Modifiziertes PBT: Bewährte Leistung in Auto- und Elektronikteilen

Modifiziertes PBT: Bewährte Leistung in Auto- und Elektronikteilen

In der Familie der Kunststoffe gibt es ein Material, das für seine außergewöhnliche mechanische Festigkeit, hervorragende Hitzebeständigkeit und hervorragenden elektrischen Eigenschaften bekannt ist und es zu einem „Hardcore“ unter den technischen Kunststoffen macht – das ist PBT. Wenn Sie Elektrowerkzeuge benutzen, Auto fahren oder ein Haushaltsgerät bedienen, waren Sie wahrscheinlich bereits in „engem Kontakt“ mit PBT. Dieser scheinbar gewöhnliche und dennoch leistungsstarke technische Kunststoff ist die Grundlage für den zuverlässigen Betrieb der modernen Industrie.

PBT ist ein kristalliner linearer gesättigter Polyester, der durch Polykondensation von gereinigter Terephthalsäure (PTA) oder Dimethylterephthalat (DMT) mit 1,4-Butandiol (BDO) hergestellt wird. PBT hat eine Dichte von etwa 1,30–1,32 g/cm³, einen Schmelzpunkt zwischen 225–235 °C und weist gute Kristallisationsraten und kurze Formzyklen auf, was der Produktionseffizienz zugute kommt. PBT-Teile lassen sich einfach und in kurzen Zyklen fließgegossen, was zur Reduzierung der Produktionskosten beiträgt. Darüber hinaus bietet PBT Vorteile wie Feuchtigkeitsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Ölbeständigkeit und geringes Kriechen.

Derzeit übersteigt der weltweite jährliche PBT-Verbrauch 1 Million Tonnen. Es nimmt unter den fünf wichtigsten technischen Allzweckkunststoffen (PA, PBT, PC, POM, PPO) eine bedeutende Stellung ein und ist ein unverzichtbarer Schlüsselwerkstoff in Bereichen wie der Elektronik/Elektrogeräte und der Automobilindustrie.

Allerdings hat PBT Nachteile wie Entflammbarkeit, starkes Ausbluten niedermolekularer Verbindungen bei Kontakt mit Kältemitteln, unzureichende dielektrische Eigenschaften und die Tendenz, dass sich dünnwandige Teile verziehen, was seinen Anwendungsbereich einschränkt. Um die Leistungsmängel von reinem PBT-Harz auszugleichen, wurden verschiedene Modifikationsstudien durchgeführt.

I. Aktueller Stand der Modifikationsforschung für technische PBT-Kunststoffe

Um den industriellen Anforderungen gerecht zu werden, wird die Modifizierung von PBT zur Verbesserung seiner Funktionalität vom Markt bevorzugt. Derzeit werden im In- und Ausland vor allem Methoden wie die Copolymerisationsmodifikation, die Modifikation anorganischer Füllstoffe, die Nanokomposittechnologie und die Blendmodifikation eingesetzt, um die Gesamtleistung von PBT zu verbessern. Die Forschung zur Modifizierung von PBT-Materialien konzentriert sich hauptsächlich auf hohe Festigkeit, hohe Flammhemmung, geringen Verzug, geringes Ausbluten und geringe dielektrische Eigenschaften.

1. Mechanische Eigenschaften

Reines PBT-Harz weist eine relativ geringe Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und einen relativ geringen Biegemodul auf, was seine breite Anwendung in industriellen Bereichen einschränkt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist eine Modifikation erforderlich. Glasfaser (GF) bietet Vorteile wie gute Anwendbarkeit, einfache Abfüllprozesse und niedrige Kosten. Durch die Zugabe von Glasfasern zu PBT können die inhärenten Vorteile von PBT-Harz genutzt werden und gleichzeitig die Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Kerbschlagzähigkeit von PBT-Produkten erheblich verbessert werden.

2. Flammhemmung

Reines PBT kann bei vertikalen Brenntests nur die Einstufung UL94 HB erreichen. Es ist brennbar, tropft während des Brennens kontinuierlich ab (wodurch sich möglicherweise Flammen ausbreiten) und ist daher nur eingeschränkt in der Automobil-, Elektronik-/Elektro- und Textilbranche einsetzbar. Zur flammhemmenden Modifizierung werden üblicherweise halogenierte und halogenfreie Flammschutzmittel zugesetzt. Halogenierte Flammschutzmittel setzen bei der Verbrennung giftigen Rauch frei, der Halogenwasserstoffe enthält, was eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellt. Die EU hat einige halogenierte Flammschutzmittel verboten. Zur flammhemmenden Modifizierung von PBT werden vor allem phosphorbasierte und anorganische Flammschutzmittel eingesetzt.

Bei Verwendung anorganischer Flammschutzmittel kann eine übermäßige Zugabe zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials führen. Flammschutzmittel auf Phosphorbasis weisen diesen Nachteil nicht auf und bieten hervorragende Eigenschaften wie geringe Rauchentwicklung, geringe Toxizität und hohe Flammhemmung. Sie arbeiten häufig synergetisch mit stickstoffhaltigen Verbindungen zusammen, um effizientere Flammschutzsysteme zu erzielen. Bei der Verbrennung erzeugen phosphorbasierte Flammschutzmittel Phosphorsäureanhydrid, das zur Austrocknung und Verkohlung des brennbaren Materials führt. Die Kohleschicht verringert die Wärmeleitung, verzögert oder verhindert die Entstehung brennbarer Gase. Darüber hinaus bildet das Phosphorsäureanhydrid eine geschmolzene Schicht, die die brennbare Oberfläche bedeckt und die Freisetzung brennbarer Gase verhindert.

Über herkömmliche Flammschutzmittel hinaus kann die Zugabe von Nanofüllstoffen zu PBT-Materialien auch die Flammhemmung und die Anti-Tropf-Leistung verbessern, ohne die Verarbeitbarkeit zu beeinträchtigen.

3. Verzugsverformung

PBT-Material weist ein relativ leichtes molekulares Verrutschen auf, was zu einer starken Orientierung und Kristallisation führt, was zu hohen Schrumpfungsraten führt. Dies führt zu einer Verformung der PBT-Teile, insbesondere bei großen, dünnwandigen Teilen. Bei glasfaserverstärktem PBT führt die anisotrope Beschaffenheit der zugesetzten Glasfasern beim Spritzgießen zu unterschiedlichen Schrumpfungsraten in verschiedene Richtungen, was den Verzug des Teils erhöht. Dies wirkt sich nicht nur auf die Oberflächenqualität und Montageleistung von Kunststoffprodukten aus, sondern auch auf deren Festigkeit.

Um dem Verzug von PBT-Teilen entgegenzuwirken, kann neben der Verbesserung des Teiledesigns, des Formendesigns und der Verarbeitungsparameter auch eine Änderung des PBT-Materials selbst den Verzug abmildern. In den letzten Jahren wurde die Verformung von PBT-Materialien vor allem durch die Zugabe und Mischung/Legierung anorganischer Füllstoffe verbessert.

Darüber hinaus unterliegen amorphe Polymere wie Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) und Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) beim Spritzgießen keiner Kristallisation. Durch Mischen mit PBT kann die Schrumpfungsrate von PBT wirksam verringert werden.

4. Blutungs-/Exsudationsleistung

Aufgrund unvollständiger Reaktionen der Rohstoffe während der PBT-Herstellung entstehen kleine Moleküle und Oligomere. Produkte aus unmodifiziertem PBT-Material können unter bestimmten Bedingungen Blutungen/Ausschwitzungen aufweisen, die die Funktionalität der Teile beeinträchtigen. Wenn PBT-Materialien in Komponenten wie Kühlschrankkompressor-Schalldämpfern, Motorspulenspulen oder Klimaanlagen-Isolierrahmen verwendet werden, können die besonderen Betriebsbedingungen zum Austreten großer Mengen kleiner Moleküle führen. Diese können sich in Kältemitteln (z. B. Freon, Dichlordifluormethan) auflösen und möglicherweise Kältemittelleitungen verstopfen, was zu einem Ausfall der Kühlung führen kann.

Ausblutende Substanzen aus PBT bestehen hauptsächlich aus kleinmolekularen Oligomeren aus dem Harz selbst und geringen Mengen an Zusatzstoffen. Durch die Verwendung von Glasfasern, hochviskosen Harzen und das Füllen mit einer bestimmten Menge Adsorptionsmittel kann das Ausbluten/Ausschwitzen von PBT verringert werden.

5. Dielektrische Eigenschaften

Bei der Anwendung von PBT-Materialien in integrierten Schaltkreisen und elektromagnetischen Abschirmungen kommt es auf ihre dielektrischen Eigenschaften an, die sich auf die Signalübertragungsgeschwindigkeit und -verluste auswirken. In den letzten Jahren wurden strengere Anforderungen an die dielektrischen Eigenschaften von Isoliermaterialien gestellt, so dass für isolierende Harzmaterialien eine Dielektrizitätskonstante von nicht mehr als 2,8 gefordert wird. Die dielektrischen Eigenschaften von reinem PBT können die Kommunikationsanforderungen nicht erfüllen, weshalb die Entwicklung von PBT-Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem dielektrischen Verlust von Bedeutung ist.

Derzeit umfasst die Modifizierung der dielektrischen Eigenschaften von PBT hauptsächlich das Füllen oder Mischen mit Copolymeren mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Zu den häufig verwendeten Füllstoffen gehören Polytetrafluorethylen (PTFE)-Pulver und hohle Glasmikrokugeln. Kohlenstoffnanoröhren wirken sich auch positiv auf die dielektrischen Eigenschaften von PBT aus, eine übermäßige Zugabe kann jedoch sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch den dielektrischen Verlust erhöhen.

Mit der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) stellt die Hochspannungsübertragung höhere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit von Verbindungsmaterialien. Obwohl PBT eine gute Lichtbogenbeständigkeit aufweist und für das Hochgeschwindigkeitsformen geeignet ist, verhindert seine geringe Durchschlagsfestigkeit seinen Einsatz für die Hochspannungsübertragung in Elektrofahrzeugen. Die Modifizierung der dielektrischen Eigenschaften von PBT mit leitfähigen oder keramischen Füllstoffen kann die dielektrische Festigkeit verbessern und so die Sicherheit von Elektrofahrzeugen gewährleisten.

II. Anwendungen modifizierter technischer PBT-Kunststoffe

1. Automobilbereich
Mit der schrittweisen Entwicklung des „Ersatzes von Stahl durch Kunststoffe“ werden immer mehr Nichteisenmetalle und -legierungen durch Kunststoffe ersetzt. Aufgrund seiner guten Chemikalienbeständigkeit, Spannungsrissbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Witterungsbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und hohen Festigkeit wird PBT häufig in Automobil-Außenteilen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Wischerarmhalterungen, Stoßstangen, Türgriffe, Spiegelgehäuse, Unterbodenverkleidungen, Karosserieseitenverkleidungen, Kühlerlüfter, Radar-transparente Abdeckungen, Eckgitter und Beleuchtungskomponenten.

Aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und Isolationseigenschaften wird PBT auch häufig in Automobil-Innenraumkomponenten wie Instrumententafeln, Gas-/Kupplungspedalen, Aschenbechern und Innenspiegelhalterungen verwendet. Darüber hinaus wird PBT aufgrund seiner guten Ölbeständigkeit in Teilen von Automobilmotoren wie Kraftstoffsystemkomponenten und Zündkerzen-Unterplatten verwendet. Durch Legieren modifiziertes PBT wurde in den letzten Jahren auf Teile wie Stoßdämpferbuchsen und Lager angewendet. Modifiziertes PBT mit seinen Vorteilen guter Flammhemmung, dielektrischen Eigenschaften, geringem Verzug und geringer Wasseraufnahme wird auch häufig in Motorkomponenten für Kraftfahrzeuge verwendet.

2. Bereich Elektronik/Elektrogeräte
Aufgrund seiner geringen dielektrischen Eigenschaften, seines geringen Verzugs, seiner hohen Flammhemmung, seiner hohen Zähigkeit, seiner Alterungsbeständigkeit und seiner Umweltfreundlichkeit wird PBT häufig in der Elektronik und in Elektrogeräten eingesetzt. Beispiele hierfür sind Computergehäuse, Zündgeräte, elektrische Schalter, Kopierer, Transformatorspulen, Toasterteile und Eisenabdeckungen. Darüber hinaus kann modifiziertes PBT mit hervorragenden dielektrischen Eigenschaften und einfacher Verarbeitbarkeit für Sockelabdeckungen, Gehäuse und Spulen von Geräten verwendet werden.

Auch Kommunikationsgeräte nutzen PBT in großem Umfang, z. B. Anschlusskästen, Netzwerkanschlüsse und Mittelrahmen für Mobiltelefone und Laptops. Modifiziertes PBT wird auch zur Herstellung energiesparender Lampensockelkomponenten verwendet.

3. Maschinen- und Gerätebereich
Aufgrund seiner hohen Flammhemmung und Hitzebeständigkeit wird PBT häufig in Maschinen und Geräten wie Nocken, Zahnrädern, Kamerateilen, Uhrengehäusen, Quecksilberlampenabdeckungen und verschiedenen Knöpfen verwendet. Herkömmliche Spulenkörper erfordern Materialien mit hoher Isolationsdurchschlagsfestigkeit, um einen elektrischen Durchschlag während des Gebrauchs zu vermeiden. Bei der Verwendung in Komponenten wie Kühlschränken ist außerdem eine geringe Blutung/Ausschwitzung erforderlich, um zu verhindern, dass niedermolekulare Ausscheidungen zu mechanischen Komponentenausfällen führen.

Aufgrund der hervorragenden Flammhemmung, guten Fließfähigkeit, geringen dielektrischen Eigenschaften und einfachen Formbarkeit von PBT wird es bei der Herstellung von Kühlventilatoren verwendet, beispielsweise für Computer-CPUs, Netzteile, Motoren und ähnliche Kühlkörperanwendungen.

4. Kommunikationsbereich
Aufgrund seiner guten dielektrischen Eigenschaften, Verarbeitbarkeit/Formbarkeit, Dimensionsstabilität und relativ niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten wird PBT häufig im Kommunikationsbereich eingesetzt. Bei der drahtlosen Kommunikation werden PBT-Verbundwerkstoffen Fe₃O₄-Nanopartikel zugesetzt, um die Absorption elektromagnetischer Wellen zur magnetischen Abschirmung zu erhöhen und so die Gefährdung durch elektromagnetische Strahlung für den Menschen zu verringern. Dadurch eignet es sich als Kunststoffsubstrat für Basiskomponenten in Hochleistungskommunikationsgeräten.

PBT wird auch zur Herstellung von Steckverbindern zur Signalübertragung verwendet. Modifiziertes PBT verfügt nicht nur über die für Steckverbinder erforderliche Isolierung, Flammwidrigkeit und Witterungsbeständigkeit, sondern bietet auch Kostenvorteile und eine gute Formbarkeit, wodurch es für die Steckverbinderproduktion geeignet ist. Es wird häufig in TV- und Netzwerkkabelanschlüssen sowie für Verbindungen und Übertragungen zwischen verschiedenen Gerätekomponenten in Fahrzeugen mit neuer Energie verwendet.

III. Abschluss

Es wurden verschiedene Modifizierungsmethoden entwickelt, um spezifische Leistungsmängel von technischen PBT-Kunststoffen in verschiedenen Anwendungsbereichen zu beheben. Durch Modifizierungsmethoden wie Füllen, Mischen und Herstellen von Nanokompositen kann PBT eine hervorragende hohe Festigkeit, hohe Flammhemmung, geringe Verformung, geringes Ausbluten und geringe dielektrische Eigenschaften erreichen und so den Anforderungen in den Bereichen Automobil, Elektronik/Elektrik, Glasfaser, Textil und anderen Bereichen gerecht werden.

Zukünftige Bemühungen sollten sich auf die Entwicklung von PBT-Materialien konzentrieren, die mit den Zielen einer kohlenstoffarmen Umwelt und den hohen Materialanforderungen verschiedener Branchen in Einklang stehen. Durch die Weiterentwicklung von Modifikationstechnologien zur Beschleunigung der Entwicklung funktioneller PBT-Produkte können durch die Kombination mehrerer Modifikationsstrategien die mit einzelnen Methoden verbundenen Nachteile vermieden werden, was zu PBT-Materialien mit hoher zusätzlicher Funktionalität führt. Der Schwerpunkt sollte auf der Erweiterung der PBT-Materialanwendungen in den Bereichen Wärmeleitfähigkeit, Biotechnologie und elektromagnetische Abschirmung liegen, um den Einsatz in immer mehr Bereichen zu ermöglichen.