Kunststoff / Produktentwicklung / Produktion

Polyamide PA

Polyamide zählen zu den wichtigsten technischen Kunststoffen, die vorzugsweise im Automobilbau sowie der Elektroindustrie und der Elektronik eingesetzt werden. Die einzelnen Polyamidtypen werden allgemein durch das Kurzzeichen PA gekennzeichnet, dem mindestens eine Zahl folgt, z.B PA 6 oder PA 12 (genauere Erläuterungen siehe Aufbau).

Generelles

Aufbau

Polymeraufbau

Charakteristisch für alle Polyamide ist die Amid-Gruppe (genauer CONH-Carbonsäureamidgruppe). Polyamide werden entweder aus einem oder zwei Ausgangsstoffen hergestellt.

Herstellung aus einem Ausgangsstoff:  Kondensationspolymerisation von Aminocarbonsäuren oder ringöffnende Kettenpolymerisation von Lactamen
Beispiele: PA 6, PA 11 und PA 12

Herstellung aus zwei Ausgangsstoffen: Kondensationspolymerisation von Diaminen und Dicarbonsäuren
Beispiele: PA 46, PA 66, PA 69, PA 610 und PA 612

Bei den aliphatischen Polyamiden geben die Zahlen die Anzahl der C-Atome der Ausgangsverbindungen an. Bei einem  Ausgangsstoff eine Zahl, bei zwei Ausgangsstoffen zwei - zuerst die Anzahl der C-Atome im Diamin dann die der Carbonsäure.

Zusätzlich werden Polyamide durch eine Reihe von weiteren Zeichen entsprechend ihrer eingesetzter Monomereinheiten, charakterisiert, wie:
I: Isophthalsäure
N: 2,6-Naphthalindicarbonsäure
T: Terephthalsäure
ND: 1,6-Diamino-2,2,4-trimethylhexan
MC: 1,3-Bis(aminomethyl)cyclohexan
IND: 1,6-Diamino-2,4,4-trimethylhexan
IPD: Isophorandiamin (1-Amino-3-aminomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexan
MTD: m-Toluylendiamin
MXD: m-Xylillendiamin
MACM: 3,3´-Dimethyl-4,4´-diaminodicyclohexylmethan
PTD: p-Toluylendiamin
PAPC: 2,2-Bis(p-aminocyclohexyl)propan
PPGD: Polypropylenglykoldiamin
PBGD: Polybutylenglykoldiamin
PAPM: Diphenylmethan-4,4-diamin
PACM: Bis(p-aminocyclohexyl)methan
TMD 6-3: 2,2,4-Trimethylhexamethylendiamin und 2,4,4-Trimethylhexamethylendiamin.

Durch den Einbau von aromatischen Monomeren in die Polymere kann die Schmelztemperatur deutlich erhöht und die Wasseraufnahme verringert werden

Weiterhin sind auf dem Markt eine Reihe von Copymerisaten und Blends erhältlich.

Wasserstoffbrückenbindungen

Der starke polare Charakter der CONH-Gruppe bewirkt eine Wasserstoff-Brückenbildung zwischen benachbarten Molekülketten. Diese sind für die Zähigkeit, Temperaturformbeständigkeit und den hohen E-Modul der Polyamide verantwortlich.

Kristallinität

Aliphatische Polyamide

Aliphatische Polyamide sind teilkristalline Thermoplaste. Hierbei ist der Kristallinitätsgrad   abhängig vom Polymeraufbau und auch in erheblichem Maße von den Verarbeitungsbedingungen.

Ein schnelles Abkühlen begünstigt eine niedrige Kristallinität, eine feinkörnige Struktur sowie  hohe Zähigkeit. Umgekehrt begünstigt ein langsames Abkühlen große Sphärolithe, hohe Festigkeit, hohen E-Modul, hohe Abriebfestigkeit, und eine geringere Wasseraufnahme.

Hierbei sind Typen mit aliphatischen Segmenten zwischen den CONH-Gruppen hochkristallin, insbesondere wenn die CH2-Ketten des Diamins und der Dicarbonsäure beide geradzahlig und nicht zu verschieden lang sind.

Die Abriebfestigkeit korreliert ebenfalls, wie erwähnt, mit dem Kristallinitätsgrad. Je höher der Kristallinitätsgrad ist, je abriebfester ist das Polyamid. Zusätzlich steigt die Abriebfestigkeit mit der Anzahl der H-Brücken.

Teilaromatische Polyamide

Teilaromatische Polyamide sind je nach Momomereinheiten und Zusammensetzung amorph oder teilkristallin.

Transparente Polyamide

Zudem können durch den Einbau von aromatischen oder verzeigten Strukturen anstatt der CH2-Segmente transparente Polyamide hergestellt werden. Hierbei entstehen amorphe Polyamide oder solche mit Mikrokristallen, die ebenfalls transparente Eigenschaften besitzen.

Allgemeine Werkstoffbeschreibung

Eigenschaften

Unabhängig von ihrem strukturellen Aufbau sind die Polyamide durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
+  hohe Festigkeit, Steifigkeit und Härte
+  hohe Wärmeformbeständigkeit
+  sehr gutes, elektrisches Isoliervermögen
+  hoher Verschleißwiderstand, gute Gleit- und Notlaufeigenschaften
+  gute chemische Beständigkeit
+  wirtschaftliche Verarbeitbarkeit
-   starke Feuchtigkeitsaufnahme
    -> verändert die mechanischen Eigenschaften in großem Maße

Wasseraufnahme

Im trockenen Zustand, unmittelbar nach der thermoplastischen Verarbeitung, sind Polyamide hart und relativ spröde. Im Raumklima oder bei Wasserlagerung nehmen Polyamide Wasser auf und werden zäher und abriebfester, der E-Modul sinkt. Gleichzeitig geht die Wasseraufnahme mit Änderungen der Bauteilabmaße (Volumenzunahme) einher. Diese muss bei Konstruktionen berücksichtigt werden.

Generell gilt je höher der CH2-Anteil ist, desto niedriger ist die Wasseraufnahme.
beispielsweise Wasseraufnahme PA 6 > PA 11> PA 12

Verstärkung und Füllung

Um Eigenschaften wie die Festigkeit, den E-Modul und die  Wärmeformbeständigkeit zu erhöhen, werden Polyamide mit bis zu 50% Faserwerkstoffen verstärkt, diese sind hauptsächlich Glas- und Kohlenstofffasern. Um die Steifigkeit von Polyamiden zu erhöhen, werden diese mit Glaskugeln, Kreide, Talkum und Siliciumdioxid gefüllt. Gleichzeitig wird dadurch die Schwindung und die Verzugsneigung reduziert.

Einsatzgebiete

PA-Anwendungen (Beispiele in der Technik)

unverstärkt:
Förderschnecken, Nockenscheiben, Skibindungen, Schnappgehäuse, Schock- und schlagbeanspruchte Teile, Zahnräder, gering belastete Gleitlager, form- und dimensionsstabile Konstruktionsteile, wartungsfreie Lager und Getriebeteile unter Wasser, aromadichte Folien,  Formteile für Automobilindustrie (unter der Motorhaube), Kettenspanner, Lagergehäuse, Kupplungsteile, Formteile in der Elektrotechnik, Rohre für Flüssigkeiten, Fasern für Zahnbürsten, Präzisionsdichtungen

verstärkt:
hochbelastete Maschinenelemente, geräuscharme Getriebeeinheiten, stark beanspruchtes Bürstenmaterial, Schrauben, Hebel

Verarbeitungsverfahren

Verarbeitungsverfahren

Grundsätzlich lassen sich alle Verfahren, die für die Verarbeitung von Thermoplasten bekannt sind, auf Polyamide anwenden. Überwiegend kommen jedoch der Spritzgussprozess und das Extrusionsverfahren zum Einsatz. Große Stückzahlen mit komplexen Bauteilgeometrien werden im Spritzguss wirtschaftlich realisiert, während im Extrusionsverfahren hauptsächlich Halbzeuge hergestellt werden.

Für ungewöhnlich große Formteile oder auch kleine Stückzahlen kann auf das klassische Gussverfahren zurückgegriffen werden. Hierfür werden spezielle Gusspolyamide angeboten.

Polyamid wird ebenfalls zur Herstellung von Fasern im Schmelzespinnverfahren verarbeitet und u.a. für Kleidung, Teppiche, Seile genutzt.

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LANXESS bietet neues Polyamid 6 für Motorölwannen an

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Kapitel 6 Werkstoffauswahl

u.a. mit:

6.1  Einführung in die Werkstoffauswahl
6.2  Systematische Vorgehensweise
6.3  Hilfsmittel bei der Werkstoffauswahl
6.3.1  Datenbanken
6.3.2  Recherche
6.3.3  Praxisnahe Laborversuche

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