PTFE-Spritzgießen?
Wenn jemand Ihnen vom Spritzguss mit PTFE erzählt hat, dann kennt er sich entweder nicht sehr gut mit dem Spritzgießen aus – oder aber er kennt vielmehr die neuesten Entwicklungen. Das PTFE heißt zu gut deutsch Polytetrafluorethylen. Der Name lässt sich tatsächlich viel leichter aussprechen als lesen. Und er ist so gut wie jedem bekannt, der sich als Chemiker oder Produzent von anspruchsvollen Kunststoff-Bauteilen mit den Fluorkunststoffen beschäftigt. Die Geschichte der Fluorkunststoffe beginnt um 1950 – und zwar genau mit dem Polytetrafluorethylen.
Es wurde unter dem Markennamen Teflon sehr bekannt und fast jeder hat daheim eine Pfanne, die mit Teflon beschichtet ist. Dieses fantastische Material ist der älteste bzw. erste Fluorkunststoff, der entwickelt wurde. Das PTFE zeigt so großartige Eigenschaften, dass es für viele Zwecke Verwendung findet. Allerdings muss man eine wichtige Eigenschaft vermissen. Bis vor kurzem jedenfalls war das herkömmliche PTFE nicht für den Spritzguss geeignet.
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Das Problem der Viskosität
Das liegt an einer besonderen Eigenschaft: Nach dem Schmelzen des PTFE ist es im Gegensatz zu den meisten anderen Thermoplasten oder ähnlichen Kunststoffen kaum fließfähig. Man spricht dann von einer hohen Viskosität, die das Fließen auf normalen Oberflächen verhindert. Viskosität bedeutet das Maß des Fließverhaltens oder der Zähflüssigkeit eines Materials.
Die Zähflüssigkeit beim PTFE ergibt sich aus der Reibung der inneren Moleküle aneinander. Man darf sich das PTFE also erhitzt als eine zähe Masse vorstellen, die sich auch bei stärkerer Erwärmung nicht weiter verflüssigt. Das führte zur Suche nach anderen Verarbeitungsmethoden, denn zum Spritzguss in einem Schneckenkolben ist das PTFE also nicht geeignet. Man fand die Lösung im Kaltpressung, das auch als Sintern bekannt ist und in der Extrusion, bei der das PTFE durch eine formgebende Öffnung gepresst wird. Beide Methoden sind aufwendiger und vor allem kostspieliger als der Spritzguss.
Die Fähigkeiten des PTFE
Aber wenn Sie erfahren, was das PTFE bzw. das Polytetrafluorethylen alles kann, werden Sie verstehen, dass man schon in den 50er Jahren nichts unversucht lassen wollte. Zunächst einmal ist das PTFE als Material recht günstig. Das gleicht die höheren Herstellungskosten der Produkte etwas aus. Das PTFE ist eine Mischung aus Fluor mit Kohlenstoffen. Damit ist es teilkristallin und gibt bei starker Erhitzung wie seine Vettern aus der Gruppe der PFA-Kunststoffe oder dem PEEK beim Spritzguss ziemlich giftige und aggressive Fluor-Dämpfe frei, die Mensch und Material aushalten müssen. Aber wenn das Bauteil durch Sintern oder Extrusion fertiggestellt ist, machen es folgende Eigenschaften so wertvoll:
- Es ist so beständig gegen Chemikalien, dass es fast unlöslich ist
- Das gilt natürlich erst recht für Wasser, Öle, Fette oder UV-Strahlung
- Es besitzt eine Thermostabilität bis zu 300° Grad Celsius
- Selbst dann ist es nur sehr schwer zu entflammen
- Es weist eine hohe Isolierfähigkeit gegenüber Elektrizität aus
Es gibt auch Probleme
Allerdings besitzen Kunststoffe wie das PTFE (und auch das PFA) nur eine geringe Festigkeit und Härte und unterliegen trotz ihres geringen Reibungskoeffizienten einem hohen Gleitverschleiß. Dazu kommt die geringe Adhäsion, also die Haftkräfte rein durch den molekularen Kontakt. Aber aus den letzten beiden Sätzen ergeben sich genau die Eigenschaften der Teflonpfannen des ausgehenden 20. Jahrhunderts.
Ohne die neueren Entwicklungen konnte das das Teflon gut einer Dauerhitze von 260° Grad widerstehen, aber man sollte nicht mit scharfen oder spitzen Gegenständen daran kratzen. So könnten sich Giftstoffe bilden und die wunderbare Gleitfähigkeit für den Braten in Fett oder Öl leiden. So erzählte man sich seinerzeit, aber tatsächlich ist das reine PTFE ungiftig. Doch diese Eigenschaften machen das PTFE und die anderen Fluorkunststoffe zu ausgezeichneten Röhren, Gleitern, Lagern oder sogar den Kugelgehäusen für Pistolenkugeln. Zwar nicht mit dem Spritzguss, aber dennoch so nützlich.
Woher kommen diese Eigenschaften?
Ohne den Leser überfordern zu wollen, gehen wir trotzdem kurz darauf ein, worauf diese Eigenschaften eigentlich basieren und wie sie zustande kommen. Wenn ein Kunststoff durch Polymerisation hergestellt wird, bedeutet das ja, dass sich meist ungesättigte organische Verbindungen unter dem Einfluss eines oder mehrerer Katalysatoren zu Polymeren verbinden. Sie bilden also lange und verzweigte Ketten. Bei Kunststoffen besteht die Hauptkette meist aus Kohlenstoffatomen.
Die üblicherweise dazugehörigen Wasserstoffatome werden bei den Fluorkunststoffen jedoch fast gänzlich durch Fluoratome ersetzt. Diese neue Beziehung ist so kräftig, dass sie nahezu unerschütterlich ist, also jedenfalls durch Hitze, Säuren, Basen oder Öle nicht auflösbar oder schmelzbar. Die Fluoratome sind im Verhältnis recht großformatig und umgeben die Kohlenstoffatome zudem wie eine Schutzhülle. Die Dichte dieser Fluorpolymere ist dabei recht hoch und erreicht 2,2 g/cm³. Alle diese Eigenschaften zusammen sorgen auch für diese hohe Viskosität, also das Verhalten als zähe Masse.
Modifiziertes PTFE
Wie kommt es dann aber, dass seit neuestem das PTFE oder zumindest eine modifizierte Form davon sich doch für den Spritzguss eignet? Dazu haben sich die Forscher die erwähnten PFA-Kunststoffe (Perfluoralkoxy-Polymere) und andere verwandte Fluorkunststoffe wie das PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder das FEP (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer) angesehen. Sie alle sind Fluorkunststoffe, die aus der Entdeckung des PTFE weiterentwickelt wurden.
Das PTFE zeigt bis heute die besten Eigenschaften, aber PVDF und PFA lassen sich halt billiger spritzgießen. Also teilte man die Fluorpolymere in solche ein, die in der Schmelze nicht verarbeitet werden können und solche, die wie das FEP oder PFA in der Schmelze verarbeitbar sind. Das sind dann die thermoplastischen Fluorpolymere oder Fluorthermoplaste. Diese Kunststoffe zeigten ebenfalls fast so gute Fähigkeiten, so dass genügend viele Produkte mit dem Spritzguss hergestellt werden konnten.
Kurze Molekülketten
Der Trick bzw. die komplexen Forschungsergebnisse für die Entwicklung eines besser verarbeitbaren PTFE führten zu folgendem Prozess. Es gelang, die Viskosität herabzusetzen, indem man das Molekulargewicht und damit den unerschütterlichen Zusammenhalt senkte. Das PTFE besteht ja aus sogenannten Kristalliten, die wie Lamellen angeordnet sind. Die feste Struktur wurde aufgelockert und die Lamellen stark verkleinert. Zwischen ihnen befinden sich ungeordnete und nicht so stabile Strukturen.
Die Kristalliten müssen also anders verbunden werden. Das erreicht man durch kurze Binde-Molekülketten, die die Lamellen zwar verbinden, aber auch mechanisch bearbeitbar machen. Das PTFE macht es seinen Produzenten allerdings nicht so leicht. Diese neuartige Schmelze greift Stahl an, so dass er leicht korrodiert. Aber das kann man mit hochwertigen Stählen in den Griff kriegen.