgröße im Nanometerbereich ermöglicht zum einen die Eigenschaftskombination und verhindert zum anderen, dass sich die beiden Phasen beim Spritzgießen wieder entmischen.

Als großen Vorteil von Nanoalloy wird genannt, dass sich damit Eigenschaften kombinieren lassen, die andere Werkstoffe nicht bieten können, im Beispiel Elastizität und Temperaturfestigkeit. Neben einer hohen Elastizität weisen Nanoalloy-Materialien eine sehr hohe Schlagzähigkeit auf, weshalb sie unter anderem auch für Crashelemente im Fahrzeug eingesetzt werden.


Wildern bei Metallen
Drei Fragen an Kai Becker, Business Development Manager, Toray Resins Europe.

Kai Becker, Business Development Manager, Toray Resins Europe

Polyphenylensulfid gibt es schon seit dem 19. Jahrhundert. Was treibt die aktuelle Marktentwicklung?
PPS war in den 1970ern schon mal ein Thema, als man es erstmals großtechnisch herstellen konnte. Die Eigenschaften waren überzeugend, aber der Preis hoch. Deshalb verloren die Anwender ein wenig das Interesse und bauten vieles aus Metall, dessen Eigenschaften sie gut im Griff hatten. Damals war Gewichtseinsparung kein Thema. Das ist heute anders, vor allem in der Automobilindustrie. Dort spielt PPS eine immer größere Rolle als Metallersatz.

Welche Fragen haben Kunden, wenn Sie über Polyphenylensulfid sprechen?
In der Regel wollen Kunden erst einmal wissen, was PPS kann, um den hohen Preis zu rechtfertigen. Denn der Polymerpreis von PPS liegt ein Mehrfaches über dem etwa von Polypropylen. Dafür ist PPS sehr vielseitig modifizierbar: Es kann teilweise sogar Eigenschaften eines Metalls annehmen, behält aber dennoch die Eigenschaft eines Polymers, etwa, dass man es Spritzgießen kann und dass es eine große Freiheit beim Design erlaubt. Ideal ist, wenn der Kunde - zum Beispiel ein großer Automobilzulieferer - weiß, für welche Anwendung er es haben möchte. Häufiger ist aber, dass wir erklären müssen, was das Material kann und dann überlegt man sich gemeinsam mögliche Anwendungen.

Wie wird sich der Markt für PPS entwickeln?
Der Markt wächst und Toray profitiert davon. Als einziges Unternehmen weltweit können wir alle Polymerstrukturen selbst im Haus herstellen, außerdem Folien, Fasern und Spritzguss. Darüber hinaus gibt es Compoundeure, die Spezialmischungen für spezielle Einsatzzwecke mischen und die ein breites Portfolio haben. Derzeit gräbt PPS vor allem Metallen Marktanteile ab. Allerdings wird PPS wiederum Marktanteile an andere Polymersorten verlieren, denn auch deren Entwicklung bleibt ja nicht stehen.

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