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Werkstoffe und Halbzeuge aus PTFE. Der außergewöhnliche Werkstoff für maßgeschneiderte Funktionalität Werkstoffe und Halbzeuge aus PTFE: Eigenschaften und Anwendungen Seite 4 – 23 Seite 24 – 27 Seite 28 – 31 Seite 32 – 35 Grundlagen Eigenschaften Verhalten Poröses PTFE für optische Anwendungen und Medientrennung Laminate Xymon PTFE-Halbzeuge Folien, Platten, Ringe, Ronden, Vollstäbe, Rohre PTFE – maßgeschneidert für höchste Leistung und Funktionssicherheit Innovationen aus Kunststoff PTFE – der Stoff, aus dem technische Problemlösungen für viele An- wendungsbereiche entstehen. Abgeleitet von Standard-PTFE Mit Dichtungen und Konstruktions- Maßgeschneidert vom Spezialisten. entsteht durch Copolymerisation mit elementen ist ElringKlinger Mit herausragenden Eigenschaf- einer geringen Menge eines eben- Kunsts tofftechnik seit mehr als ten, die viele funktionale und wirt- falls perfluorierten Modifiers und 50 Jahren einer der Technologie- schaftliche Vorteile bieten. Absenkung des Molekulargewichtes führer. Für unsere Kunden auf der ganzen Welt entwickeln und ein neues Produkt, das modifizierte Standard produzieren wir individuelle und PTFE. Es ist zwar noch nach den für PTFE üblichen Methoden verar- praxisgerechte Lösungen aus Standard-PTFE hat beispielsweise beitbar, weist aber ein deutlich PTFE bzw. PTFE-Compounds und einen außergewöhnlich breiten verbessertes Eigenschaftsprofil auf. anderen Hochleist ungskunst- thermischen Anwendungsbereich, Bei den verbesserten Eigenschaften stoffen sowie PTFE-Verb undteile ist nahezu universell chemisch sind insbesondere der reduzierte mit anderen Kunsts tof f en oder beständig sowie beständig gegen Kaltfluss und die verringerte Permea- mit Met all en. Unsere Lösungen er- Licht, Witterung und Heißwasser tion sowie das reduzierte Poren füllen die härtesten Anforderun- dampf. Es verfügt über sehr gute volumen und der niedrigere Stretch- gen in der Praxis – wirtschaftlich Gleiteigenschaften, zeigt ein Void-Index (SVI) zu benennen. und sicher. antiadhäsives Verhalten, gute elektrische und dielektrische Eigen schaften und ist physiologisch un- 2 Modifiziertes PTFE bedenklich. Unsere Produkte aus PTFE Seite 36 – 42 Seite 43 • Führungsband für Kolben und Stangen • Radialwellendichtungen mit PTFE-Dichtlippe • Großdimensionierte Dichtungselemente bis 3000 mm Durchmesser • Konstruktionselemente • Membranen im PTFE-Elastomerverbund Zulassungen und Richtlinien (Product Stewardship), ATEX, Lebensmittelkontakt, BAM, IMDS Verarbeitungstechnische Hinweise Pressen und Sintern Ramextrusion • Federunterstützte Nutringe • Memory Manschetten • PTFE-Schläuche • Kolbenringe für Kompressoren • Mantel- und Stufenringe • Faltenbälge • Poröses PTFE für die Medientrennung • Poröses PTFE für optische Anwendungen • PTFE-Halbzeuge Compounds Compounds auf Basis von PTFE und modifiziertem PTFE sind gefüllt mit Glasfasern, Kohlefasern, Kohle, Grafit, Molybdändisulfid, Bronze oder organischen Füllstoffen (Hoch leistungst hermoplasten). Damit erreicht man eine vielfach höhere Vers chleißfestigkeit und Wärmeleit- Qualitäts- und Umwelt politik fähigkeit, eine signifikante Reduk tion des Kaltf lusses unter Belastung Spitzenqualität und aktiver Um- und eine Verringerung der Wärme w elts chutz sind Voraussetzungen ausdehnung. für den nachhaltigen Erfolg von ElringKlinger Kunststofftechnik am Technische Beratung Markt. Deshalb sind wir zertifiziert nach ISO/TS 16949 und Gerne unterstützen wir Sie bei der Auswahl Ihres optimalen Werk stoffes oder Halbzeugs. Damit Sie für Ihr Anwendungsgebiet maßgeschneidert die funktionalste und wirtschaftlichste Lösung erhalten. DIN EN ISO 14001. (1) Grenzwerte: Die hier wiedergegebenen Informationen wurden aufgrund langjähriger Erfahrungen mit großer Sorgfalt zusammenge tragen. Für die Angaben kann jedoch keine Garantie übernommen werden, da eine einwandfreie Funktion nur dann gew ährleistet ist, wenn die besonderen Umstände jedes Einzelfalles berücksichtigt werden. Wir empfehlen Ihnen in jedem Fall eine Bemusterung und die Durchführung von Versuchen. Hierzu steht Ihnen auch unsere Entwicklungsabteilung mit ihren vielfältigen Möglichkeiten der Werkstoffcharakterisierung, der Ermittlung von anwendungstechnischen Eigenschaften oder mit Prüfständen zur Komponenten- und Systemüberprüfung zur Verfügung. (2) Diagramme: Die Angaben der Diagramme basieren auf von ElringKlinger Kunststofftechnik ermittelten Vergleichswerten. Sie sind unter speziellen, definierten Bedingungen entstanden und nicht exakt auf andere An wendungen übertragbar. Die Diagramme ermöglichen einen grundsätzlichen Vergleich der Eigenschaften uns erer Werkstoffe und Halbzeuge. 3 4 PTFE – Spezialkunststoff überall wirtschaftlich im Einsatz Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften bieten PTFE und modifiziertes PTFE bzw. die daraus hergestellten Compounds den PTFE-Teile können trotz höherer Konstrukteuren neue Aspekte zur Werkstoffkosten im Vergleich zu technischen Problemlösung. den bekannten Massenkunststoffen die kostengünstigere Alternative Anwendungen PTFE eignet sich aufgrund seiner • Dichtungs- und Gleitelemente ungewöhnlichen Eigenschaften als sein. im Maschinen- und Kraftfahrzeug- Spezialkunststoff für viele Einsatz- Der Einsatz von PTFE bringt bei bau gebiete. kritischen Anwendungen höhere • Korrosionsschutz in der chemi- Standzeiten, mehr Sicherheit, schen Industrie auf Basis von verbesserte Funktionen und bietet ungefülltem PTFE, Compounds Ihnen damit zusätzlich Wettbe- oder Laminaten werbsvorteile auf schwierigen • Isolierwerkstoff für die Elektronik Märkten. und Elektrotechnik • Dichtungen im Bereich der Kraftstoffversorgung und -einspritzung bei Fahrzeugen • Komponenten von Abgassensoren bei Autos • Dicht- und Gleitelemente bei Flugzeugen • Ummantelungen und Beschichtungen von Kolben, Heizelementen, Walzen, Membranen etc. • Medizinischer Apparatebau • Einsatz von PTFE-Erzeugnissen in der Lebensmittelindustrie • PTFE-Schläuche in der chemischen, pharmazeutischen und Kfz-Industrie • Großdimensionierte Dichtungen in der Öl- und Gasförderung (Offshore-Anlagen) • Dichtungen und Gleitelemente bei Windkraftanlagen 5 Aufbau Das teilkristalline Polytetrafluor ethylen (PTFE) wird durch Polymerisation aus dem Monomer Tetrafluor ethylen (TFE) gewonnen. Die dabei entstehenden Makromoleküle haben einen linearen Aufbau. Der Kettenaufbau von PTFE weist zwei interessante Besonderheiten auf: PTFE Die Kohlenstoffkette ist nahezu vollständig mit Fluoratomen umhüllt und damit vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Kohlenstoff-Fluorverbindung stellt eine der stärksten Bindungen in der organischen Chemie dar (Dissoziationsenergie 460 KJ/mol). Daraus resultiert die außergewöhnlich hohe chemische und thermische Beständigkeit von PTFE. Modifiziertes PTFE Modifiziertes PTFE wird aus den Monomeren Tetrafluorethylen (TFE) und einem ebenfalls perfluorierten Modifier, Perfluorpropylvinylether (PPVE), hergestellt. Die im Vergleich zu Standard-PTFE kürzeren Molekülketten haben eine höhere Tendenz zum Kristallisieren. Dadurch würden sich die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes verschlechtern. Der Modifier stört die Kristallisation wirkungsvoll. Dadurch gelingt es bei modifiziertem PTFE, thermoplastische Eigenschaftskomponenten, bedingt durch die kürzeren Molekülketten, mit den guten mechanischen Eigenschaften von Standard-PTFE zu 6 verknüpfen. Physikalische und chemische Eigenschaften von ungefülltem PTFE Besonderheiten Vorteile von modifiziertem PTFE Nachteile Die Besonderheit dieses Werkstoffes Unter Beibehaltung der für PTFE Daneben weist ungefülltes PTFE auch ist die unter Kunststoffen einmalige typischen positiven Eigenschaften einige Nachteile auf: Konzentration herausragender Eigen- weist modifiziertes PTFE noch • Das Kaltflussverhalten schaften: weitere Vorteile auf: • Die verhältnismäßig geringe • Ein außergewöhnlich breiter • Reduzierter Kaltfluss um den thermischer Anwendungsbereich von –260 °C bis +260 °C (kurzzeitig auch bis +300 °C) • Nahezu universelle chemische Beständigkeit • Licht- und witterungsbeständig • Beständig gegen Heißwasserdampf • Sehr gute Gleiteigenschaften • Antiadhäsives Verhalten Faktor 3 • Reduzierte Permeation von Chemikalien und Gasen bis auf die Hälfte des PTFE-Wertes • Auf die Hälfte verminderte Porosität Verschleißfestigkeit • Die geringe Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung • Das schlechte Klebeverhalten von PTFE • PTFE ist nicht spritzbar und nur schlecht verschweißbar • Minimale Tendenz zur Porenbildung beim Recken • Verschweißbar nach speziellen Methoden • Nicht brennbar; LOI > 95 • Gute elektrische und dielektrische Eigenschaften • Keinerlei Wasseraufnahme • Physiologisch unbedenklich (Lebensmittelzulassung nach BgVV, EU und FDA) 7 Compounds auf Basis von PTFE und modifiziertem PTFE Das Einmischen von Füllstoffen • Bei Bedarf können durch ent in PTFE geschieht aus folgenden sprechende Füllstoffauswahl die Gründen: elektrischen Eigenschaften • Die Verschleißfestigkeit wird der PTFE-Matrix geändert werden signifikant erhöht • Außerdem beeinflusst die Wahl des • Der Kaltfluss unter Belastung wird signifikant reduziert Füllstoffes auch das Verschleißverhalten des Gegenlaufpartners • In Abhängigkeit vom Füllstoff kann sich die Wärmeleitfähigkeit Die Einflüsse auf die Endeigenschaf- auf ein Vielfaches erhöhen ten des Compounds, die sowohl • Die Wärmeausdehnung wird von der PTFE-Matrix als auch vom Füllstoff beeinflusst werden können, verringert sind in der folgenden Tabelle zusam mengestellt. Einflussgröße Mechan. Eigenschaften Kaltfluss Reibungskoeffizient Abrieb Chemikalienbeständikeit Ausdehnungs- Therm. koeffizient Leitfähigkeit Auswirkungen beim Austausch von PTFE durch mod. PTFE Einfluss von Füllstoffen auf die Produkteigenschaften von Compounds Trends: Positiv Neutral Negativ Die Pfeilrichtung bedeutet die Ab- oder Zunahme des Wertes. Die Pfeilfarbe beschreibt die Einflüsse auf die Endeigenschaften des Compounds. 8 Die gebräuchlichsten Füllstoffe und ihre Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften PTFE-Typ Einfluss der Füllstoffe Füllstoffanteil in Gewichts-% Einsatzgrenzen PTFE gefüllt mit Glasfasern • höhere Druck- und Verschleißfestigkeit sowie bessere Wärmeleitfähigkeit bis 40 % beständig gegen organische Lösemittel, nicht alkalien- und säurebeständig bis 25 % Kohlefasern sind chemisch inert bis 35 %, auch in Kombination mit Grafit Compound spröde, Füllstoff kann durch oxidierende Medien an- • sehr gute chemische Beständigkeit • gute dielektrische Eigenschaften PTFE gefüllt mit Kohlefasern • sehr geringe Deformation unter Last • gute Verschleißbeständigkeit, auch in Wasser • höhere Wärmeleitfähigkeit und geringere Wärmeausdehnung als Glasfasern • sehr gute chemische Beständigkeit PTFE gefüllt mit Kohle • hohe Druckfestigkeit und Härte • gute Gleit- und Verschleißeigenschaften • gute Wärmeleitfähigkeit gegriffen werden • gute chemische Beständigkeit • niederer Durchgangs- und Oberflächen widerstand • elektrisch leitend PTFE gefüllt mit Grafit • guter Schmiereffekt • niederer Reibkoeffizient • keine statische Aufladung übliche Anteile bis 5 %, in Ausnahmefällen bis 15 %, auch in Kombination mit Glasfasern oder Kohle hoher Abrieb bei harten Metallen, wird von stark oxidierenden Medien angegriffen bis 10 %, auch in Kombination mit Glasfasern oder Bronze nicht beständig bei heißer konz. Schwefelsäure bis 60 %, auch in Kombination mit MoS2 Angriff durch Säuren und Wasser möglich bis 20 %, bei Kombination verschiedener Füllstoffe auch höher abhängig vom jeweiligen Füllstoff • gute Wärmeleitfähigkeit • sehr gute chemische Beständigkeit PTFE gefüllt mit Molybdändisulfid (MoS2) • gute Gleit- und Verschleißeigenschaften PTFE gefüllt mit Bronze • gute Gleit- und Verschleißeigenschaften • gute Trockenlaufeigenschaften in Kombination mit Bronze • geringer Kaltfluss • gute Wärmeleitfähigkeit • geringere chemische Beständigkeit • hohe Druckfestigkeit PTFE gefüllt mit organischen Füllstoffen (Hochleistungsthermoplasten) • hervorragende Gleit- und Verschleißeigenschaften • gute chemische Beständigkeit • z. T. hohe Druckstandfestigkeit • für weiche Gegenlaufpartner, z. B. Aluminium • nicht abrasiv wirkend 9 Thermische Eigenschaften Thermische Belastbarkeit Die thermische Belastbarkeit von PTFE reicht von –260 °C bis +260 °C, kurzzeitig auch bis +300°C (z. B. keine Versprödung in siedendem Helium bei –269 °C). Dieser Temperaturbereich wird von keinem anderen Kunststoff erreicht. Die Dauergebrauchstemperaturen richten sich jedoch nach den jeweils vorliegenden Beanspruchungen. Das bedeutet in der Praxis, dass PTFE bei mäßiger mechanischer Beanspruchung von –200 °C bis +260 °C eingesetzt werden kann. Temperatureinsatzgrenzen einiger Fluorkunststoffe (2) 10 Wärmeausdehnung von PTFE und modifiziertem PTFE Bei der Konstruktion von Bauteilen ist auf die Relative Längenänderung von ungefülltem PTFE verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnung dieser in Abhängigkeit von der Temperatur(2) Werkstoffe zu achten: 10 – 30 °C: 30 – 100 °C: 30 – 200 °C: 30 – 300 °C: a = 21 x 10 a = 11 x 10 a = 13 x 10 a = 19 x 10 -5 1/K -5 1/K -5 1/K -5 1/K Werden PTFE-Bauteile von +20 °C auf –260 °C abgekühlt, so tritt dabei ein Längenschrumpf von ca. 2 % auf. Im Verlauf des linearen Ausdehnungskoeffizienten sind zwei Bereiche auffallend: • Bei 19 °C findet eine Umwandlung im Kristallgitter statt (<19 °C triklin, >19 °C hexagonal) • Bei ca. 327 °C findet man eine noch stärkere Unstetigkeit, den Kristallschmelzpunkt Kristallitumwandlung bei 19 °C (triklin -> hexagonal) Hinweis Linearer Ausdehnungskoeffizient von ungefülltem • Bei exakten Messungen eng tolerierter Bauteile PTFE in Abhängigkeit von der Temperatur(2) aus PTFE ist deshalb unbedingt eine Messtem peratur von 23 +/–2 °C vorzusehen • In der Regel haben PTFE-Compounds eine geringere Wärmeausdehnung. Die Abhängigkeit zwischen Temperatur und Wärmedehnung ist hier dargestellt (siehe Grafik nächste Seite) Kristallitumwandlung bei 19 °C (triklin -> hexagonal) 11 Thermische Eigenschaften Wärmeausdehnung von ungefülltem PTFE und PTFE-Compounds, gemessen längs und quer zur Pressrichtung(2) Prüfkörper: Durchmesser 16 mm, Länge 40 mm quer 12 längs quer = längs PTFE reinweiß PTFE mit 60 % Bronze Werkstoff HS 21059 PTFE mit 25 % Glasfasern Werkstoff HS 21037 PTFE mit 10 % Glasfasern und 10 % Grafit PTFE mit 25 % Kohle PTFE mit 30 % Kohle und 3 % Grafit 13 Chemisches und physikalisches Verhalten Chemische Beständigkeit Licht- und Witterungsbeständigkeit Brennbarkeit Bedingt durch die starke Fluor- PTFE zeichnet sich durch eine her- Brandtechnische Prüfungen weisen Kohlenstoffbindung und die nahezu vorragende Licht- und Witterungsbe- aus, dass Fluorpolymere von vollständige Abschirmung der ständigkeit aus. zu entflammen sind. Nur im Be- C-Atome durch Fluor verfügen PTFE und modifiziertes PTFE über eine PTFE kann deshalb ohne Einschrän- reich einer Fremdflamme entzünden nahezu universelle Chemikalienbe- kung für den Außeneinsatz unter sich die gasförmigen Zersetzungs- ständigkeit. extremen Witterungsbedingungen produkte. Nach Entfernen der Zünd- verwendet werden, ohne dass da flamme hört der Brennvorgang • Weder Lösungsmittel wie Alkohole, durch nennenswerte Veränderungen sofort auf. Die nach ASTM D 1929 an Ester, Ketone noch aggressive der mechanischen oder elektrischen PTFE-Halbzeugen gemessenen Säuren (wie rauchende Schwefel- Eigenschaften auftreten. Zündtemperaturen liegen im Bereich von 500 bis 560 °C, der LOI-Index oder Salpetersäure, Flusssäure o. a.) verändern die Eigenschaften Energiereiche Strahlung (Sauerstoffindex) beträgt 95 %. von PTFE PTFE zählt nicht zu den strahlungs- Nach Underwriters Laboratories (UL) beständigen Kunststoffen. PTFE sind die verschiedenen PTFE-Typen mitteln (z. B. Frigene) wird eine sollte daher nicht in strahlengefähr- in Brandklasse V-0 gelistet. Der reversible Gewichtszunahme deten Bereichen eingesetzt werden. elektrische und mechanische relative zwischen 4 und 10 % gemessen Eine hohe Strahlungsdosis kann Temperaturindex (RTI) liegt für zur Zersetzung von PTFE führen. PTFE allgemein bei 180 °C. • Lediglich beim Einsatz in Kälte- • Eine chemische Reaktion (Braunfärbung) von PTFE tritt nur Dabei werden durch Bruch der Mole- mit geschmolzenen oder gelösten külketten die Polymereigenschaften Wird für eine besondere Anwendung Alkalimetallen ein sukzessive verschlechtert. Letzt- ein höherer Wert gefordert, so ist • Bei höheren Temperaturen und endlich kann der Abbau bis zur Mono- eine spezielle Messung zu dessen Drücken reagiert PTFE mit elemen- merfreisetzung führen und neben tarem Fluor- und Chlortrifluorid anderen korrosiven und toxischen • Monomere wie Styren, Butadien Verbindungen wird gasförmiges TFE oder Acrylnitril können in geringem abgespalten. Umfang in PTFE oder mod. PTFE eindringen und falls dann Bedin- • Bei einer aufgenommenen Strah- gungen gegeben sind, die eine lungsdosis von 102 J/kg beginnen spontane Polymerisation auslösen, sich die Polymereigenschaften zu kann dies zum Aufquellen des ändern Werkstoffes führen • Bei einer Strahlungsdosis von 5 x 104 J/kg: Abnahme der Zugfes- Aus diesen Gründen erübrigen sich tigkeit um 50 – 90 %. Abnahme bei PTFE umfangreiche Tabellen oder der Bruchdehnung um > 90 % Beständigkeitslisten. 14 allen Kunststoffen am schwierigsten Bestimmung erforderlich. Wasseraufnahme Gleitverhalten Bei Zugabe von Füllstoffen wird der Die Wasseraufnahme von PTFE ist Die sehr niedrigen zwischenmole- Reibungskoeffizient tendenziell praktisch gleich null. Auch nach kularen Kräfte führen u.a. dazu, erhöht; der Abrieb wird aber signifi- langen Einlagerungen in Wasser kann dass PTFE von allen festen Werkstof- kant reduziert. nach DIN 53472/8.2 keine Wasser- fen den niedrigsten Reibungskoef- aufnahme festgestellt werden. fizienten besitzt. Bei PTFE ist der sta- Reibungszahlen PTFE/Perlitguss bei tische und dynamische Reibungs- Trockenlauf (1) Physiologische Eigenschaften koeffizient nahezu gleich. Daher tritt (p = 0,2 N/mm2, T = 30 °C, Ungefülltes PTFE ist physiologisch kein „Stick-Slip-Effekt“ auf. Rz Perlitguss ≤1,5 µm) inert. Zulassungen nach FDA, EU und BgVV liegen vor. Selbst bei Temperaturen unterhalb von 0 °C bleiben diese günstigen PTFE-Type Für die Glasfaser-Compounds sowie Gleiteigenschaften erhalten. Ab 20 °C für die Füllstoffe PEEK und PPSO2 nimmt die Reibungszahl von PTFE ungefüllt liegen FDA Konformitätserklärungen geringfügig zu. Ungefüllt zeigen PTFE vor. und modifiziertes PTFE in etwa das gleiche Abriebverhalten. Bei Cytotoxizitätsprüfungen wurden dynamischen Dichtungen aus erfolgreich durchgeführt. Der modifiziertem PTFE ist bei gleicher Einsatz ist daher sowohl im Medizin- Dichtungsauslegung die Flächen- als auch im Lebensmittelbereich pressung ( Radialkraft) oft höher zulässig. als beim Gegenstück aus regulärem PTFE Gleitgeschwindigkeit v= v= 0,5 m/s 1,0 m/s 0,25 0,27 PTFE +25 % Glasfasern 0,15 0,15 PTFE +15 % Grafit 0,14 0,14 PTFE +25 % Kohle 0,22 0,21 PTFE +60 % Bronze 0,20 0,22 PTFE. Dies ist darin begründet, dass Sehr positiv weist sich in diesem die modifizierte Dichtung infolge Zusammenhang die Beständigkeit des geringeren Kaltflusses weniger gegen Heißdampf aus, so dass ausweicht und auch über längere PTFE-Teile im medizinischen Einsatz- Zeit weniger abfällt. Diese Tatsache bereich, in der Pharma- oder kann einerseits höheren Werkstoff- Lebensmittelindustrie gut sterilisiert abrieb bew irken, ist aber anderer- werden können. seits oft Garant für längere Dichtheit. 15 Verschleißverhalten Die Verschleißfestigkeit von reinem Gegenüber dem mineralisch bzw. Bei der experimentellen Ermittlung PTFE ist relativ gering. Dies ist da metallisch gefüllten PTFE besitzen des Verschleißes ist zu berück- rauf zurückzuführen, dass die PTFE- die neu entwickelten Spezial- sichtigen, dass jede Prüfmethode Moleküle wegen ihrer kompletten compounds HS 21059, HS 21037 eigene Datensätze liefert. Umhüllung durch Fluoratome nur und HS 10300 auch im absoluten minimale intermolekulare Wech- Trockenlauf ein deutlich verbesser Ein direkter Werkstoffvergleich ist selwirkungen ausbilden können. In tes Abriebverhalten und eine deshalb nur innerhalb jeder einzel- den kristallinen Regionen des sehr geringe Einlaufneigung auf der nen Prüfmethode – unter gleichen Werkstoffes können die Molekül- Gegenlauffläche. Dies ist selbst oder ähnlichen Prüfparametern – schichten, ähnlich dem Grafit, dann noch der Fall, wenn die Gegen möglich. bei tribologischer Belastung Lage lauffläche ungehärtet ist. für Lage abgeschoben werden. Ziel sollte es immer sein, Werkstoffe In den amorphen Bereichen ist der Die Gleitreibungszahl der jeweiligen möglichst praxisnah zu testen. Dies Polymerverbund infolge intermo- Laufpaarung spielt beim Abrieb ist in den ElringKlinger Kunststoff- lekularer Verschlaufung stabiler, verhalten eine untergeordnete Rolle. technik-Entwicklungslabors möglich. jedoch macht dieser Anteil nur Vielmehr ist der Verschleiß in ca. 30 Vol.-% des Polymers aus. weit größerem Umfang von den Ein satzbedingungen (Medium, Druck, Eine wesentliche Verbesserung Geschwindigkeit, Temperatur, der Verschleißfestigkeit wird durch Schmierung, Oberflächenrauheit) Füllstoffe wie z. B. Kohle, Grafit, abhängig. Da kein PTFE-Compound Glas- und Kohlefasern, Bronze oder alle Anforderungen erfüllen kann, organische Füllstoffe erreicht. muss für den jeweiligen Einsatzfall die am besten geeignete PTFE- Langzeitverschleißprüfung Compound-Type ermittelt werden. Langzeitverschleißprüfstand P Veränderbare Prüfparameter: • Geschwindigkeit der Antriebswelle (V) • Prüfkörperanpresskraft (P) • Gegenlauffläche • Temperatur der Gegenlauffläche (T) • Prüfatmosphäre V Welle Prüfatmosphäre Aufnahme für 3 Prüfkörper PTFE-Prüfkörper Gegenlauffläche T ein T aus Heiz-/Kühlplatte 16 Verschleiß von ungefülltem PTFE im Vergleich mit verschiedenen PTFE-Compounds Langzeitverschleiß im Trockenlauf (2) Prüfbedingungen: Prüfatmosphäre: Luft T = 100 °C v = 4 m/s p = 0,42 N/mm2 Verschleißvolumen Rz = 2 µm Prüfdauer: 100 h Verschleißvolumen [mm3] 350 nach 5 Std. > 300 300 263 250 253 224 200 152 150 100 52 68 76 75 35 50 9 9 8 33 7 8 10 0 PTFE ungefüllt X210 Cr12 25% Kohle GG25 20% Kohlefasern 55% Bronze, 5% MoS2 Werkstoff HS 21059 Werkstoff HS 21037 Werkstoff HS 10300 Alu harteloxiert 17 Eigenschaften von Fluorkunststoffen Physikalische Eigenschaften von PTFE im Vergleich mit Fluorthermoplasten(1) Eigenschaften Prüfmethode Einheit Dichte ISO 12086 g/cm Reißfestigkeit 23 °C ISO 12086 N/mm Reißdehnung 23 °C ISO 12086 Kugeldruckhärte 23 °C PCTFE PVDF 2,12 – 2,17 2,12 – 2,17 2,10 – 2,20 1,76 – 1,78 22 – 40 18 – 25 27 – 29 30 – 38 38 – 50 250 – 500 400 – 700 250 – 350 300 80 – 200 30 – 40 N/mm2 23 – 32 23 – 32 23 – 28 25 – 30 30 65 ISO 12086 N/mm2 10 11 12 14 40 46 Zug-E-Modul 23 °C ISO 12086 N/mm2 400 – 800 440 – 880 350 – 700 650 1000 – 2000 800 – 1800 Biege-EModul 23 °C ISO 12086 N/mm2 600 – 800 660 – 880 660 – 680 650 – 700 1200 – 1500 1200 – 1400 Grenz-Biegespannung 23 °C ISO 12086 N/mm2 18 – 20 18 – 20 15 52 – 63 55 Shorehärte D 23 °C ISO 12086 55 – 72 55 – 72 55 – 60 60 – 65 70 – 80 73 – 85 Schmelztemperatur ASTM 2116 °C 327 327 253 – 282 280 – 310 185 – 210 165 – 178 °C 260 260 205 260 150 150 K–1 10 – 16 10 – 16 8 – 14 10 – 16 4–8 8 – 12 PTFE mod. FEP 2,15 – 2,19 2,15 – 2,19 22 – 40 % ISO 12086 Steckgrenze 23 °C Dauergebrauchstemp. ohne Belastung Wärmeausdehnungskoeffizient 10 –5 DIN 53752 3 2 PFA DIN 52612 Wärmeleitfähigkeit 23 °C W/K · m 0,25 0,25 0,2 0,22 0,19 0,17 Spezifische Wärme 23 °C KJ/kg · K 1,01 1,01 1,17 1,09 0,92 1,38 Sauerstoffindex % >95 >95 >95 >95 >95 >43 % <0,01 <0,01 <0,01 <0,03 <0,01 <0,03 Wasseraufnahme 18 Werkstoffe PTFE DIN 53495 Physikalische Eigenschaften von ungefülltem PTFE im Vergleich mit verschiedenen PTFE-Compounds(1) Eigenschaften Prüfmethode Einheit Dichte ISO 12086 g/cm3 Reißfestigkeit 23 °C ISO 12086 N/mm 2 Werkstoffe PTFE ungefüllt PTFE + 60 % Bronze PTFE +10 % AP* + 1 % Ruß PTFE + 25 % Glasfaser PTFE + 15 % Grafit PTFE + 10 % Glasfaser + 10 % Grafit PTFE + 25 % Kohle 2,15 3,85±5 % 2,04±3 % 2,23±3 % 2,16±3 % 2,17±3 % 2,09±3 % 2,0±4 % ≥ 25 ≥ 12 ≥ 14 ≥ 14 ≥ 12 ≥ 14 ≥ 13 ≥ 10 PTFE + 30 % Kohle + 3% Grafit Reißdehnung ISO 12086 23 °C % ≥ 280 ≥ 120 ≥ 160 ≥ 160 ≥ 120 ≥ 200 ≥ 100 ≥ 60 Kugeldruck- ISO 12086 härte 135/60 23 °C N/mm2 ≥ 22,6 ≥ 33 ≥ 32 ≥ 27 ≥ 28 ≥ 30 ≥ 34 ≥ 40 Spez. Widerstand Ω· cm >1018 >1015 >1010 >1012 >102 Oberflächen- DIN VDE widerstand 0303 Teil 30 IEC 93 Ω >1017 >1015 >1011 >1012 >102 Wärmeleitfähigkeit W/m · K 0,25 0,4 – 0,5 0,7 – 0,9 0,4 – 0,6 0,5 – 0,7 DIN VDE 0303 Teil 30 IEC 93 DIN 52612 Wärmeausdehnung 0,6 – 0,8 – 0,6 – 0,8 siehe Wärmeausdehnungskurven Seite 11 bis 13 *AP = aromatischer Polyester Für Anwendungen in gasförmigem oder flüssigem Sauerstoff fragen Sie bitte unsere speziellen BAM-geprüften PTFE-Typen an. 19 Eigenschaften von Fluorkunststoffen Elektrische Eigenschaften(1) In nachfolgender Tabelle sind einige elektrische Kenngrößen von Fluorkunststoffen zusammengefasst. Eigenschaften Prüfmethode Einheit Werkstoffe PTFE FEP PFA 2,1 2,1 2,1 2,1 2,06 – 2,1 2,5 – 2,8 2,06 – 2,1 2,3 – 2,4 7,8 – 9,0 6,4 – 7,6 2–8 2–8 0,2 0,8 250 – 300 80 – 120 120 – 200 1500 – 1900 PCTFE Dielektrizitäts- DIN 53483 konstante 103 Hz 106 Hz Dielektrischer DIN 53483 Verlustfaktor 103 Hz · 10-4 0,3 106 Hz · 10-4 0,7 Spezifischer Widerstand DIN 53482 Ω · cm 1018 1018 1018 1018 1015 Oberflächenwiderstand DIN 53482 Ω 1017 1016 1017 1015 1013 KA 3c KA 3c KA 3c KA 1 40 – 80 50 – 80 50 – 70 40 – 80 Kriechstrom- DIN 53480 festigkeit Durchschlags- DIN 53481 festigkeit KV/mm 50 – 80 Bemerkenswert ist, dass der spezi- Bei der Bestimmung von Folien fische Durchgangswiderstand von größerer Dicke muss eine höhere PTFE bis ca. 150 °C nahezu konstant Prüfspannung angelegt werden. bleibt. Dadurch verändert sich der Durchschlagsmechanismus, z. B. in Besonders interessant ist weiter- Folge von Luftfeuchtigkeit oder Ioni- hin die niedrige Dielektrizitätskons sationsvorgängen. Die Erfahrungs- tante und der geringe dielektrische werte für die Durchschlagsfestig- Verlustfaktor von PTFE. keit von Folien mit Dicken von wenigen mm liegen im Bereich von Die Durchschlagsfestigkeit beträgt 30 – 40 KV/mm; im Falle von modi- bei einer porenfreien PTFE-Folie fiziertem PTFE geringfügig darüber. mit einer Dicke von 0,2 mm ca. 60 KV/mm. Bei Verwendung von modifiziertem PTFE kann die Durch schlagsfestigkeit bei dieser Folienstärke bis auf zu ca. 100 KV/mm ansteigen. 20 PVDF Chemisches und physikalisches Verhalten Adhäsionsverhalten Verklebbarkeit Verschweißbarkeit Die Adhäsion von reinem PTFE ist Geringe zwischenmolekulare Kräfte PTFE kann aber auch unter bestimm- sehr gering (antiadhäsiv), was und die geringe Polarisierbarkeit ten Voraussetzungen verschweißt auf die Abschirmung der Kohlenstoff- der Fluoratome sind die Ursache für werden. Als verbindende Schicht kette durch die Fluoratome und die schlechte Verklebbarkeit von zwischen den beiden PTFE-Flächen deren geringe Polarisierbarkeit zu PTFE. Voraussetzung zur Verklebung wird hierbei ein Schmelzkleber aus rückzuführen ist. Dadurch lässt ist deshalb eine chemische Vorbe- PFA verwendet. sich PTFE nur schwer benetzen (Kon- handlung der Oberfläche z. B. durch taktwinkel mit Wasser 126°). in Ammoniak gelöstes Natrium. Modifiziertes PTFE kann auch ohne Schweißhilfsmittel verschweißt Auch für PTFE-Compounds gilt werden. Für dünne Folien ist hierfür im Prinzip diese Eigenschaft in ab- ein Balkenschweißgerät geeignet, geminderter Form. Hochgefüllte mit dem die erforderlichen Tempera- Compounds können im Benetzungs- turen von ca. 350 °C aufgebracht verhalten stark von dem des un- werden können. gefüllten PTFE abweichen. Dies gilt sowohl für Wasser oder andere Für dickere Profile muss ein speziel- Lösemittel als auch für Klebstoffe. les Schweißverfahren angewandt werden: In der Kontaktzone werden Vorteil durch einen lokalen Temperaturzy- • Bei Auskleidungen bzw. Um- klus, der einer üblichen Sinterkurve mantelungen von Bauteilen keine angelehnt ist, die beiden Partner Haftung der Medien miteinander verbunden. Nachteil Vorteil • Durch die schlechte Benetzbarkeit • PTFE-Oberfläche muss nicht geätzt ist ein Verkleben von PTFE in werden diesem Zustand nicht möglich Nachteil • Die Verschweißung erfolgt nur bei sehr hohen Temperaturen von 325 – 335 °C (> Kristallitschmelztemperatur von PTFE) 21 Physikalisches Verhalten Kaltflusseigenschaften Spannungs-Dehnungsdiagramme für PTFE hat die Eigenschaft, unter ungefülltes PTFE (2) konst anter Zug- oder Druckbelastung bereits bei Raumtemperatur auszuweichen – zu fließen. Diese Eigenschaft ist abhängig von der ausgeübten Druck- oder Zugspannung, der Belastungszeit und der Temperatur. Aufgrund dieser Eigenschaften werden mechanisch höher beanspruchte PTFE-Teile entweder gekammert, und damit am Ausweichen gehindert, oder PTFECompounds mit deutlich verbesserten Druckstandfestigkeiten eingesetzt. Auch die Verwendung von modifiziertem PTFE ist eine gee ig nete Maßnahme, den Kaltfluss zu reduzieren. 22 Mechanische Eigenschaften Deformation unter Last (Kaltfluss) von PTFE-Compounds und Compounds auf Basis von modifiziertem PTFE Für den in der Praxis häufigeren Belastungsfall, die Druckbelastung, können die Kennwerte den folgenden Diagrammen entnommen werden. Man erkennt hier eindeutig die geringere Verformung der PTFE-Compounds mit den Füllstoffen Glasfaser, Kohle bzw. Bronze. Signifikant ist der Leistungsgewinn bei Verwendung von Compounds auf Basis von modifiziertem PTFE bei der Kaltflussbetrachtung. Deformation unter Last nach ASTM D621(2) (15 N/mm2, 100 h Belastung + 24 h Rückstellung (= bleibende Verformung), 23 °C, gepresster Probekörper: PTFE/modifiziertes PTFE Ø 10 mm, 10 mm hoch) Prozent [%] 11 12 9,5 10 8,5 8 6 4,7 4,2 3,7 4 4,4 3,1 2,8 2,6 2 PTFE Modifiziertes PTFE 0 ungefüllt 15 % Glas 25 % Glas 60 % Bronze 25 % Kohle Deformation PTFE unter Lastmodifiziertes von PTFE,PTFE PTFE- Deformation unter Last von PTFE, PTFE- Compounds und den modifizierten Alternativen(2) Compounds und den modifizierten Alternativen(2) Prüftemperatur: 23 °C Prüftemperatur: 150 °C Prüfdauer: 100 h, keine Rückstellung Prüfdauer: 100 h, keine Rückstellung 23 PTFE ungefüllt PTFE + 25 % Glas PTFE + 25 % Kohle Mod. PTFE ungefüllt Mod. PTFE + 25 % Glas Mod. PTFE + 25 % Kohle 24 Poröses PTFE für optische Anwendungen und Medientrennung Durch Anwenden eines speziellen Press- und Sinterverfahrens kann porenhaltiges PTFE hergestellt werden. Die Größe der Poren ist sta- Die Struktur dieses neuartigen tistisch verteilt und bewegt sich im porösen Werkstoffes zeigt die neben- Bereich zwischen 1 und 20 µm. stehende Abbildung. Der mittlere Porendurchmesser Eines der wesentlichen Merkmale beträgt ca. 2 µm bei höher verdich- dieses Werkstoffes ist seine hohe teten Varianten und ca. 6 µm bei mechanische Festigkeit, die „selbst- höher durchlässigen Einstellungen. tragende“ technische Lösungen ermöglicht. Er setzt sich diesbezüglich positiv ab gegenüber Konkurrenzprodukten, die nicht gesintert und deshalb mechanisch sehr fragil sind. Diese müssen in der Anwendung häufig gestützt werden. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen am Beispiel P 150: statistische Porengrößenverteilung durch „Zwickelbildung“ bei der Verpressung von weitgehend vorgesintertem PTFE; unvollständiges Verfließen der Partikel während der Sinterung. 25 Anwendungen Anwendungen von porösem PTFE Die Luftdurchlässigkeit und die Für Foliendicken im Bereich 0,1 bis für die Trennung von Medien, Charak Wassersäulenbeständigkeit sind die 3,0 mm und „Porenwerten“ von P 60 terisierung von Werkstoffen aus üblichen Parameter zur Charakteri bis P 200 ergeben sich dabei die porösem PTFE. sierung von porösem PTFE für Anwen folgenden Werte: dungen in der Medientrennung. Luftleitwert Luftdurchlässigkeit und Wassersäulenbeständigkeit von porösem PTFE(2) Luftleitwert [ml/sec*cm2 *bar] 900 850 800 700 600 500 500 400 400 300 245 200 200 185 185 100 100 0 75 75 80 37 32 30 18 15 37,5 23 12,4 9 30 18 6,1 5,5 20 9 3,2 2,8 Wasserdruckverträglichkeit 0,1 0,2 Material 0,5 P 100 P 60 P 150 1 1,5 2 3 Folienstärke [mm] P 200 Wasserdruckverträglichkeit [mbar] 900 800 800 820 730 740 700 660 670 630 600 600 500 580 600 550 480 530 500 480 450 430 430 390 400 460 380 380 330 340 320 300 280 260 180 200 100 0 3 P 60 26 2 1,5 P 100 P 150 P 200 Material P 60 P 100 P 150 1 P 200 0,5 0,2 0,1 Foienstärke [mm] Optische Anwendungen von Das Reflexionsspektrum von porösem PTFE 280nm - 2800 nm porösem PTFE im Wellenlängenbereich 250 – 2500 nm(2) Poröses PTFE eignet sich in hervorragender Weise auch für optische Anwendungen, da es ein hohes Reflexionsvermögen im UV-, im sicht Reflexion [%] 100 98 96 94 baren und im nahen Infrarotbereich 92 aufweist. Im Wellenlängenbereich 90 250 – 2000 nm ist das Reflexions- 88 86 vermögen nahezu konstant und 84 damit unabhängig von der Wellen- 82 länge. 80 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Wellenlänge [nm] Typische Anwendungen sind Ulb- Daneben wird poröses PTFE aber Verfügbarkeit von porösem PTFE richtkugeln zur Messung von diffu- auch eingesetzt als Lambertsche Typische Anwendungsformen sind ser Reflexion und gestreuter Trans- Reflektoren und Diffusoren. Diese Folien im Dickenbereich 0,1 bis mission, zur Charakterisierung finden Verwendung z. B. als Re- 3,0 mm; jedoch können auch Plat- von Lichtquellen (z. B. Glühlampen flexionsnormale, Basismaterial für ten mit nahezu jeder beliebigen oder LEDs) oder zur Leistungsmes- Integrationskugeln, Projektions- Dicke hergestellt werden. Die Folien- sung von Lasern, Laserdioden und wände oder Detektionssensoren breite liegt üblicherweise im Be LEDs. und optische Abschwächer. reich 100 mm für niedere P-WertEinstellungen und kann bei P 250 Breiten bis ca. 1300 mm erreichen. Speziell für Filter oder Anwendungen im optischen Bereich ist „alles möglich“, was durch Zerspanungstechnik aus den vorgenannten Halbzeugen herstellbar ist. Filtereinsätze mit hohen Festigkeitsanforderungen im Aufnahmebereich lassen sich aus einem Kombinationswerkstoff: „Kompaktes PTFE im Aufnahmebereich – poröses PTFE im Filterbereich“ herstellen. 27 28 Laminate auf Basis PTFE und modifiziertem PTFE Unter Laminaten versteht man verstärktes PTFE, das sich zum Einen aus einer PTFE-Folie oder -Platte und zum Anderen aus einem Substrat aufbaut. Die Werkstoffschichten sind fest miteinander verbunden. Als Diese bestehen z. B. aus Glas, Substrat kommen Gewebe, Fasern Metall, Keramik, Elastomeren oder oder Gewirke, aber auch Folien Hochleistungspolymeren. Der Auf- zum Einsatz. bau kann aus zwei oder mehreren Schichten bestehen. Konstruktionen bis zu 7 Lagen sind dabei keine Seltenheit. Folie aus leitfähigem PTFE oder modifiziertem PTFE, kaschiert mit Glas gewebe. Eine Kaschierung mit Kohlefaser-Gewebe ist ebenso möglich zur Verbesserung der Chemikalienbes tändigkeit, insbesondere bei Anwendungen für Flusssäure. 29 Anwendungsgebiete Laminate auf Basis von Standard- Bei Verwendung von modifiziertem Typische Anwendungen sind Aus- PTFE zeichnen sich durch die PTFE als Folienwerkstoff werden kleidungen im Anlagenbau, Bauteile folgenden Eigenschaften aus: diese Eigenschaften noch verstärkt für Elektro- und Elektronikanwen • Hervorragende und breite Chemi- durch: dungen, Membranen im Pumpen- oder Sensorenbau oder optisch durchlässige Verbunde für textiles Bauen. kalienbeständigkeit • Sehr breiter Temperatureinsatzbe- • Dichteres porenarmes Polymergefüge reich. Nach oben ausschließlich • Geringere Permeabilität begrenzt durch die Beständigkeit • Bessere Verschweißbarkeit des verwendeten Klebstoffes • Sehr gute Antihafteigenschaften • Form- und Spannungsrissbeständigkeit • Keine Versprödung, keine Alterung Aufbau und Anwendungen von Laminaten auf Basis von PTFE und modifiziertem PTFE am Beispiel einer Kesselauskleidung. 30 XYMON, ein Fluorpolymer-Compound der neuen Art Mit Xymon bietet ElringKlinger Kunst- Aufbau stofftechnik einen neuen Verbund- Xymon ist ein mit Kohlelangfasern (C-Fasern) verstärktes Fluorpolymer- werkstoff auf Basis von Fluorkunst- Compound mit anisotropem Eigenschaftsprofil. Es wird als Platte, Scheibe stoffen an, der herkömmlichen oder Ring gefertigt. Die Hauptausrichtung der Kohlenstofflangfasern PTFE-Compounds in seinen mechani- liegt in der xy-Ebene: Xymon schen Werten weit überlegen ist, z ohne seine hervorragenden chemischen Eigenschaften einzubüßen. z x y Eigenschaften x • Nahezu universelle Chemikalienbeständigkeit y • Extrem hohe Reißfestigkeit • Hohe Druckbeständigkeit • Extrem kaltflussresistent • Hohe Abriebbeständigkeit Alle Fasern sind gleichmäßig in der xy-Ebene verteilt. Anwendungsbeispiele • Ventildichtungen Im Vergleich zu ungefülltem PTFE oder typischen Compounds mit Kohle- • Lager oder Glasfaserfüllstoff ist der Eigenschaftsgewinn, gemessen parallel zur • Armaturen Faserrichtung, enorm (1): • Ventilsitze • Flachdichtungen XYMON UC-3000 XYMON UC-1500 PTFE 25 % Kohle PTFE 25 % Glasfaser PTFE ungefüllt 10000 MPa* 5000 MPa* – 800 MPa 750 MPa • Pumpenflügel • Ventilkomponenten E-Modul • Kolbenringe Reißfestigkeit 60 MPa* 45 MPa* 15 MPa 17 MPa 33 MPa • Automobildichtungen Deformation unter Last <2% 8,5 % 14 % 15 % <1% * Parallel zur Faserrichtung Chemikalienbeständigkeit Die sehr gute Beständigkeit der C-Fasern und die Tatsache, dass diese vom Fluorpolymer eng umschlossen sind, führen zu der einzigartigen Beständigkeit von Xymon, die der des reinen PTFE sehr nahe kommt. Der Werkstoff kann beispielsweise in Flusssäure, Salzsäure, Phosphorsäure, Mineralölen, Tetrahydrofuran und vielen anderen Medien eingesetzt werden. 31 32 Halbzeuge – leistungsfähige Vielfalt für die Weiterverarbeitung Auf Wunsch können für nahezu jeden Anwendungsfall maßgeschnei derte Compounds hergestellt ElringKlinger Kunststofftechnik bietet Halbzeuge in Form von Folien, werden. Dank der Eigencompoundierung verfügen wir inzwischen über ca. 500 verschiedene Compounds. Platten, Ringen, Stäben und Rohren an. Das komplette Sortiment ist in Wenn nicht anders erwähnt oder vier verschiedenen Werkstoffvarian- vom Kunden spezifiziert, werden die ten verfügbar. Eingesetzt werden: Halbzeuge auf der Basis von nicht- • Virginales PTFE rieselfähigen Compounds hergestellt. • Virginales modifiziertes PTFE Dadurch wird die maximal mög- • Compounds liche Qualität des zugrunde liegen- • Poröses PTFE den Werkstoffes ausgeschöpft. Zulassungen und Richtlinien Für kritische Anwendungen werden Compound-Halbzeuge Poröses PTFE häufig besondere Zulassungen Man unterscheidet Compounds mit Bei porösem PTFE kann in weiten Be gefordert. Dank dem bevorzugten anorganischen Füllstoffen – wie z. B. reichen Dichte, Porosität, Luftleit- Einsatz hochwertiger Rohstoffe Glasfasern, Glaskugeln, Kohle, wert oder Wassersäulenbeständig- bezüglich der PTFE-Matrix als auch Kohlefasern, Bronze, Molybdändi- keit variiert und auf die speziellen des Füllstoffs, unterstützt Elring- sulfid, Grafit – und Compounds Wünsche des Kunden eingestellt Klinger Kunststofftechnik Anwendun- mit organischen Füllstoffen. Hierzu werden. gen durch die Bereitstellung spe- zählen Polyimid (PI), Polyphenylen- zifischer Zertifikate, z. B. für den Ein- sulfid (PPS), Polyphenylensulfid- satz mit Lebensmittelkontakt oder dioxid (PPSO2), Polyetheretherketon in Gegenwart von Sauerstoff. (PEEK), Polyamidimid (PAI) oder aromatische Polyester (Econol®, Darüber hinaus wird auch die Konfor SumikaSuper®). mität, sofern diese gegeben ist, für EU-Richtlinien bestätigt, wie z. B. 2002/95/EG (RoHS) und 2002/ 96/EG (WEEE), oder für viele weitere Anforderungen, die geregelt sind durch KTW, USP Class VI, 3-A Sanitary, NSF, VDA, WRAS oder GADSL. Auf Seite 39 und 40 sind beispielhaft verschiedene PTFE-Typen und Compounds mit ihren Zulassungen bzw. Prüfungen hinsichtlich BgVV, EU, FDA und BAM aufgeführt. 33 Produkte Platten Wenn nicht weiter angegeben, dann gelten GKV-Werte für Platten sind in Stärken von physikalische Eigenschaften und Toleranzen in der jeweils 6 – 150 mm lieferbar in den Standard- neuesten Ausgabe. abmessungen: Bei porösem PTFE können die Werkstoffeigenschaften in folgenden Bandbreiten eingestellt werden: Dimension Eigenschaft Dichte g/cm Porosität Vol.-% Luftleitwert (1 mm) Wassersäule (1 mm) Minimal 3 1,20 1,80 40 20 ml/sec x cm2 x bar 100 mbar Maximal 300 10 700 Länge (mm) 300 500 620 1000 1000 1200 1200 1500 2000 2000 3000 Breite (mm) 300 500 620 500 1000 300 1200 1500 1000 500 1000 Aufgrund der reduzierten physikalischen Eigenschaften, insbesondere der hochporösen Varianten dieser Produktlinie, Viele Sondermaße können durch können die maximal herstellbaren Dimensionen kleiner vorhandene Einzelplattenwerkzeuge ausf allen als im Folgenden für „kompaktes“ PTFE oder Com- auf speziellen Kundenwunsch pounds angegeben. gefertigt werden. Besonderheit: Schälfolien und Standardplatten Folien der Stärke 0,5 – 50 mm sind ab Als Folien werden aus Blöcken geschälte Halbzeuge bezeichnet, die eine maximale Dicke von 5 mm aufweisen. Verfügbare Abmessungen 34 Dicke (µm) 30 – 100 Breite Min. (mm) 10 Breite Max. (mm) 300 100 – 5000 10 1600 Lager im Werkstoff PTFE lieferbar! Ringe Ronden Isostatisch gepresste Rohre und Sonderteile Insgesamt über 2.500 Werkzeug- Ronden sind Zylinder mit 150 mm kombinationsmöglichkeiten Kernbohrung. ElringKlinger Kunststofftechnik stehen bereit, um den Durchmesserbereich an Ringen von 30 mm bis verfügt über isostatische Pressen Folgende Abmessungen sind 3000 mm abzudecken. Ringhöhen bis lieferbar zu 80 mm gehören zum Standard; Höhen bis 150 mm sind auf Anfrage lieferbar. Auf Wunsch können Ringe bis in unterschiedlichen Größen. Sie ermöglichen die Herstellung Max. Außendurchmesser (mm) 600 700 1500 Max. Höhe (mm) 1600 150 70 3000 mm spanabhebend auf Endmaß bearbeitet werden. Vollstäbe isostatisch gepresster Rohre und Sonderteile bis zu folgenden Abmessungen: Max. Durchmesser (mm) 400 700 Max. Höhe (mm) 1500 1100 Vollstäbe in gepresster Qualität können in folgenden Dimensionen gefertigt werden: Minimal Maximal Durchmesser (mm) 80 500 Länge (mm) 1000 1000 35 Zulassungen und Richtlinien (Product Stewardship) ATEX ATEX-Richtlinie 94/9/EG brennbaren Stoffen in Form von Festlegung von Werkstoffen und (Geräterichtlinie) Gas en, Dämpfen, Nebeln oder Kenndaten Am 01. Juli 2003 trat die ATEX-Richt Stäuben und Luft unter atmos- Neben dem Aufwand für Kennzeich- linie (Atmosphères Explosibles = phärischen Bedingungen, in dem nung, EG-Konformitätserklärung, explosionsfähige Atmosphären) sich der Verbrennungsvorgang Abnahme und Zertifizierung der 94/9/EG als nationale Europanorm nach erfolgter Zündung auf das ATEX ertüchtigten Geräte, steht für EN 13436 in Kraft, wonach europa- gesamte unverbrannte Gemisch die Hersteller die geeignete Wahl weit auch nichtelektrische Geräte überträgt“. der Werkstoffe im Vordergrund. für den Ex-Bereich zugelassen sein Ein wichtiges Kriterium der Werk- müssen. Die ATEX-Richtlinie regu- ATEX-Konformitätsbescheinigungen stoffwahl ist z. B., elektrostatische liert den Explosionsschutz nicht- beziehen sich auf Geräte und Entladungsprozesse (Electronic elekt rischer Systeme, Geräte und Komponenten. Für Werkstoffe sind Static Discharge = ESD) zwischen Komponenten in explosionsge- entsprechende Bescheinigungen Gegenständen mit unterschied- fährdeten Bereichen und somit die nicht erforderlich, jedoch werden lichem elektrischem Potenzial zu Pflichten für den Gerätehersteller. seitens der Rohstoffhersteller re- vermeiden. Bei Entladungsvorgän- levante Werkstoffkennwerte beige- gen entstehen elektrische Licht- Atmosphären werden als potenziell stellt, die ATEX-Anwendungen bögen, die eine explosionsfähige explosionsfähig bezeichnet, wenn unterstützen. Atmosphäre zur Zündung bringen. sie dazu neigen durch Umgebungs- Die entstehenden Bauteilschäden und Betriebsbedingungen explo- gehen jährlich in die Millionen. sionsfähig zu sein. Die ATEX-Richt- Eine der Maßnahmen, dies zu ver- linie definiert eine explosionsfähige hindern ist die Verwendung von Atmosphäre „als Gemisch aus Materialien mit speziellen physikalischen Eigenschaften, insbesondere mit spezifischem elektrostatischem Ableitverhalten. Die geeignete Wahl der Werkstoffe mit den notwendigen Eigenschaften liegt in der Verantwortung des Geräteherstellers und richtet sich nach der entsprechenden Gerätekategorie. 36 Die für die ATEX-Anwendungen PTFE und PTFE-Compounds für Werden für spezielle Anwendungen relevanten Werkstoffkenndaten ATEX-Anwendungen höhere RTI-Werte gefordert, ergeben sich wie folgt: PTFE und PTFE-Compounds sind für so sind diese durch gesonderte • Werkstoffbezeichnung ATEX-Anwendungen eine geeignete Messungen zu ermitteln. • Mechanische Eigenschaften Wahl: (Biegefestigkeit, Zugfestigkeit) Hochwertiges PTFE und PTFE- • Temperaturbeständigkeit (TI) Compounds qualifizieren sich für • Elektrische Eigenschaften ATEX-Anwendungen durch aus- (Kriechstromfestigkeit, Ober- gezeichnete Langzeittemperatur- flächenwiderstand, elektrische beständigkeit, Chemikalienbe- Durchschlagsfestigkeit, Ent- ständigkeit sowie Stabilität gegen- flammbarkeit, Lichtbeständigkeit, über UV-Strahlung (Lichtbeständig- Chemikalienbeständigkeit) keit). LOI-Werte und eine „UL 94 Flame Class“ Einstufung von 94V-0 qualifizieren die Produkte auch im Bereich der Entflammbarkeit auf einem sehr hohen Niveau. Es stehen hochwertige leitfähige PTFE-Compounds zur Verfügung, die die elektrischen Anforderungen (Kriechstromfestigkeit, Oberflächen widerstand und elektrische Durchschlagsfestigkeit) erfüllen. Die Temperaturbeständigkeit liegt ebenfalls auf einem hohen Niveau in Bereichen von 180 °C (RTI-Werte nach UL). 37 PTFE und PTFE-Compounds im Lebensmittelkontakt Grundlegende rechtliche Anforde- In Deutschland sind die rechtlichen An Bestandteilen aus virginalem rungen für den Lebensmittelkontakt Voraussetzungen für Materialien PTFE können „in der Regel“ nicht Die grundlegenden rechtlichen oder Gegenstände im Lebensmittel- migrieren: Anforderungen an Materialien oder kontakt in der Bedarfsgegenstände- • Additive (üblich bei anderen Gegenstände für den Lebensmittel- verordnung (LMBG) festgelegt. kontakt sind innerhalb der EU durch Weiterhin kommen die Kunststoff- das EU-System und die Richtlinien Empfehlungen des ehemaligen Polymeren) • Virginale PTFE-Typen werden „in der Regel“ ohne Additive herge- der Europäischen Kommission sowie Bundesinstitutes für gesundheitlichen stellt und sind absolut frei von durch das jeweilige nationale Recht Verbraucherschutz und Veterinär- Additiven wie der Mitgliedsländer bestimmt. medizin (BgVV) zur Anwendung. Zum • Antioxidanzien, Gleitmitteln, Aufgrund des weit fortgeschrittenen 01.11.2002 wurde dieses Institut Harmonisierungsprozesses kommen aufgelöst. Das neu geschaffene bei Anwendungen im Kunststoffbe- Bundesinstitut für Risikobewertung reich zunehmend die EU-Richtlinien (BfR) übernahm die Verantwortung zum Tragen. für die Bereiche Lebensmittelsicher- Virginale PTFE-Compounds heit und Verbraucherschutz. Nach (Migration) Das weltweit bedeutendste regula- heutigem Kenntnisstand werden die An Bestandteilen aus virginalen tive System für Lebensmittelanwen- BgVV-Kunststoff-Empfehlungen im PTFE-Compounds können migrieren: dungen sind die Verordnungen Rahmen des EU-Harmonisierungspro- • Monomere (wie TFE, HFP und PPVE) der US-amerikanischen FDA (Food & zesses bis zum Jahr 2005 durch das Drug Administration, Nahrungs- EU-System abgelöst. und Arzneimittelbehörde). Der Inver- Weichmachern sowie • Stabilisatoren (flammwidrige Additive, UV-Absorber) • Nicht umgesetzte Monomere: Oligomere mit niedrigem Molekulargewicht kehrbringer von Bauteilen im Le Migration (Abgabe von PTFE- und bensmittelkontakt sollte, abhängig Compoundbestandteilen) „Glasfaser“, aus „Grafit“ sowie aus vom angestrebten Absatzmarkt, An Polymerbestandteilen bei PTFE „E-Kohle“) die Anforderungen der beiden großen und PTFE-Compounds können spezi- regulativen Systeme EU und FDA fisch migrieren: sowie der jeweiligen länderspezifischen Vorschriften berücksichtigen. • Additive (z. B. Bestandteile aus Aufgrund der aufgezeigten Eigenschaftsmerkmale von PTFE (Migra- Virginales PTFE (Migration) tionsverhalten) mit seinen ausge- An Bestandteilen aus virginalem zeichneten Reinheitskritierien (frei PTFE können migrieren: von Antioxidanzien, Gleitmitteln, • Monomere (wie TFE, HFP und PPVE) Weichmachern und Stabilisatoren • Nicht umgesetzte Monomere: Oli- wie flammwidrige Additive und gomere mit niedrigem Molekular- UV-Absorbern) wird PTFE bevorzugt gewicht für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Reinheit und physiologische Unbedenklichkeit im Lebensmittelkontakt, in der Pharmazie sowie für Anwendungen mit Bio- 38 kompatibilität gewählt. Konsequenzen für den Weiter- In der folgenden Tabelle wird über verarbeiter geeignete PTFE und PTFE-Compounds • Die Hinweise, die der Polymerher- für Anwendungen im Lebensmittel- steller in Form der Migrationswerte kontakt gegenüber den erläuterten weitergibt, haben informativen regulativen Systemen nach EG-Recht, Charakter; die Verantwortung liegt LMBG sowie FDA hingewiesen. Für auf der Ebene der Person, die den jeden Anwendungsfall sind Bestäti- Fertigartikel auf den Markt bringt. gungen von den Rohstoffherstellern • Grenzen (wie SMLs, OMLs …) einzuholen. können nicht durch den Polymerhersteller kontrolliert werden, da er keinen Einfluss nimmt auf • Modifikationen des Materials und die Prozessführung bei der Verarbeitung • die Form des Fertigartikels sowie auf • Einflussgrößen der beabsichtigten Anwendung wie (Lebens- Produkt-Beschreibung Überreinstimmung mit BgVV EU FDA Virginales PTFE (S-PTFE) • • • Virginales modifiziertes PTFE (S-PTFE modifiziert) • • • Virginales PTFE (E-PTFE) • • • Virginales modifiziertes PTFE (E-PTFE modifiziert) • • • PTFE-E-Kohle-Compound • • – PTFE-Grafit-Compound • • – PTFE-Kohle-Grafit-Compound – – – PTFE-Glasfaser-Compound • • • mitteltyp, Temperaturen, PTFE-Glasfaser-Grafit-Compound • • – Einwirkzeit und -dosis …) PTFE-Leitfähigkeitscompound • • – PTFE-Leitfähigkeitscompound (FDA) • • • PTFE-Bronze-Compound – – – Erläuterungen 1) Tabelle dient zur Information und Orientierung, die Angaben dürfen nicht als lebensmittelrechtliche Bestätigung verwendet werden. 2) Mit „•“ gekennzeichnete Produkte „können“ dem genannten lebensmittelrechtlichen System entsprechen, lebensmittelrechtliche Bestätigungen sind seitens der Rohstoffhersteller einzuholen. 39 PTFE und PTFE-Compounds in Gegenwart von Sauerstoff (BAM) PTFE und PTFE-Compounds werden BAM-Prüfverfahren für PTFE und PTFE-Compounds für An- aufgrund ihrer positiven Eigen- Dichtwerkstoffe wendungen im Sauerstoffkontakt schaftsmerkmale im Sauerstoffkon- Die Bundesanstalt für Materialfor- Von der BAM werden „nichtmetalli- takt vielseitig als Dichtwerkstoffe schung und -prüfung (BAM) hat als sche Materialien“ aus PTFE und in sauerstoffgeführten Anlagen unter ein von der Berufsgenossenschaft PTFE-Compounds für spezifische anderem als Dichtungselemente anerkanntes Prüfinstitut in den letz- Anwendungsbereiche in Sauer- für Armaturen (Ventile und Druckreg- ten fünf Jahrzehnten Prüfverfahren stoff-Anlagen geprüft und beurteilt. ler) und für Rohrleitungen in Flansch und Beurteilungsgrundlagen für den verbindungen und Verschraubungen sicheren Betrieb von Sauerstoff- Die seitens der Rohstoffhersteller eingesetzt. anlagen sowie für die Prüfung und bei der BAM in Auftrag gegebenen Beurteilung von nichtmetallischen Prüfungen sollen in der Regel rein Werkstoffe, Materialien und Bauteile, Dichtwerkstoffen und Dichtungen ent orientierende Versuchsergebnisse die für den Einsatz in sauerstoff- wickelt: liefern. geführten Anlagen bestimmt sind, 1. Zündtemperatur in verdichtetem müssen sicherheitstechnisch geeignet sein und werden daher speziellen Prüfungen unterzogen. Sauerstoff 2. Alterungsbeständigkeit in verdichtetem Sauerstoff 3. Einwirkung von Sauerstoff-Druck- Viele Werkstoffe, die in der Atmos phäre nicht brennbar sind, brennen in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre: Nicht nur leicht stößen 4. Prüfung von Flachdichtungen für Flanschverbindungen 5. Reaktionsfähigkeit mit flüssigem brennbares Öl und Fett, Gummi und Sauerstoff bei Schlagbeanspru- Kunststoff, sondern auch Alumini- chung um, Stahl und Messing können in Sauerstoff brennen. Diese Prüfverfahren und Beurteilungsgrundlagen erlauben, die für den jeweiligen Werkstoff sicherheitstechnisch zulässigen Betriebsbedingungen zu ermitteln. 40 Für spezielle Anwendungen ist das entsprechende Gutachten beim Rohstoffhersteller einzuholen. 41 IMDS – das Internationale Materialdatensystem Hintergrund (EU-Richtlinie Die Systematik des Internationalen Das System bedient sich dabei 2000/53/EG über Altfahrzeuge) Materialdatensystems IMDS folgender Listen: Hintergrund der Einführung des Mit dem Internet-basierten Interna- • Die Reinstoffliste Internationalen Materialdatensys- tionalen Materialdatensystem • Die Liste für deklarationspflichtige tems IMDS ist die nationale und IMDS wurde ein IT-Konzept zusam internationale Umweltgesetzgebung, mengestellt, um die erforderlichen Stoffe • Die GADSL (Global Automotive nach der jeder Hersteller für die Daten elektronisch abzubilden. ökologischen Auswirkungen seiner Dieses Konzept wird für das elektro- Produkte verantwortlich ist (EU- nische Sammeln und Berichten Weitere Informationen erhalten Sie Richtlinie 2000/53/EG über Altfahr- für/über Produktdaten verwendet. auch über die WEB-Adressen: zeuge, Kreislaufwirtschaftsgesetz, Declarable Substance List) • Das Internationale Materialdaten- ISO 14040ff, Integrated Product system IMDS: www.mdsystem. Policy …). com • EDS, Informationstechnologie Um dieser Forderung gerecht zu und Service GmbH, Frankfurt: werden, sind u.a. genaue Kenntnisse www.eds.de über die Zusammensetzung der Bauteile in Kraftfahrzeugen und der Europäischen Union: in ihnen verwendeten Materialien http://europa.eu.int/eur-lex/de/ und Substanzen erforderlich. Im Ver- index.html band der Automobilindustrie VDA Für den Inhalt der genannten wurde 1996 deshalb beschlossen, Webseiten übernehmen wir keinerlei den Erstmusterprüfbericht gemäß Haftung. VDA-Handbuch um ein Blatt: „Inhaltsstoffe der Zukaufteile (Materialdatenblatt)“ zu ergänzen. Der VDA-Vorstand bes chloss 1998 ferner, ein System zu schaffen, das es gestattet, Materialdatenblätter elektronisch zu erstellen und zu verarbeiten. 42 • EUR-Lex, das Portal zum Recht der Verarbeitungstechnische Hinweise Verarbeitung (Presspulver S-PTFE) Das Verpressen des Pulvers geschieht Verarbeitung (E-PTFE, Pastenpulver) Die Verarbeitung von PTFE erfolgt entweder auf hydraulischen Pressen PTFE, das durch Emulsionspolymeri- nach Verfahren, die der Verarbeitung mit einer Geschwindigkeits-, Druck- sation hergestellt wurde, kann durch von Sinterwerkstoffen sehr ähn- die sog. Pastenextrusion verarbeitet und Zeitsteuerung, auf isostati- lich sind. Wegen der hohen Schmelz- schen oder automatischen Pressen. werden. Dabei wird das Pulver mit viskosität von PTFE ist eine Ver- Nach dem Pressen werden die einem Gleitmittel, z.B. Benzin, ange- arbeitung wie bei anderen Hochleis- Vorformlinge in elektrisch beheizten teigt und dann mittels einer Kolben- tungsthermoplasten nicht möglich. Umluftöfen nach festgelegten Pro- presse bei Raumtemperatur zu einfa- grammen gesintert. Dabei sind Press- chen Profilen, wie z.B. Strängen, Bei hoher Temperatur (340 – 380 °C) und Sinterparameter auf die jewei- wird PTFE lediglich hochviskos, so lige PTFE-Pulverform oder, im Falle Schläuchen oder Bändern, verarbeitet. dass Spritzgießen oder gewöhnliches von Compounds, auf die Zusam- Der Extrusion schließt sich ein Extrudieren nicht möglich ist. Halb- Trockenschritt zur Entfernung des mensetzung abzustimmen. Nur so zeuge werden deshalb durch Pressen können optimale Werkstoffeigen- Gleitmittels an. Danach erreicht und Sintern oder durch Ramextru- der Werkstoff durch Sinterung bei schaften gewährleistet werden. ca. 350 – 380 °C seine endgültigen sion hergestellt. Ramextrusion Eigenschaften. Pressen und Sintern Die Ramextrusion ist ein Pressver- PTFE-Pulver wird in ein zylindrisches fahren, das die Herstellung endloser Die Verarbeitung von E-PTFE-Com- Werkzeug gegeben und anschlie- Profile ermöglicht. Dabei wird das pounds ist ebenfalls mittels Pasten- ßend unter großem Druck verdichtet. Granulat über eine Dosiervorrichtung extrusion möglich. Wichtig dabei ist, dass die in dem in ein zylindrisches Extrusionsrohr Werkzeug eingeschlossene Luft nahe- geleitet, mit einem hydraulisch betäzu vollständig entweichen kann. tigten Stempel verdichtet und im Rohr durch eine auf Sintertemperatur beheizte Zone befördert. In der Sinterzone „schmelzen“ die einzelnen Dosierchargen zu einem Endlosprofil zusammen. 43 Die hier gemachten Angaben – aus langjähriger Erfahrung und Erkenntnis – erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Etwaige Ersatzansprüche aufgrund dieser Informationen können nicht anerkannt werden. Einbau aller Ersatzteile nur durch geschultes Fachpersonal. Änderungen im Leistungsspektrum und technische Änderungen vorbehalten. Keine Gewähr bei Druckfehlern. Fordern Sie unser Kunststoff-Know-how. ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH | Etzelstraße 10 | D-74321 Bietigheim-Bissingen Fon +49 7142 583-0 | Fax +49 7142 583-200 Werk Heidenheim | Badenbergstraße 15 | D-89520 Heidenheim Fon +49 7321 9641-0 | Fax +49 7321 9641-24 [email protected] | www.elringklinger-kunststoff.de DQS zertifiziert nach ISO/TS 16949 (Reg.-Nr. 002504 TS2/003) | DIN EN ISO 14001 (Reg.-Nr. 002504 UM)
