Polyalkylenterephthalate

Die Polyalkylenterephthalate gehören zu den thermoplastischen Polyestern, die auch gesättigte oder lineare Polyester genannt werden. Polyester bilden eine große Gruppe von Polymeren, deren gemeinsam allen ist, dass sie eine Estergruppe (s. Abb. 1) enthalten. Polyesterbildung wurde Anfang des 20. Jahrhunderts durch ein amerikanisches Forschungsteam entdeckt. Auf ihrer Basis werden Kunststoffe hergestellt, die verbreitet in der Technik sowie im täglichen Leben verwendet werden. Die wichtigsten Polyalkylenterephthalate sind Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT). Beide Polymere bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen und sind teilkristallin. Strukturformeln von PET und PBT sind in Abb. 1 dargestellt.

 

 

Abb. 1 Strukturformeln

Der chemische Bau beider Polymere ist kompliziert. Die gemischte Hauptkette besteht aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen (s. Abb. 1). An den Strukturformeln kann erkannt werden, dass PET und PBT polar sind. Die Sauerstoffatome sind negativ polarisiert, die benachbarten Kohlenstoffatome entsprechend positiv polarisiert, wodurch es starke zwischenmolekulare Kräfte gibt. Zudem sind die Makromoleküle linear, es gibt keine Verzweigungen, es sind also alle Voraussetzungen für kristalline Bereiche gegeben. In der Kette der Polyalkylenterephthalate befinden sich auch Benzolringe. Da die Entfernung zwischen den Benzolringen relativ groß ist, liegt die Gebrauchstemperatur bei dem für Kunststoffe häufigen, maximalen Wert von ca. 110°C.

Herstellung von Polyalkylenterephthalaten

Polyalkylenterephthalate entstehen durch Polykondensation aus der Terephthalsäure und aliphatischen Diolen, dem Ethylenglycol bei PET bzw. dem 1,4-Butandiol bei PBT. Polyethylenterephthalat lässt sich wegen seiner geringen Kristallisationsgeschwindgkeit auch in einer amorphen Struktur herstellen. Polybutylenterephthalat hingegen liegt immer teilkristallin vor. Im amorphen Zustand ist PET transparent, teilkristallines PET und PBT sind opak-weiß.

Das Polykondensat bildet sich als Schmelze aus. Aus der Schmelze werden Bänder oder Stränge gezogen, die nach dem Abkühlen granuliert werden. Das Granulat dient bei der weiteren Verarbeitung in der Regel als Ausgangsstoff, seltener schließt sich die Weiterverarbeitung direkt an die Polykondensation an. Aus dem Granulat werden dann in verschiedenen Verfahren Halbzeuge oder fertige Bauteile hergestellt.

Eigenschaften von Polyalkylenterephthalaten

Wie alle Kunststoffe sind PET und PBT leicht, ihre Dichte liegt im Bereich 1,3 … 1,4 g/cm³. In der Wärme verhalten sich Polyalkylenterephthalate thermoplastisch. Die Wärmebeständigkeit wird vor allem durch Gebrauchstemperaturen gekennzeichnet. Diese und andere charakteristische Temperaturen sind in Tab. 1 dargestellt.

Tab. 1 Charakteristische Temperaturen von PET und PBT

Kenngröße PET kristallin PET amorph PBT
 Glasübergangstemperatur  98 °C  86 °C  60 °C
 Kristallitschmelztemperatur 255 °C   -  223 °C
 Zersetzungstemperatur  > 300 °C   ca. 300 °C
 Max. Gebrauchstemperatur   (kurzzeitig)  200 °C  100 °C  165 °C
 Max. Gebrauchstemperatur   (dauernd)  100 °C  60 °C  125 °C
 Min. Gebrauchstemperatur  -20 °C  -40 °C  -40 °C

Die Formbeständigkeit von PET und PBT in der Wärme ist gut. Sie wird mithilfe jener Temperatur gekennzeichnet, bei der sich der Kunststoff unter definierter Biegespannung um ein bestimmtes Maß durchbiegen lässt. PET und PBT zeichnen sich im Vergleich mit anderen Kunststoffen durch einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine entsprechend hohe Maßhaltigkeit in der Wärme aus. Die Wärmeleitfähigkeit von PET und PBT ist wie bei allen Kunststoffen niedrig. Die entsprechenden Werte sind in Tab. 2 aufgelistet. Mechanische Eigenschaften von PET und PBT sind für thermoplastische Kunststoffe vorteilhaft. Einige Kennwerte der Eigenschaften sind in Tab. 3 dargestellt.

Tab. 2 Kennwerte zu Wärmeformbeständigkeit von PET und PBT

Kenngröße PET kristallin PET amorph PBT
Wärmeformbeständigkeit HDT/A  98 °C  86 °C  65 °C
Wärmeformbeständigkeit HDT/B 115 °C   72 °C  65 °C
Linearer Ausdehnungskoeffizient  70·10-6 K-1  80·10-6 K-1    70·10-6 K-1
Wärmeleitfähigkeit  0,29 W/K·m  0,24 W/K·m  0,21 W/K·m

Tab. 3 Kennwerte zu mechanischen Eigenschaften von PET und PBT

Kenngröße PET kristallin PET amorph PBT
 Zug E-Modul  2.800 MPa  2.200 MPa  2.600 MPA
 Streckspannung 80 MPa  55 MPA  55 MPa
 Streckdehnung  4 % 3,5 %   4 %
 Kugeleindruckhärte  150 MPA  100 MPa  120 MPA
 Kerbschlagzähigkeit bei 23 °C  2 kJ/m2 2 kJ/m2   6 kJ/m2
 Schlagzähigkeit bei 23 °C  kein Bruch    

PET und PBT zeigen im Bereich der Gebrauchstemperaturen ein günstiges Zeitstandverhalten sowie eine im Vergleich zu anderen Kunststoffen geringe Neigung zum Kriechen. Der Biegekriechmodul fällt bei PET und PBT über die Beanspruchungsdauer nur sehr wenig ab und das auch bei höheren Temperaturen. Wasseraufnahme beider Polyalkylenterephthalate ist gering und liegt im Bereich 0,1 … 0,15 % nach 24 Std bei 23°C und bei 50% rLF.
Chemische Beständigkeit der Polyalkylenterephthalate ist begrenzt. Sie sind in vielen organischen und anorganischen Medien nicht beständig. Beide Kunsstoffe sind z.B. unbeständig bei längerer Wirkung warmes Wasser bzw. im Dampf, d. h. bei Hydrolyse. Vor dem Einsatz beider Kunststoffe sollte die Beständigkeit im jeweiligen Medium überprüft werden.

Dielektrische Eigenschaften von PET und PBT sind sehr gut. Sie zeichnen sich durch einen hohen spezifischen Durchgangswiderstand und hohe Durchschlagfestigkeit sowie hohe Dielektrizitätszahlen aus. In der Elektrotechnik werden daher PET- und PBT-Folien als Isolierfolien und Dielektrikum verwendet. Wegen der geringen Wasseraufnahme dieser Kunststoffe werden die elektrischen Eigenschaften von der Luftfeuchtigkeit nicht beeinflusst.

Oberflächenbeschaffenheit und Gleitverhalten gehören zu den Vorteilen beider Polymere. Ihre Oberflächen weisen einen hohen Glanz auf, sind hart und polierbar. Die beiden Kunststoffe sind gedeckt einfärbbar, amorphes PET ist auch transparent färbbar. Polyalkylenterephthalate gehören zu den reibungs- und verschleißarmen Thermoplasten. Daher eignen sie sich gut für die Verwendung in Lagern und sich bewegenden Konstruktionsteilen.

Polyalkylenterephthalate eignen sich besonders für maßhaltige technische Funktionsteile mit guten Gleiteigenschaften bei geringem Verschleiß. Sie werden bevorzugt dort eingesetzt, wo Massenkunststoffe den mechanischen und thermischen Anforderungen nicht mehr gewachsen sind. Die Anwendungsbereiche von PET und PBT überschneiden sich in vielen Bereichen. Für transparente und glasklare Anwendungen kann allerdings nur PET verwendet werden.

Anwendung von Polyethylenterphthalat PET

Die amorphe PET-Modifikation hat eine gute Lichtdurchlässigkeit und es ist, in Kombination mit hoher Zähigkeit und guter Verarbeitbarkeit, heute zum besten Material für Getränkeflaschen geworden.
Die Herstellung einer PET-Getränkeflasche erfolgt in der Regel in einem zweistufigen Prozess. Zunächst werden in einem Spritzgießprozess „Vorformlige“ hergestellt. Diese werden auch Preforms genannt und verfügen bereits über die Mündung mit Gewinde. Der zweite Schritt erfolgt meist erst direkt vor der Abfüllung. In einem Streckblasprozess wird die Preform noch einmal erweicht, mit steriler Druckluft gestreckt und zur fertigen Flasche geblasen. Durch das Erhitzen direkt vor der Abfüllung ist gleichzeitig die notwendige Sterilität gegeben. PET-Flaschen werden nicht nur für Getränke, sondern auch für Reinigungsmittel und Körperpflegeprodukte genutzt. Breite Anwendung findet PET Im Verpackungsbereich. PET-Folien werden auch für Lebensmittelverpackungen, Arzneimittel und medizinische Utensilien eingesetzt, da PET durch seine Oberflächengüte auch strengen Hygieneanforderungen gerecht wird.

Die teilkristalline PET-Modifikation eignet sich für die Herstellung wertvoller Fasern, die zu Vorprodukten wie z. B. Vlies, sowie in der Textilindustrie verarbeitet werden. Die Chemiefasern aus PET sind kaum dehnbar und daher sehr formbeständig, knitterfrei und reißfest. Außerdem nehmen PET-Fasern nur sehr wenig Wasser auf, dadurch trocknen schnell und werden für atmungsaktive und regendichte Sport- und Outdoortextilien benutzt. Auch in Kopfkissenfüllungen für Allergiker und für verschleißfeste Sitzbezüge in Kfz‘s werden PET-Fasern eingesetzt. Wegen guter Festigkeitswerte können aus PET-Fasern auch Airbags und Sicherheitsgute gefertigt werden.

Polyethylenterephthalat lässt sich leicht flammfest ausrüsten und hat ein hohes Isoliervermögen, was Anwendungen in der Elektrotechnik ermöglicht. Ein gutes Gleit- und Reibverhalten und eine hohe Maßhaltigkeit führen zu weiteren technischen Anwendungen wie z. B. Laufrollen, Gleitlager oder Steuerkolben. Aus teilkristallinem Polyethylenterephthalat lassen sich präzise Teile mit komplexen Geometrien herstellen. Außerdem werden aus PET viele Form- und Gehäuseteile für Haushalts- und Bürogräte hergestellt. In diesen Bereichen wird oft auch PBT verwendet.

Anwendung von Polybutylenterephthalat PBT

Aufgrund seines Eigenschaftsprofils kann PBT gut die hohen Ansprüche an die von der Fahrzeugindustrie erfüllen. Besonders die Kombination aus guter Zähigkeit und Steifigkeit, Wärmebeständigkeit und der chemischen Beständigkeit gegenüber Kraft- und Schmierstoffen machen PBT für den Einsatz besonders im Kfz-Bereich interessant.

Die ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften machen PBT auch für die Elektrotechnik, Elektronik und den Telekommunikationsbereich interessant. Hier erstreckt sich der Einsatz über Steckerleisten, Schaltersysteme und Gehäuse für Sicherungsautomaten über Spulenkörper und Lampenteile bis hin zu Teilen von elektrischen Antrieben und Ummantellungen von Lichtwellenleitern.

PBT ist leicht flammfest ausrüstbar. Es lässt sich problemlos verarbeiten, was eine präzise Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Dabei kann ein hoher Oberflächenglanz erreicht werden.
Andere Anwendungsbereiche für PBT sind Feinwerktechnik sowie auch Teile für Haushaltsgeräte.