Der Schmelzpunkt von Kunststoffen bezieht sich auf den Temperaturbereich, in dem Kunststoffe vom festen in den fließfähigen flüssigen Zustand übergehen. An diesem Punkt werden Kunststoffe weich und geschmeidig, so dass sie sich für verschiedene Formgebungs- und Gestaltungsprozesse eignen.
Thermoplaste vs. Duroplaste
Kunststoffe können in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Thermoplaste und Duroplast.
Thermoplaste werden beim Erhitzen weich und härten beim Abkühlen aus, ein reversibler Prozess, der wiederholtes Erhitzen und Abkühlen ermöglicht, ohne die Eigenschaften des Materials zu verändern.
Thermosets hingegen durchlaufen beim ersten Erhitzen eine chemische Reaktion, die zu einer dauerhaften, nicht schmelzenden Netzwerkstruktur führt. Auch bei späterer Erwärmung werden sie nicht weich.
Wenn wir also im Folgenden über Schmelzpunkte sprechen, sind die genannten Kunststoffe allesamt Thermoplaste.
Wichtig für Spritzgießen, Extrusion und Formgebung
Der Prozess des Erweichens und Schmelzens von Kunststoffen ist für die Kunststoffverarbeitung von entscheidender Bedeutung.
- Während Spritzgießen, Die präzise Steuerung der Schmelztemperatur gewährleistet, dass der Kunststoff die Form vollständig ausfüllt und die gewünschte Form erhält.
- Die Extrusion Verfahren nutzt die Fließfähigkeit von erwärmten Kunststoffen zur Herstellung von Rohren und Profilen unter Verwendung spezieller Formen.
- Die Bildung von Filmen oder Folien hängt auch von der Fähigkeit des Kunststoffs ab, sich bei den entsprechenden Temperaturen plastisch zu verformen.
Für Konstrukteure und Verarbeiter ist es daher von entscheidender Bedeutung, die Arbeitstemperatur und die optimale Verarbeitungstemperatur von Kunststoffen zu kennen, um die Produktqualität zu kontrollieren und die Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Schmelzeigenschaften von Kunststoffen
Kristalline vs. amorphe Materialien
In der Natur werden Materialien in kristallin und amorph unterteilt.
Kristalline Materialien haben eine geordnete Anordnung von Molekülen oder Atomen und besitzen feste Schmelzpunkte. Zum Beispiel schmilzt Wasser bei 0°C, Salz (NaCl) bei 801°C und Zinn bei 231,9°C.
Andererseits haben amorphe Materialien wie Glas, Gummi, Kunststoffe, Asphalt, Kolophonium und Paraffin ungeordnete Moleküle oder Atome und keinen festen Schmelzpunkt. Beim Erhitzen erweichen sie in der Regel (gummiartiger Zustand), bevor sie sich verflüssigen (viskoser Fließzustand), wobei sie einen bestimmten Temperaturbereich überspannen, anstatt an einem bestimmten Punkt zu schmelzen.
Arten von Kunststoffen: Amorph und kristallin
Amorphe Kunststoffe:
Unter typischen Verarbeitungsbedingungen weisen diese Kunststoffe keine kristallinen Bereiche auf und sind völlig amorph. Beispiele hierfür sind Polycarbonat, ABS, PMMA, ASA, PPSU, usw. Ihr Schmelzverhalten entspricht dem von typischen amorphen Materialien.
Kristalline Kunststoffe:
Viele Kunststoffe neigen dazu, beim Abkühlen und Erstarren zu kristallisieren, wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA6 und PA66), PET und PBT.
Sie kristallisieren jedoch nur in bestimmten Bereichen, wobei Materialien mit einer Kristallinität höher als 80% als kristalline Kunststoffe und die übrigen als halbkristallin eingestuft werden.
Der Grad der Kristallinität wird stark durch den Abkühlungsprozess beeinflusst; eine langsame Abkühlung innerhalb des Kristallisationstemperaturbereichs kann die Kristallinität erhöhen, während eine schnelle Abkühlung das Gegenteil bewirkt.
Der Schmelzprozess dieser kristallinen Kunststoffe ähnelt also teilweise dem von kristallinen Materialien, weist aber auch Eigenschaften amorpher Materialien auf.
Die drei Zustände und vier Schlüsseltemperaturen von Kunststoffen beim Erhitzen
Untersuchen wir die drei Zustände, die Kunststoffe beim Erhitzen durchlaufen: den Glaszustand, den hochelastischen (gummiartigen) Zustand und den viskosen Fließzustand, sowie die vier damit verbundenen Schlüsseltemperaturen: Glasübergangstemperatur, Schmelztemperatur, Fließtemperatur, und Zersetzungstemperatur.
Der gläserne Staat
Der erste Zustand ist der glasartige Zustand, in dem sich Kunststoffe bei Raum- oder niedrigen Temperaturen befinden. In diesem Zustand ist die Bewegung der Kunststoffmoleküle stark eingeschränkt, wodurch das Material starr und spröde wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Temperatur unter der Glasübergangstemperatur (Tg) liegt, bei der die zwischenmolekularen Kräfte größer sind als die Wärmeenergie, so dass sich die Moleküle nicht frei bewegen können.
Glasübergangstemperatur (Tg) und hochelastischer (gummiartiger) Zustand
Eine wesentliche physikalische Veränderung tritt ein, wenn Kunststoffe auf die Glasübergangstemperatur erhitzt werden. Tg markiert den Beginn des Übergangs von einem harten und spröden Zustand zu einem weichen Zustand, wobei die genaue Temperatur von der Art des Kunststoffs und seiner Molekularstruktur abhängt.
Polyoxymethylen (POM) hat beispielsweise eine Tg von etwa 85 °C, während Polycarbonat (PC) eine höhere Tg hat, in der Regel etwa 145 °C.
Oberhalb von Tg gewinnen die Polymerketten mehr Energie und beginnen, sich freier zu bewegen, bleiben aber in einem zufällig ungeordneten Zustand. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, gehen Kunststoffe in den hochelastischen Zustand über, der auch als gummiartiger Zustand bezeichnet wird. In diesem Zustand weisen die Kunststoffe eine beträchtliche Elastizität und Flexibilität auf. Die Bewegung zwischen den Polymerketten nimmt zu, aber es gibt immer noch ein gewisses Maß an intermolekularer Wechselwirkung. Kunststoffe in diesem Zustand können erheblich verformt werden, ohne zu brechen, ideal für viele Gummiprodukte und flexible Kunststoffartikel.
Strömungstemperatur (Tf) und viskoser Strömungszustand
Wenn die Temperatur weiter bis zur Fließtemperatur (Tf) ansteigt, gehen die Kunststoffe schließlich in den viskosen Fließzustand über. In diesem Zustand werden die Kunststoffe flüssiger, ähnlich wie eine viskose Flüssigkeit. Im viskosen Fließzustand können Kunststoffe extrudiert, gespritzt oder in Formen gepresst werden. Dies ist die wichtigste Phase der Kunststoffverarbeitung, z. B. beim Spritzgießen, das in diesem Zustand erfolgt.
Während des Spülvorgangs im Fass ist der geschmolzene Zustand des Kunststoffs deutlich zu erkennen.
Zersetzungstemperatur (Td)
Die letzte wichtige Stufe bei der Erwärmung von Kunststoffen ist die Zersetzungstemperatur (Td). Dies ist der Punkt, an dem Kunststoffe sich chemisch zu zersetzen beginnen und ihre ursprünglichen physikalischen und chemischen Eigenschaften verlieren. Bei Erreichen oder Überschreiten der Zersetzungstemperatur beginnen Kunststoffe, in kleinere Moleküle zu zerfallen, wobei Gase und andere Zersetzungsprodukte freigesetzt werden können. Daher ist es wichtig, bei der Verarbeitung ein Überschreiten der Zersetzungstemperatur zu vermeiden, um Materialschäden und die mögliche Freisetzung von Schadstoffen zu verhindern.
Anmerkung:
- : Amorpher Bereich
- : Teilkristalliner Bereich
Tipp: Die Schmelztemperatur (Tm), auch bekannt als Fließtemperatur (Tf)
Es ist wichtig zu wissen, dass die Schmelztemperatur von Kunststoffen kein fester Punkt ist, sondern ein Bereich. Innerhalb dieses Bereichs geht der physikalische Zustand des Kunststoffs vom hochelastischen Zustand in den viskosen Fließzustand über. So liegt der Schmelztemperaturbereich für Polypropylen (PP) zwischen 160°C und 175°C, während er für Polyethylen (PE) zwischen 125°C und 137°C liegt. Die Breite dieses Bereichs hängt von der spezifischen Art des Kunststoffs und der Komplexität seiner Molekularstruktur ab.
Schmelztemperaturen von gängigen Kunststoffen
Hier haben wir die Schmelztemperaturen, die Spritzgießtemperaturen und die Zersetzungstemperaturen einiger gängiger Kunststoffe aufgeführt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Spritzgießtemperatur in der Regel höher ist als die Schmelztemperatur, um eine gute Fließfähigkeit des Kunststoffs während der Verarbeitung zu gewährleisten.
Da es viele Arten von modifizierten Kunststoffen gibt und ihre Eigenschaften sehr unterschiedlich sind, ist es unmöglich, zu viele Materialien in dieser Tabelle aufzuführen. So unterscheiden sich beispielsweise die Temperatureigenschaften von Nylon mit zugesetzten Glasfasern erheblich von denen von Nylon ohne Glasfasern. In der Praxis ist es einfach, das Eigenschaftsblatt eines Materials zu erhalten, wenn man Kunststoffmaterialien kauft. Daher ist diese Tabelle nur als grobe Referenz gedacht.
Schmelztemperaturen gängiger Kunststoffe
| Material Name | Schmelztemperatur (°C) | Temperatur beim Spritzgießen (°C) | Zersetzungstemperatur (°C) |
|---|---|---|---|
| ABS | 170-190 | 200-240 | 280 |
| PP (Polypropylen) | 160-175 | 190-290 | 320 |
| POM (Polyoxymethylen) | 165-175 | 190-230 | 280 |
| PC (Polycarbonat) | 225-250 | 270-320 | 360 |
| PBT | 225-235 | 220-270 | 280 |
| PA6 (Nylon 6) | 215-221 | 260-300 | 320 |
| PA66 (Nylon 66) | 260-265 | 270-310 | 360 |
| PMMA (Acrylglas) | 160-180 | 220-250 | 270 |
| LDPE (Polyethylen niedriger Dichte) | 110-130 | 150-230 | 300 |
| HDPE (Hochdichtes Polyethylen) | 125-137 | 160-280 | 300 |
| PEEK (Polyetheretherketon) | 315-353 | 360-400 | 520 |
Diese Tabelle gibt einen Überblick über die Schmelz-, Spritzgieß- und Zersetzungstemperaturen verschiedener gängiger Kunststoffe.
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kenntnis der Schmelz-, Spritzguss- und Zersetzungstemperaturen von Kunststoffen im Bereich der Materialwissenschaft und der Herstellung von wesentlicher Bedeutung ist. Diese Temperaturen bestimmen nicht nur die Verarbeitung und Anwendung von Kunststoffen, sondern gewährleisten auch die Sicherheit und Qualität der Endprodukte.
Da sich die Industrie mit neuen Materialien und Technologien weiterentwickelt, sind kontinuierliche Forschung und Wissen in diesem Bereich weiterhin von entscheidender Bedeutung. Ob in industriellen Anwendungen oder im täglichen Gebrauch, die Vielseitigkeit von Kunststoffen prägt die moderne Welt.
