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CARL HANSER VERLAG Walter Hellerich, Günther Harsch, Siegfried Haenle Werkstoff-Führer Kunststoffe Eigenschaften - Prüfungen - Kennwerte 3-446-21437-2 www.hanser.de

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CARL HANSER VERLAG

Walter Hellerich, Günther Harsch, Siegfried Haenle

Werkstoff-Führer Kunststoffe Eigenschaften - Prüfungen - Kennwerte

3-446-21437-2

www.hanser.de

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11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatzbei hoheren Temperaturen(Hochleistungskunststoffe)

�blicherweise wird bei thermoplastischen Kunststoffen durch den Einbauvon Benzolringen in die Molekulkette eine Warmebestandigkeit bis rd.130 �C erreicht, z. B. bei PC, PET/PBT. Die Grenztemperaturen fur denEinsatz von duroplastischen Kunststoffen liegen bei rd. 150 �C. FluorhaltigeKunststoffe konnen zwar bei viel hoheren Temperaturen beansprucht wer-den, eignen sich jedoch wegen der niedrigen Festigkeit und Steifigkeit unddes starken Kriechens unter Belastung nicht als Konstruktionskunststoffe.Eine weitere Erhohung der Temperatureinsatzgrenzen von Kunststoffenwird erreicht durch enge Verknupfung von Benzolringen uber Sauerstoff-atome, Sulfongruppen oder Schwefelatome.

Grundbausteine solcher Systeme:

Beispiele dazu siehe bei Polyarylsulfonen PSU/PES (Kap. 11.1) und Poly-phenylensulfid PPS (s. Kap. 11.2). Bei den Polyimiden (s. Kap. 11.3) wirdeine weitere Steigerung der Warmeformbestandigkeit erreicht durch engverknupfte Strukturen von Benzolringen und stickstoffhaltigen Ringsyste-men. Derartige Strukturen bewirken eine Versteifung der Ketten, wodurchdie Schmelzbereiche dieser Kunststoffe stark erhoht und dadurch die Verar-beitbarkeit erschwert wird. Nach diesem Prinzip konnen auch vernetzte, du-roplastische Kunststoffe (Polyimide) hergestellt werden.

Eine neuere Entwicklung stellen Cycloolefin-Copolymerisate dar; es werdendabei cyclische (ringformige) und offenkettige Olefine mit Hilfe von Metall-ocenen (metallorganische Katalysatoren) copolymerisiert. Man erhalt (trans-parente) Kunststoffe mit hoher Festigkeit und hoher Gebrauchstemperaturmit breitem Anwendungsspektrum, siehe auch Kapitel 10.1 und Tabelle 10.2.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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Zusatzlich kann auch bei diesen Kunststoffen die Warmeformbestandigkeitdurch Zugabe von Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern weiter verbessertwerden (siehe auch Kapitel 13). Eine extrem hohe Temperaturbeanspruch-barkeit erreichen die Aramide, die aber vorwiegend als Fasern oder Gewebezu Verstarkungszwecken, fur Feuerschutzbekleidung im Austausch zu Asbestund fur schußsichere Bekleidung verwendet werden. Diese Aramidfasern(Kevlar von DuPont, Twaron von Nippon Aramid) schmelzen nicht, sondernverkohlen nur in der Flamme.

Bei Polycarbonaten besteht die Moglichkeit, durch teilweisen Ersatz derKohlensaure durch Terephthalsaure die Warmeformbestandigkeit weiter zuerhohen (aromatische Copolyester APE), z. B. Apec von Bayer (siehe auchKap. 10.9 Polycarbonat-Spezialsorten).

11.1 Polyarylsulfone PSU, PES

Aufbau:

Handelsnamen (Beispiele):

PSU: Udel (BP-Amoco); Ultrason S (BASF)

PES: Radel (BP-Amoco); Ultrason E (BASF)

& EigenschaftenDichte: PSU 1,24 g/cm3; PES 1,37 g/cm3.

Gefuge: Amorphe, polare Thermoplaste; teilweise Neigung zur Wasserauf-nahme.

Verstarkungsstoffe: Glas- und Kohlenstoff-Fasern; Graphit und Fluorpoly-mere fur verbesserte Gleiteigenschaften.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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Farbe: Durchsichtig, z. T. glasklar; in verschiedenen Farben gedeckt undtransparent einfarbbar.

Mechanische Eigenschaften: Hohe Festigkeit, gute Steifigkeit; geringeKriechneigung auch bei hoheren Temperaturen bis 180 �C, verstarkt bis220 �C. Gute Zahigkeit, auch bei tiefen Temperaturen bis –100 �C; teilweisekerbempfindlich. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Fa-serverstarkung. Hohe Dimensionsstabilitat und geringe Kriechneigung.

Elektrische Eigenschaften: Fur polare Kunststoffe gute elektrische Isolierei-genschaften und geringe dielektrische Verluste, auch bei hoheren Tempera-turen und hoherer Feuchtigkeit; dielektrische Eigenschaften wenig veran-dert bis 200 �C.

Thermische Eigenschaften (siehe Tabelle 11.1): Ausgezeichnete thermischeStabilitat. Kleiner linearer Langenausdehnungskoeffizient.

Schwer entflammbar, teilweise selbstverloschend, geringe Rauchentwick-lung. PES ohne Brandschutzausrustung schwer entflammbar.

Tab. 11.1 Einsatztemperaturbereiche fur Polyarylsulfone

untereEinsatztemperatur

�C

Dauergebrauchs-temperatur

�C

kurzzeitig bis

�C

PSU –70 bis –100 150 bis 170 200

PES –70 bis –100 200 260

Bestandig gegen (Auswahl): Verdunnte Sauren, Laugen; Benzin, Ele, Fette;Alkohole; PSU gegen heißes Wasser und Dampf. Gute Bestandigkeit gegenenergiereiche Strahlung und Infrarotstrahlen.

Nicht bestandig gegen (Auswahl): Polare organische Losemittel, Ester, Ke-tone, aromatische und chlorhaltige Kohlenwasserstoffe; Benzol. PES ohneStabilisierung nicht UV- und witterungsbestandig.

Physiologisches Verhalten: Physiologisch unbedenklich.

Spannungsrißbildung: Spannungsrißbildung in einigen Medien moglich.

& VerarbeitungVortrocknen: 3 h bis 4 h bei 135 �C bis 150 �C, vor allem bei PES.

Spritzgießen: Spritzgießen von trockenem Granulat auf Schneckenspritz-gießmaschinen. Verarbeitungstemperaturen siehe Tabelle 11.2. Bei PES star-ke Scherung vermeiden, daher niedrige Schneckendrehzahl und nicht zu ho-he Einspritzgeschwindigkeit.

11.1 Polyarylsulfone PSU, PES

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Tab. 11.2 Verarbeitungsbedingungen fur Polyarylsulfone

Masse-temperatur

�C

Werkzeug-temperatur

�C

Spritzdruck

bar

Verarbeitungs-schwindung

%

PSU 310 bis 390 95 bis 115 bis 1500 0,7 bis 0,8

PES 340 bis 390 120 bis 160 bis 1500 0,6

Besonderheiten: Trennmittel vermeiden. Zum Spannungsabbau und zur Er-zielung bester mechanischer und chemischer Eigenschaften nachtraglichtempern bei 165 �C (5 min im Glyzerinbad, 5 h in Luft). Angußkanale sokurz und groß wie moglich.

Extrudieren: Extrudieren von Tafeln, Folien, Rohren, Profilen und Draht-ummantelungen mit hoherviskosen PSU-Typen; auch Extrusionsblasformenvon Hohlkorpern.

Warmumformen: Warmumformen nach allen gebrauchlichen Verfahrenmoglich. Temperaturen liegen wegen hoher Warmeformbestandigkeit zwi-schen 200 �C und 250 �C.

Kleben: PSU: Mit Losemitteln, z. B. Dichlormethan mit 5 % Polysulfonzu-satz. PES: Mit Losemitteln, z. B. Dichlormethan oder N-Methyl-2-Pyrollidon(NMP), ggf. mit Zusatz bis zu 15 % PES. Fur beide Kunststoffe auch verkle-ben untereinander und Metallen moglich mit Epoxidharz- und Silicon-Kleb-stoffen.

Schweißen: Ultraschallschweißen gunstigstes Schweißverfahren; auch Ein-betten von Metallteilen durch Ultraschall.

Verschrauben: Verbinden mit gewindeformenden Schrauben.

Spanen: Spanen mit ublichen Werkzeugen fur die Kunststoffbearbeitung,bei PSU ohne Schmierung und Kuhlung. Polieren gut moglich.

Besondere Verfahren: Oberflachenbehandlungen durch Bedrucken, Metall-isieren im Vakuum. Galvanisieren nach entsprechender Vorbehandlungdurchfuhrbar.

& AnwendungsbeispieleFur mechanisch, thermisch und elektrisch hochbeanspruchte Konstruktions-teile, vor allem, wenn auch Durchsichtigkeit verlangt ist.

Feinwerktechnik/Mechatronic, Elektrotechnik: Schalterteile, Relaisteile, Spu-lenkorper, elektronische Bauteile fur SMD-Technik, gedruckte Schaltungen,Draht- und Kabelisolierungen; farbige Kontroll-Leuchten, Steckverbinder,

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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Kondensatorfolien (PES). Gehause. Zahnrader und Gleitelemente in hydro-lisierender und aggressiver Umgebung bei hoher Maßhaltigkeit.

Fahrzeugindustrie: Bauteile im Motorraum, fur Fahrzeugheizungen; Getrie-beteile; Lampenfassungen, Gehause. Verkleidungen und Innenausstattungenim Flugzeugbau wegen geringer Rauchgasentwicklung.

Haushaltgerate: Teile fur Bugeleisen, Haartrockner, Heizgeblase, Kaffeema-schinen, Heißwasserbehalter, Eierkocher; Armaturen; Mikrowellengeschirr.Beleuchtungszubehorteile.

Sonstiges: PSU fur Folien fur Tageslichtprojektoren; Spiegelelemente furLampen, Reflektoren fur Diaprojektoren; durchsichtige Teile fur medizini-sche Gerate, Pinzetten; Laborgerate; Schnappverbindungen. GMT-Plattenfur Raumfahrzeuge. Membranen in der Medizin- und Lebensmitteltechniksowie in der Wasseraufbereitung.

& SondertypenCopolymerisate aus PSU und PES mit gegenuber PSU erhohter Warme-formbestandigkeit und gegenuber PES verminderter Wasseraufnahme.

11.2 Polyphenylensulfid PPS

Aufbau:

Handelsnamen: Fortron (Ticona); Primef (Solvay); Ryton (Phillips), Supec(GEP); Tedur (Albis)

& EigenschaftenDichte: 1,34 g/cm3; gefullt bis 1,90 g/cm3.

Gefuge: Teilkristalliner, unpolarer Kunststoff mit sehr geringer Wasserauf-nahme.

Verstarkungsstoffe: PPS wird praktisch nur verstarkt eingesetzt, außer zurUmhullung von Halbleiterbauelementen und fur biaxial gereckte Folien.Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern (bis zu 70 Vol.-% Fasergehalt); mine-ralische Pulver; Glasmatten (GMT).

Farbe: Dunkelbraun; fur Beschichtungen stehen auch Pulver mit hellbeigerEigenfarbe zur Verfugung.

Mechanische Eigenschaften: PPS wird nur verstarkt eingesetzt und erhaltdann sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit, auch bei hohen Temperaturen bei

11.2 Polyphenylensulfid PPS

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allerdings geringer Zahigkeit. Sehr geringe Kriechneigung. Gute Abrieb-festigkeit. Die Festigkeit fallt oberhalb rd. 90 �C (Glasubergangstemperatur)deutlich ab, hat aber trotzdem uber 90 �C wegen der Faserverstarkung nochein sehr hohes Niveau. PPS-Formteile „klirren“ beim Fallen wie Metallkon-struktionen.

Elektrische Eigenschaften: Sehr gute Isoliereigenschaften, sehr geringe di-elektrische Verluste.

Thermische Eigenschaften: Einsatztemperaturen bis +240 �C, kurzzeitig bis300 �C.

PPS ist schwer brennbar, selbstverloschend und tropft nicht ab.

Kristallitschmelztemperatur Tm: 280 �C bis 288 �C.

Bestandig gegen (Auswahl): Besonders hohe Bestandigkeit gegen Chemi-kalien; bis 200 �C kein Losemittel bekannt. Konz. Natronlauge, konz. Salz-und Schwefelsaure, verdunnte Salpetersaure. Gute Hydrolysebestandig-keit.

Nicht bestandig gegen (Auswahl): Konz. Salpetersaure. Nicht UV-bestandigan der Oberflache, jedoch kaum Festigkeitseinbuße.

Physiologisches Verhalten: Physiologisch unbedenklich.

& VerarbeitungVortrocknen zweckmaßig mit Umluft bei 150 �C bis 170 �C.

Spritzgießen: Spritzgießen auf Schneckenspritzgießmaschinen mit Ver-schlußduse. Massetemperaturen 300 �C bis 360 �C, meist 315 �C bis 385 �C.Werkzeugtemperaturen moglichst uber 130 �C; bei 140 �C ergibt sich hoch-ste Warmeformbestandigkeit. Spritzdrucke 750 bar bis 1500 bar. Verarbei-tungsschwindung GF-verstarkt 0,15 % bis 0,3 %.

Formpressen von GMT nach der SMC-Technik moglich bei Temperaturen20 K uber der Schmelztemperatur von 285 �C mit schnellem Schließen desWerkzeugs (Werkzeugtemperaturen 130 �C).

Kleben mit Acrylat- und Epoxidharzklebstoffen gibt gute Festigkeiten.

Schweißen am besten mit Ultraschall.

Spanen gut moglich, bei glasfaserverstarkten Typen mit Hartmetallwerkzeu-gen. Schnittbedingungen ahnlich wie bei Metallen. Schleifen und Polierenmoglich.

Besonderes Verfahren: Beschichtung mit PPS durch Wirbelsintern und Auf-spritzen von Pulvern oder Dispersionen auf kalte oder heiße Oberflachen(370 �C bis 400 �C). Nachheizen bei 370 �C fur glanzende Oberflachen not-wendig.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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& AnwendungsbeispieleMechanisch, thermisch, elektrisch und chemisch sehr hoch beanspruchteFormteile mit hoher Formgenauigkeit im chemischen und allgemeinen Ap-paratebau, in der Elektrotechnik und Elektronik, auch bei sehr kleinenWanddicken von 0,25 mm. Haufig als Ersatz fur Leichtmetalle, Duroplasteund Keramik.

Elektrotechnik, Elektronik, Feinwerktechnik/Mechatronic: Isolationsteile,Kohleburstenhalter, Gehause, Steckverbinder, Sockel, Chiptrager, Fassun-gen, Spulenkorper, gedruckte Schaltungen, Kontaktumhullungen (haltSchwallbadlotungen bis 260 �C stand); unverstarkt als Einbettmassen furHalbleiterbauelemente und IC, da sehr dunnflussig. Lichtschachte fur Pro-jektoren, Platinen fur elektronische Uhren; Reflektoren in der Beleuch-tungsindustrie.

Apparatebau: Heißwasserzahlerteile, Pumpenteile, Dichtelemente, Installa-tionsteile und Ventile fur besondere chemische Anforderungen, z. T. imAustausch zu Metallen. Bauteile fur Warmeaustauscher und Naßwascher.Sterilisiergerate im medizinischen Bereich.

Fahrzeugbau: Technische Teile mit hoher Formstabilitat im Motorraum beihohen Temperaturen und Anwesenheit von El, Benzin, Hydraulikol undKuhlflussigkeit; Kraftstoffeinspritzanlagen, Pumpenanlagen, Vergaserteile;Lampenfassungen, Gehause, Scheinwerfer-Reflektoren.

Haushaltgerate: Griffleisten fur Herde und Gerate mit hoher Warmeent-wicklung; Antihaftbeschichtungen aus niedermolekularem PPS.

Sonstiges: Biaxial gereckte und thermofixierte Folien, z. B. als hochwar-mebestandige Kondensatorfolien; flexible Leiterbahnen und Bander furDatenspeicher. Durch einen Spinnprozeß erzeugte Fasern fur Filter undSiebe.

11.3 Polyimide PI, (PMI), PEI, PAI

Aufbau:

11.3 Polyimide PI, (PMI), PEI, PAI

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Handelsnamen (Auswahl):

Polyetherimid PEI: Ultem (GEP)

Polybismaleinimid (PMI): Kerimid, Matrimid, Rhodeftal (Vantico)

Polyamidimid PAI: Torlon (DSM)

PI-Folie: Kapton (DuPont)

PI-Halbzeug: Vespel (DuPont)

Normung:

DIN 65498 Halbzeuge und Formteile aus PEI

& EigenschaftenDichte: PI: 1,43 g/cm3; (PMI): 1,4 g/cm3; PEI: 1,27 g/cm3; PAI: 1,38 g/cm3;

gefullt liegen die Dichten zwischen 1,33 g/cm3 und 1,9 g/cm3.

Gefuge: Je nach Aufbau vernetzt oder linear, amorph. Geringe Wasserauf-nahme.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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Verstarkungsstoffe: Glas-, Kohlenstoff- und Metallfasern (Whisker); Grafit,Molybdandisulfid, PTFE, Bronzepulver.

Farbe: Meist dunkel gedeckt; PEI auch bernsteinfarbig transparent; PI-Foliedurchsichtig gelbbraun. PEI/Polyester-Blend lichtdurchlassig und farbig ein-farbbar.

Mechanische Eigenschaften: Hohe Festigkeit, Steifigkeit und Harte bei aller-dings geringer Zahigkeit. Gute dynamische Festigkeit und sehr gutes Zeit-standverhalten. Gunstige Abrieb- und Reibungseigenschaften auch beihoheren Temperaturen. Weitere Verbesserung der mechanischen Eigen-schaften durch Glas-, Kohlenstoff- und Metallfaserverstarkungen. Verbesse-rung der Gleiteigenschaften durch Grafit-, Molybdandisulfid- und Bronze-fullungen.

Elektrische Eigenschaften: Ausgezeichnete elektrische Widerstandswerteauch bei hohen Temperaturen. Sehr geringe dielektrische Verluste.

Thermische Eigenschaften: Sehr weiter Einsatztemperaturbereich; PI von–240 �C bis +260�C, kurzzeitig bis 400�C; PEI, PAI je nach Type bis 260 �C,kurzzeitig bis +350�C. Sehr geringe Warmeausdehnung, z. T. in der Großen-ordnung von Metallen, vor allem bei gefullten Typen.

Flammwidrig und teilweise nicht schmelzbar, geringe Rauchgasentwick-lung.

Bestandig gegen (Auswahl): Aliphatische und aromatische Losemittel,Ether, Ester, Alkohole; Hydraulikflussigkeiten, Kerosin; verdunnte Sauren.Energiereiche Strahlung beeinflußt die mechanischen und elektrischenEigenschaften sehr wenig.

Nicht bestandig gegen (Auswahl): Starke Sauren und Laugen, waßrige Am-moniaklosungen. PI nicht bestandig gegen heißes Wasser und schlechte Wit-terungsbestandigkeit.

& VerarbeitungBei PI (Vespel) ist die Verarbeitung zu Formteilen nur vom Rohstoffherstel-ler durchfuhrbar oder es muß spanend aus Halbzeug gefertigt werden.

Spritzgießen bevorzugt durchgefuhrt fur PEI: Zunachst vortrocknen 4 Stun-den bei 150 �C. Massetemperatur 340 �C bis 425 �C, optimal bei 360 �C.Spritzdrucke 800 bar bis 2000 bar. Werkzeugtemperatur 65 �C bis 175 �C.Verarbeitungsschwindung 0,5 % bis 0,7 %, gefullt 0,2 % bis 0,4 %.

PAI: Vortrocknen 16 h bei 150 �C oder 8 Stunden bei 180 �C. Massetempe-ratur 340 �C bis 360 �C, Werkzeugtemperatur rd. 230 �C. Polybismaleinimidwird mit Werkzeugtemperaturen von rd. 220 �C bis 240 �C spritzgegossenoder gepreßt.

11.3 Polyimide PI, (PMI), PEI, PAI

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Pressen von Formmassen aus PI bei Werkzeugtemperaturen 220 �C bis260 �C. Preßdrucke 100 bar bis 300 bar. Preßzeit 2 bis 4 min je mm Wand-dicke. Schwindung glasfaserverstarkt 0,1 % bis 0,2 %.

Pressen von Prepregs: Verarbeiten von PI-Prepregs durch Pressen nach be-stimmtem Zeit-Temperatur-Plan.

Nachbehandlung von spritzgegossenen und gepreßten Formteilen zum Er-reichen hochster Warmeformbestandigkeit 24 h bei 250 �C.

Preßsintern von kalten PI-Formmassen bei sehr hohen Drucken zu Formtei-len oder Halbzeugen mit anschließendem Nachharten nach einem bestimm-ten Zeit-Temperatur-Programm.

Kleben von Polyimidteilen untereinander und mit anderen Kunststoffen,Metallen und Elastomeren moglich mit Phenolharz- und Epoxidharzkleb-stoffen.

Aufrauhen und reinigen der Oberflachen notwendig. Fur Einsatztemperatu-ren uber 250 �C sind spezielle Polyimidklebstoffe notwendig.

Spanen moglich, bei manchen Typen die einzige Moglichkeit Formteile ausHalbzeugen herzustellen.

& AnwendungsbeispieleFormteile, bei denen gleitende Reibung ohne Schmierung auch bei hoherenTemperaturen auftritt und bei denen gleichzeitig gute mechanische, ther-mische und elektrische Eigenschaften verlangt sind; z. B. Zahnrader, hoch-beanspruchte Gleitelemente in der Raumfahrt (Strahlungsbestandigkeit!),Datenverarbeitung, Elektro- und Elektronikindustrie (Bauteile fur hohe Ein-satztemperaturen), sowie in Kernanlagen (Strahlungsbestandigkeit) und inder Hochvakuumtechnik wegen geringer Gasabgabe fur Dichtelemente, Ver-schlußplatten, Lagerbuchsen usw.

Einrichtungs- und Innenteile in Flugzeugen; Bauteile im Motorraum vonKraftfahrzeugen.

PEI/Polyesterblend im Lebensmittelbereich fur transparentes Mikrowellen-geschirr und im Mikrowellenbereich eingesetzte Leiterplatten.

In Folienform beste Isolation fur Elektromotoren, Kondensatoren, Transfor-matoren und gedruckte Schaltungen.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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11.4 Polyaryletherketone PAEK (PEK, PEEK)

Aufbau:

Handelsnamen:

PEK: Victrex PEK (Victrex)

PEEK: Victrex PEEK (Victrex)

& Eigenschaften von PEEKDichte: PEEK amorph: 1,265 g/cm3; teilkristallin 1,32 g/cm3; gefullt bis1,49 g/cm3.

Gefuge: amorph oder teilkristallin. Geringe Wasseraufnahme.

Verstarkungsstoffe: Glas- und Kohlenstoff-Fasern.

Farbe: Amorph, als Folie hochtransparent, sonst meist gedeckt eingefarbt.

Mechanische Eigenschaften: Hohe Zug- und Biegefestigkeit, fast unveran-dert bis Glasubergangstemperatur Tg = +143 �C, hohe Steifigkeit. HoheSchlagzahigkeit und hohe dynamische Beanspruchbarkeit. Zah und abrieb-fest bis 250 �C. Gute Maßhaltigkeit.

Elektrische Eigenschaften: Gute elektrische Isoliereigenschaften, auch beihoheren Temperaturen. Geringe dielektrische Verluste, fast unabhangig vonder Frequenz.

Thermische Eigenschaften: Einsetzbar bis 250 �C, kurzeitig bis 300 �C.

Kristallitschmelztemperatur Tm: 334 �C bzw. 381 �C.

Schwer entflammbar; geringste Rauchentwicklung aller Thermoplaste imBrandfall.

Bestandig gegen (Auswahl) fast alle organischen und anorganischen Chemi-kalien. Hydrolysebestandig bis 280 �C. Hohe Bestandigkeit gegen energie-reiche Strahlung, besonders bei glasfaserverstarkten Typen.

Nicht bestandig gegen (Auswahl): Konz. Salpetersaure, einige Halogenkoh-lenwasserstoffe.

Losemittel: Konzentrierte Schwefelsaure.

Nicht UV-bestandig (Verbesserung durch Ruß oder Lackieren).

Spannungsrißbildung:Hohe Spannungsrißbestandigkeit außer gegenAceton.

11.4 Polyaryletherketone PAEK (PEK, PEEK)

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& VerarbeitungSpritzgießen: Vortrocknen 4 h bei 160 �C. Massetemperatur unverstarkt350�C bis 380 �C, verstarkt 370 �C bis 400 �C. Werkzeugtemperatur 150 �Cbis 180 �C. Verarbeitungsschwindung unverstarkt 1 %, verstarkt 0,1 % bis0,4 %.

Kleben nach mechanischem oder chemischem Aufrauhen mit Epoxidharz-und Cyanacrylat-Klebstoffen gut moglich.

Schweißen wegen hoher Schmelztemperatur von 334 �C meist nur mit Ultra-schall- und Reibungsschweißen, dabei hohe Anpreßdrucke erforderlich.

Spanen von verstarktem und unverstarktem Halbzeug ublich. Schalfolienherstellbar.

Besondere Verfahren: Wirbelsintern, elektrostatisches Pulverbeschichten furzahe und hochwertige, korrosions- und abriebfeste Oberflachen auf Metall-und Keramikteilen, z. B. im chemischen Apparatebau. Rotationsgießen, Lak-kieren, Metallisieren im Hochvakuum.

& AnwendungsbeispieleDurch außergewohnliche mechanische, thermische und chemische Eigen-schaften Einsatz vor allem in Luft- und Raumfahrt, Elektronik- und Auto-mobilindustrie vielfach als Ersatz fur Metallteile.

Draht- und Kabelummantelungen, Steckverbinder, Leiterplatten; Teile furHeißwasserzahler, Pumpenlaufrader; Gleitlager; Hitzeschutzschilde; Ku-chenherdteile; Filamente zur Herstellung chemisch und thermisch wider-standsfahiger Filter- und Transportgewebe. Medizinische Instrumente undanalytische Gerate wegen guter Sterilisierbarkeit, Strahlen- und Hydrolyse-bestandigkeit.

11.5 Polyphtalamid (PPA)

Polyphthalamide sind eine neue Kunststoffgruppe; es handelt sich umteilkristalline Superpolyamide auf der Basis Terephthal- und/oder Iso-phthalsaure. Diese Kunststoffe werden praktisch nur gefullt/verstarkt ein-gesetzt; sie schließen im Preis/Leistungsverhaltnis die Lucke zwischen denbekannten technischen Kunststoffen PA, PC, PET/PBT, POM einerseitsund den teureren Hochleistungskunststoffen PPS, PEI und LCP anderer-seits.

Aufbau: Hauptbestandteile sind Hexamethylendiamin HMDA, Terephthal-saure und/oder Isophthalsaure.

Handelsname: Amodel (BP-Amoco)

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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& EigenschaftenDichte: GF-gefullt: 1,46 g/cm3 (33 % GF) bis 1,56 g/cm3 (45 % GF); GF/MD-gefullt bis 1,78 g/cm3 (65 %).

Gefuge: Teilkristalliner Thermoplast mit geringer und langsamer Feuchte-aufnahme; wenig Einfluß des Feuchtegehalts auf die mechanischen Eigen-schaften. Auch schlagzah modifizierte Typen erhaltlich.

Verstarkungsstoffe: PPA wird praktisch nur verstarkt eingesetzt (Glasfasernund Mineralmehle bis zu 65 %).

Farbe: beliebig einfarbbar.

Mechanische Eigenschaften: PPA wird nur verstarkt eingesetzt und erhaltdann sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit, auch bei hohen Temperaturen,bei allerdings geringer Zahigkeit. Sehr geringe Kriechneigung. Hervorragen-de Ermudungsfestigkeit. Sehr gutes Verschleißverhalten.

Elektrische Eigenschaften: Sehr gute Isoliereigenschaften, geringe dielektri-sche Verluste. Kriechstromfestigkeit >500 V.

Thermische Eigenschaften: Einsatztemperaturen bis +185 �C, kurzzeitig ho-her; Dauereinsatztemperatur bis 140 �C; dampfphasen- und infrarotlotbar.Hohe Dimensionsstabilitat. Sehr gute Temperaturwechselfestigkeit.

PPA-Standardtypen haben UL94HB, FR-Typen erreichen bei 0,8 mm UL94V-0.

Kristallitschmelztemperatur Tm: 310 �C; Glasubergangstemperatur Tg: 127 �C.

Bestandig gegen (Auswahl): Sehr gute chemische Bestandigkeit, besser alsdie Polyamide PA 6, PA 66 und PA 46, aber schlechter als die vollaromati-schen Polyamide wie z. B. Kevlar. Bestandig gegen die meisten organischenLosemittel und Kraftfahrzeugflussigkeiten.

Nicht bestandig gegen (Auswahl): Phenole und sehr starke Sauren.

Physiologisches Verhalten: geeignet fur Trinkwasseranwendungen; zugelas-sen nach NSF Standard 14 – Plastics, Piping components and related materi-als und ANSI/NSF Standard 61 Health effects requirements.

& VerarbeitungVortrocknen 4 Stunden bei 120 �C, wenn notwendig.

Spritzgießen auf normalen Schneckenspritzgießmaschinen. Massetemperatu-ren 320 �C bis 345 �C. Werkzeugtemperaturen mindestens 135 �C fur hoch-ste Kristallinitat und Dimensionsstabilitat, ca. 145 �C fur optimale Oberfla-chenqualitat. Verarbeitungsschwindung verstarkt/gefullt bis 0,8 %. Tempernca. 2 Stunden bei 160 �C moglich.

Kleben moglich. Hersteller bietet Auswahl an getesteten Klebstoffen an.

11.5 Polyphtalamid (PPA)

163

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Schweißen gut moglich nach den ublichen Verfahren, z. B. Reibungs- oderUltraschallschweißen.

Spanen gut moglich, am besten mit Hartmetallwerkzeugen. Schnittbedin-gungen ahnlich wie bei Aluminium.

& AnwendungsbeispielePPA wird eingesetzt im Austausch gegen die teureren Hochleistungskunst-stoffe wie z. B. PPS oder PEI, wenn aber technische Kunststoffe wie PA 66in ihrem Eigenschaftsbild nicht ausreichen.

Elektrotechnik, Elektronik, Feinwerktechnik/Mechatronic: Elektrische undelektronische Bauteile, wie Relaisgehause, Steckverbinder, Sensoren, IC-Gehause, Spulenkorper, DIP-Schalter; Burstenhalter, Elektromotorenteile.

Apparatebau: Sicherheitsteile im Austausch gegen Metallteile.

Fahrzeugbau: Bauteile im Motorenraum, Elwannenentluftungen, Meßfuh-lerhalterungen, Bauteile im Kuhlwasserkreislauf, Filter fur El und Kraftstoff,Pumpenteile, Ladeluftkuhler, Scheinwerfergehause, Ventildeckel, Befesti-gungselemente

Haushaltgerate: Elektromotorenteile, Sicherheitsteile.

Sonstiges: verchromte Sanitarteile, Freizeit- und Sportartikel.

11.6 Fluorhaltige Polymerisate

Polymere mit hohem Fluoranteil besitzen eine außerordentlich hohe chemi-sche Bestandigkeit, sowie sehr gute elektrische Isolier- und dielektrische Ei-genschaften. Sie sind unbrennbar, besonders witterungsbestandig und habensehr niedrige Reibungsbeiwerte. Sie sind kaum benetzbar und daher antiad-hasiv. Fluorpolymerisate konnen in einem weiten Temperaturbereich einge-setzt werden; wegen der schwierigen Verarbeitung und der hohen Herstell-und Verarbeitungskosten sind die Verwendungsmoglichkeiten einge-schrankt.

Man unterscheidet

� das reine PTFE, einen sog. Thermoelast1) mit eingeschrankten und auf-wendigen Verarbeitungsmethoden, aber sehr gunstiger Kombinationspezieller Eigenschaften und

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

164

1Þ Unter einem Thermoelast versteht man hier einen aus Kettenmolkulen aufge-bauten Kunststoff, der bei Erwarmung zwar in einen thermoelastischen Bereichubergeht, der aber nach dem Aufschmelzen der kristallinen Bereiche nicht genu-gend fließfahig wird und dadurch nicht thermoplastisch verarbeitbar ist.

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� die schmelzbaren fluorhaltigen Thermoplaste mit dem Vorteil der Verar-beitungsmoglichkeit durch Spritzgießen und Extrudieren. Sie erreichenaber je nach chemischem Aufbau nicht die extrem gunstigen Eigenschaf-ten des reinen PTFE.

11.6.1 Polytetrafluorethylen PTFE

Aufbau:

Handelsnamen (Beispiele): Algoflon (Ausimont); Hostaflon (Dyneon); Tef-lon (DuPont)

amorphes PTFE: Teflon AF (DuPont)

Normung: DIN 16782, VDI/VDE 2480; ISO 12086

DIN EN ISO 13000 Kunststoffe – Polytetrafluorethylen (PTFE)-HalbzeugeT1: Anforderung und Bezeichnung

T2: Herstellung von Probekorpern und Bestimmung von Eigenschaften

& EigenschaftenDichte: 2,14 g/cm3 bis 2,20 g/cm3

Gefuge: Teilkristalline, unpolare, lineare Thermoelaste mit hoher Kristallini-tat (53 % bis 70 %); keine Wasseraufnahme. Phasenumwandlung bei +19 �Cmit rd. 1 % Volumenvergroßerung beim Erwarmen.

Full- und Verstarkungsstoffe: Glasfasern, Kohlenstoff in verschiedenen Mo-difikationen, Metallpulver, MoS2, Metallgewebe fur Lager (Metaloplast vonNorton).

Farbe: Ungefarbt kristallin weiß; in dunnen Schichten blaulich durchschei-nend. Gedeckt einfarbbar.

Mechanische Eigenschaften: Mechanische Eigenschaften stark abhangig vonden Verarbeitungsbedingungen (Kristallinitat) und Zusatzstoffen. Flexibel,hornartig zah, niedrige Festigkeit und Harte. Starke Kriechneigung (daherz. B. Verbund mit Metallen); wenig kerbempfindlich. Paraffinartig, schwerbenetzbar; sehr niedriger Reibungskoeffizient, statisch und dynamischgleich, daher keine Stick-Slip-Bewegung, weitere Verbesserung durch geeig-nete Zusatze. Kein besonders gutes Verschleißverhalten, starker Abrieb.Festigkeitserhohung durch Glasfaserzusatz.

11.6 Fluorhaltige Polymerisate

165

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Elektrische Eigenschaften: Sehr gutes elektrisches Isoliervermogen, auchbei hoher Luftfeuchtigkeit. Sehr niedrige dielektrische Verluste, unabhangigvon Frequenz und Temperatur. Hohe Kriechstromfestigkeit.

Thermische Eigenschaften: Besonders weiter Temperatureinsatzbereich von–270 �C bis +260 �C. Unbrennbar.

Kristallitschmelzpunkt Tm: 327 �C.

Bestandig gegen fast alle aggressiven Stoffe mit wenigen Ausnahmen. Her-vorragend witterungs- und lichtbestandig.

Nicht bestandig gegen: Geschmolzene oder geloste Alkalimetalle, z. B. Nat-rium. Leichte Quellung in fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen. Bei ionisieren-der Strahlung Kettenabbau moglich.

Physiologisches Verhalten: Bis +260 �C physiologisch unbedenklich. KeineBedenken bei Kontakt mit Lebensmitteln und Verwendung im medizini-schen Bereich.

Beachte: In Flammen oder Zigarettenglut zersetzt sich PTFE-Pulver unterFreiwerden von atomarem Fluor, das sehr gesundheitsschadlich ist.

Spannungsrißbildung: Keine Spannungsrißbildung wegen guter Zahigkeitund hoher chemischer Bestandigkeit.

& VerarbeitungAuch oberhalb Kristallitschmelzpunkt sehr hohe Viskositat, d. h. keineSchmelze wie bei Thermoplasten; außerdem hohe Scherempfindlichkeit.Aus diesen Grunden Spritzgießen, Extrudieren, Schweißen und Warmum-formen nicht moglich.

Preßsintern: PTFE-Pulver bei Raumtemperatur pressen mit Preßdrucken200 bar bis 350 bar auf Dichte 2,1 g/cm3 bis 2,2 g/cm3; Verdichtungsverhalt-nis je nach Sorte 2,7 :1 bis 7 : 1. Anschließend sintern bei 370 �C bis 380 �C;Verweilzeit 5 min bis 10 min je mm Schichtdicke. Langsam abkuhlen bis320 �C fur hohe Kristallinitat. Beim Sintern unter Druck erhalt man poren-freie Formlinge.

Schlagpressen: Gesinterte Rohlinge im Gelzustand (�327 �C) in kaltesWerkzeug einlegen. Schnelle Verformung bei Drucken 150 bar bis 300 bar.Entformen nach Abkuhlen auf unterhalb 100 �C; bei Kleinteilen in aufge-heizten Werkzeugen bei 300 �C bis 320 �C.

Heißpragen: Gepreßter und gesinterter Vorformling wird im Gelzustand imheißen Werkzeug bei 250 �C bis 320 �C verformt bei Drucken von 150 barbis 300 bar. Rasche Abkuhlung ergibt flexible Formteile mit allerdings be-grenzter Formbestandigkeit in der Warme von nur 150 �C bis 200 �C.

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

166

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Ramextrusion: Kontinuierlicher Preß- und Sintervorgang auf automatischerKolbenstrangpresse zur Herstellung von Halbzeug. Maximale Ausstoß-geschwindigkeit abhangig von Profilform, bei 9 mm Durchmesser bis 6 m/h.

Folienherstellung: Schalen von gesintertem Halbzeug und nachfolgendesVerguten durch Walzen. Gießfolien hergestellt aus wassrigen Dispersionenmit anschließendem Trocknen und Sintern der Schichten.

Beschichten: PTFE-Pulver oder wassrige Dispersionen werden auf Metalle,Glas und Keramik als Beschichtungen nach unterschiedlichen Verfahrenaufgebracht und dann aufgesintert. Man erhalt ausgezeichneten Antihaftef-fekt. Beschichtungen im Lebensmittelbereich oder fur technische Zwecke;allerdings nur bei Porenfreiheit befriedigender Korrosionsschutz.

Kleben: Wegen Antihafteffekt ist Kleben sehr problematisch. Nach Aktivie-ren der PTFE-Oberflache mit besonderen Qtzlosungen ist Kleben mit Spe-zialklebstoffen bedingt moglich, fuhrt aber zu mechanisch nicht beanspruch-baren Klebverbindungen.

Schweißen: Schweißen praktisch nicht moglich, da kein Aufschmelzen derFugeflachen. Schweißen von dunnen Schalfolien bis 0,2 mm uberlappt bei380 �C bis 390 �C mit 2 bar bis 3 bar Druck. Dickere Folien oder Profileverschweißen mit Zwischenlagen aus ETFE- oder FEP-Band bei Druckenvon 50 bar bis 200 bar.

Spanen: Fur enge Herstellungstoleranzen ist vorheriges Tempern des Halb-zeugs zweckmaßig, am besten 50 K uber der spateren Anwendungstempera-tur, jedoch unter 327 �C. Bearbeitungstemperaturen uber +23 �C, da bei+19 �C Umwandlungstemperatur. Bei engen Maßtoleranzen mussen Verar-beitungs- und Meßtemperatur vereinbart werden. Scharf geschliffene Werk-zeuge, moglichst Hartmetallwerkzeuge notwendig. Werkzeugverschleiß wiebeim Bearbeiten von rostfreiem Stahl. Wegen schlechter Warmeableitungbei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten Kuhlung durch handelsublicheBohrolemulsionen.

Beachte: Rauchverbot in Bearbeitungsraumen, da sich Spane und Pulver inder Zigarettenglut zersetzen und dann atomares Fluor eingeatmet wurde.

& AnwendungsbeispieleChemische Industrie: Rohre, Schlauche, Dichtungen, Packungen, Faltenbal-ge, Ventile, Pumpenteile; Auskleidungen, �berzuge; Laborgerate, Filterkor-per, Membranen; Warmetauscher.

Maschinenbau, Feinwerktechnik/Mechatronik: Gleitlager, Mehrschicht-Ver-bundlager; Dichtungen, Kolbenringe, plattenformige Auflager; Trocken-schmiermittel; Gewindedichtungsbander.

11.6 Fluorhaltige Polymerisate

167

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Elektrotechnik: Draht- und Kabelisolierungen, Isolierschlauche; Isolationenin Starkstrom- und HF-Technik; Rohrensockel, Hochspannungsdurchfuh-rungen; Tragermaterial fur gedruckte Schaltungen.

Elektronik: Amorphes Fluorpolymer (Teflon AF) fur Ummantelungen vonLichtwellenleitern; dunne Beschichtungen aus der Losung, z. B. als Dielek-trikum fur integrierte Schaltkreise.

Bauwesen: Bruckengleitlager

Antiadhasive Beschichtungen:

In Haushalt und Lebensmittelbereich: Pfannen, Topfe, Bugeleisensohlen,Walzen, Teigroller, Backformen, Kneter

In der Industrie: Werkzeuge, Schweißbacken, Klebemaschinen, Gleitwalzen,Kneter, Latexbehalter; Spezialverbundfolien, z. B. PTFE mit Glasgewebefur Heizelementschweißgerate.

Im Flugzeugbau: Verkleidung von Kanten und Gleitkufen zum Schutz gegenVereisung.

11.6.2 Fluorhaltige Thermoplaste

Durch Qnderung des chemischen Aufbaus, ausgehend von PTFE, konneneine Reihe von Modifikationen hergestellt werden, wobei die eine oder an-dere spezielle Eigenschaft besonders berucksichtigt werden kann. Dies kannerfolgen durch Einbau von H-Atomen, Cl-Atomen oder CF3-Gruppen an-stelle von einzelnen Fluoratomen oder durch Copolymerisation des Tetra-fluorethylens mit modifizierten Bausteinen. Die entstehenen Produkte sindteilkristallin, schmelzbar und somit thermoplastisch verarbeitbar, allerdingsbei hohen Masse und Werkzeugtemperaturen; außerdem sind korrosionsbe-standige Werkzeuge erforderlich.

Im einzelnen unterscheidet man (vgl. auch Tabelle 11.3, Seite 170):

Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen-Copolymerisat FEP

Handelsnamen: Hostaflon FEP (Dyneon), Neoflon (Daikin), Teflon FEP(DuPont)

Perfluoralkoxy-Copolymerisat PFA

Handelsnamen: Hostaflon PFA (Dyneon); Hyflon (Ausimont); Neoflon PFA(Daikin), Teflon PFA (DuPont)

Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymerisat ETFE

Handelsnamen: Aflon (Asahi); Hostaflon ET (Dyneon), Tefzel (DuPont)

Polychlortrifluorethylen PCTFE

Handelsnamen: Kel-F (Dyneon); Voltalef (Atofina)

11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

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Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymerisat ECTFE

Handelsname: Halar (Ausimont)

Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen/Vinylidenfluorid-Copolymerisat (TFB)

Handelsname: Hostaflon TFB (Dyneon)

Polyvinylidenfluorid PVDF

Handelsnamen: Dyflor 2000 (Creanova), Hylar (Ausimont); Kynar (Atofi-na); Solef (Solvay)

Polyvinylfluorid PVF (nur als Folie und fur Beschichtungen)

Handelsname: Tedlar (DuPont)

Copolymerisate als Ausgangswerkstoffe fur Elastomere FKM zur nachtragli-chen Vernetzung wie bei der Gummiverarbeitung (vgl. auch Kap. 14.2).

Handelsnamen: Fluorel (3M), Daiel (Daikin), Tecnoflon (Ausimont), Viton(DuPont)

& Anwendungsbeispiele fur fluorhaltige ThermoplasteQhnliche Einsatzgebiete wie PTFE, jedoch gunstigere, thermoplastische Ver-arbeitungsmoglichkeiten.

Allgemeine Anwendungen: Draht- und Kabelummantelungen, Isolierteile,Isolierschlauche, Steckerleisten, Spulenkorper, Rohrensockel, Schalterteile;Dichtungen, Membranen, Faltenbalge; Lager, Auskleidungen, Pumpenteile,Fittinge; Laborgerate, medizinische und pharmazeutische Verpackungen;Folien, auch Verbundfolien.

Spezielle Anwendungen fur

FEP: Beschichtungen, Auskleidungen; Verpackungsfolien, Schmelzklebstoffe

PFA: Beschichtungspulver, Folien fur flexible gedruckte Schaltungen

ETFE: Beschichtungssysteme fur Korrosionsschutz, auch bei Freibewitte-rung; glasklare Folien

PCTFE: Gasdichte Spezialverpackungsfolien

ECTFE: Flachkabelisolierungen, Folien fur flexible gedruckte Schaltungen.

PVDF: Korrosionsbestandige Rohre und Schlauche, Auskleidungen; Ver-packungsfolien; Flaschen; Schrumpfschlauche

PVF: Witterungsbestandige Folien, z. B. fur Dacher, Gewachshauser; Trenn-folien

TFB: Fast glasklare Folien mit hoher Witterungsbestandigkeit und hoherTransmission, z. B. zum Einbetten von Solarzellen, zum Ummanteln vonLichtwellenleitern.

11.6 Fluorhaltige Polymerisate

169

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11 Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei hoheren Temperaturen

170

Tab

.11.3

Zusa

mm

enstellu

ng

von

Eigen

schaf

tswer

ten

fluorh

altige

rKunststoffe

PTFE

(unpolar)

FEP

(unpolar)

PFA

(unpolar)

ETFE

(unpolar)

PVDF

(polar)

PCTFE

(polar)

ECTFE

(polar)

Dichte

g/cm

32,15

bis2,2

2,1bis2,2

2,1bis2,2

1,7bis1,77

1,75

bis1,78

2,1bis2,12

1,68

bis1,70

E-M

odul(Z

ug)

MPa

350bis750

350bis500

600bis700

900bis1000

1000

bis3000

1000

bis1500

1400

Shoreharte

D50

bis60

55bis58

60bis64

67bis75

8078

obereGeb

rauchstem

peratur� C

250

205

260

155bis180

150

170bis180

150bis170

Versprodungunter...

� C–200

–200

–200

–180

–60

–40

–100

Kristallitschmelztem

peratur� C

327

285bis295

300bis310

265bis275

170bis180

180bis220

240

Warmeleitfah

igkeitW/m

�K0,24

0,23

0,26

0,24

0,15

0,26

0,14

Lan

genau

sdeh

nungskoeffizien

t1/K

(1/�C)

16. 10–

512

. 10–

513

. 10–

513

. 10–

510

. 10–

56. 10–

58. 10–

5

Brennbarkeit

brenntnicht

brenntnicht

brenntnicht

brenntnicht

selbst-

verloschen

dbrenntnicht

brenntnicht

Dielektrizitatszah

lbei

50/106

Hz

2,1/2,1

2,1/2,1

2,1/2,1

2,6/2,6

9/8

2,7/2,4

2,3/2,3

Dielektrischer

Verlustfaktor

bei

50/106

Hz

(0,5/0,7).10

–4(1,0/2,2).10

–4(0,9/1,1).10

–4(6/50)

. 10–

4(5/20)

�10–2

(1/10)

. 10–

3(5/15)

. 10–

4

Massetemperaturbeim

Spritzgieß

en� C

–330bis420

350bis420

280bis330

220bis300

260bis320

260bis300

Verarbeitungsschwindung%

–3bis6

43bis4

31bis1,5

2bis2,5