Warum halten manche Kunststoffe lange, während andere schnell altern und reißen, obwohl es sich bei allen um Kunststoffe handelt?(1)
Warum halten manche Kunststoffe lange, während andere schnell altern und reißen, obwohl es sich in allen Fällen um Kunststoffe handelt?
Kunststoff gehört wohl zu den Materialien, mit denen wir täglich in Berührung kommen. Mineralwasserflaschen, Take-away-Behälter, Handyhüllen, Steckdosengehäuse, Kabelummantelungen, Autoinnenausstattungen, Gehäuse von Haushaltsgeräten, Dichtungen, Rohre und Verpackungsfolien – Kunststoffe sind fast überall zu finden. Dennoch haben viele Menschen keine besonders positive Meinung von Kunststoff.
Bei Kunststoffen herrschen gängige Meinungen vor: Sie sind billig, zerbrechlich, neigen dazu, mit der Zeit spröde zu werden und altern unter Sonneneinstrahlung. Manche vergilben sogar, werden klebrig und geben seltsame Gerüche ab.
Diese Phänomene existieren tatsächlich. Es wäre jedoch eine zu starke Vereinfachung, daraus zu schließen, dass „alle Kunststoffe nicht haltbar sind“. Kunststoff ist kein einheitliches Material, sondern eine breite Materialgruppe. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Kunststoffen sind viel größer, als viele annehmen. Obwohl sie alle als Kunststoffe bezeichnet werden, sind manche für Einwegverpackungen, andere für Automobilkomponenten, wieder andere für Zahnräder und Lager, manche für medizinische Geräte und manche können sogar langfristig in Umgebungen mit hohen Temperaturen, starker Korrosion und Anforderungen an die elektrische Isolierung eingesetzt werden.
Die eigentliche Frage ist daher nicht, ob Kunststoff haltbar ist, sondern vielmehr:
Welche Art von Kunststoff wird verwendet?
Wurde es mit Zusatzstoffen verändert?
Ist der Herstellungsprozess angemessen?
Überschreitet die Betriebsumgebung die Leistungsgrenzen des Materials?
In diesem Artikel gehen wir zunächst folgender Frage nach: Warum sind manche Kunststoffe sehr haltbar, während andere schnell altern und reißen?
I. Kunststoff ist kein einzelner Werkstoff, sondern eine ganze Werkstofffamilie.
Im Alltag bezeichnen wir viele Gegenstände einfach als „Kunststoff“. In der Materialwissenschaft umfasst der Begriff Kunststoff jedoch eine breite Palette unterschiedlicher Arten.
PE (Polyethylen): wird häufig für Folien, Flaschenverschlüsse, Rohre und Verpackungsmaterialien verwendet.
PP (Polypropylen): weit verbreitet in Lebensmittelbehältern, Haushaltsgerätekomponenten, Automobilteilen und Alltagsgegenständen.
PVC (Polyvinylchlorid): wird typischerweise für Rohre, Kabelummantelungen, Bodenbeläge und Profile verwendet.
ABS: wird für Gehäuse von Haushaltsgeräten, Spielzeug und Fahrzeuginnenausstattung verwendet.
PC (Polycarbonat): zeichnet sich durch hervorragende Transparenz und hohe Schlagfestigkeit aus und eignet sich für transparente Bauteile und Schutzteile.
PA (Polyamid, auch bekannt als Nylon): zeichnet sich durch gute Festigkeit und Verschleißfestigkeit aus und wird häufig für Zahnräder, Lager und mechanische Bauteile verwendet.
POM (Polyoxymethylen): bietet hohe Steifigkeit und Verschleißfestigkeit, ideal für Präzisionsgetriebeteile.
TPU (Thermoplastisches Polyurethan-Elastomer): flexibel und abriebfest, weit verbreitet für Handyhüllen, Schuhmaterialien, Kabel und flexible Schläuche.
Diese Materialien werden von der breiten Öffentlichkeit gemeinhin als „Kunststoff“ bezeichnet, obwohl ihre Eigenschaften stark variieren. Manche sind weich, andere hart. Einige sind kältebeständig, andere hitzebeständig. Manche sind transparent, andere undurchsichtig. Manche sind ölbeständig, andere empfindlich gegenüber Lösungsmitteln. Manche eignen sich für den Innenbereich, andere können über längere Zeiträume im Freien verwendet werden.
Bei der Beurteilung der Zuverlässigkeit eines Kunststoffbauteils besteht der erste Schritt daher nicht darin, zu prüfen, ob es aus Kunststoff besteht, sondern darin, genau zu bestimmen, um welche Art von Kunststoff es sich handelt und in welchem Anwendungsszenario es eingesetzt werden soll.
II. Warum altern Kunststoffe?
Die Alterung von Kunststoffen bezeichnet im Wesentlichen Veränderungen der Materialstruktur während des Gebrauchs. Diese Veränderungen können durch Licht, Wärme, Sauerstoff, Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanische Belastung ausgelöst werden und hängen auch von den Verarbeitungsbedingungen und der Rezeptur ab. Nach der Alterung können Kunststoffe folgende Phänomene aufweisen: Versprödung und Rissbildung, Vergilbung, Kreidung, Klebrigkeit, Aushärtung, Erweichung, Festigkeitsverlust, Oberflächenmattierung und Dimensionsverformung. Die Ursachen für diese Symptome sind nicht immer gleich.
1. Sonnenlicht und UV-Strahlung verursachen Versprödung bei Kunststoffen.
Viele Kunststoffteile im Außenbereich sind anfällig für längere Sonneneinstrahlung. Die ultraviolette Strahlung des Sonnenlichts beschleunigt Photooxidationsreaktionen in bestimmten Polymermaterialien, was zu Molekülkettenbrüchen und Strukturveränderungen führt. Sichtbare Anzeichen sind Ausbleichen, Vergilben, Kreiden der Oberfläche und verminderte Festigkeit, was schließlich zu Versprödung und Rissbildung führt.
Dies erklärt, warum Plastikeimer, Plastikstühle und die äußeren Ummantelungen von Außenkabeln jahrelang im Innenbereich gut funktionieren, nach einer gewissen Zeit im Freien jedoch merklich spröde werden.
Für Anwendungen im Außenbereich müssen Faktoren wie Witterungsbeständigkeit, UV-Schutz, Ruß, Lichtstabilisatoren, Antioxidantien oder Oberflächenbeschichtungen berücksichtigt werden. Nicht alle Kunststoffe sind von Natur aus für den langfristigen Einsatz im Außenbereich geeignet.
2. Hohe Temperaturen beschleunigen die Oxidation und den Leistungsabfall.
Kunststoffe reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen. Einige Kunststoffe weisen bei Raumtemperatur hervorragende Eigenschaften auf, unterliegen jedoch unter anhaltender Einwirkung hoher Temperaturen einer thermooxidativen Alterung. Beispielsweise können Bereiche in der Nähe von Motoren, Heizungsöffnungen, wärmeerzeugenden Teilen von Elektrogeräten und Fahrzeuginnenräume, die direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, Temperaturen erreichen, die weit über den üblichen Temperaturen in Innenräumen liegen.
Mit steigender Temperatur beschleunigt sich die Alterung von Werkstoffen, und Dimensionsstabilität, Festigkeit und Zähigkeit können sich verschlechtern. Daher hängt die Einsatzfähigkeit eines Kunststoffbauteils nicht nur davon ab, ob es solchen Temperaturen kurzzeitig standhält, sondern auch davon, ob es seine Eigenschaften unter diesen Temperaturen langfristig beibehält. Dieser Aspekt wird von vielen Einsteigern häufig übersehen.
3. Spannungskonzentration löst vorzeitige Rissbildung aus
Die Rissbildung in einigen Kunststoffteilen ist nicht ausschließlich auf minderwertiges Basismaterial zurückzuführen, sondern auch auf versteckte Risiken, die aus der Konstruktion und der Verarbeitung resultieren. Beispiele hierfür sind:
übermäßig scharfe Ecken
abrupte Wanddickenübergänge,
fehlerhaft konstruierte Schraubenaufnahmen
Verriegelungen unter Dauerlast,
hohe innere Restspannungen beim Spritzgießen,
erzwungene Kompression während der Montage
langfristige Biegung oder Vibration.
An diesen Stellen bilden sich Spannungskonzentrationen. Unmittelbar nach der Herstellung sind möglicherweise keine Mängel sichtbar, doch nach einer gewissen Nutzungsdauer entstehen und breiten sich von diesen Schwachstellen Risse aus.
Daher lässt sich die Rissbildung in Kunststoffbauteilen nicht immer allein auf mangelhafte Materialqualität zurückführen. Sie kann vielmehr das Ergebnis einer Kombination aus Materialauswahl, Konstruktion, Werkzeugbauweise, Spritzgussverfahren und Montage sein.
4. Auch der Kontakt mit Chemikalien kann zu Rissen führen.
Viele Menschen gehen davon aus, dass Kunststoffe wasser- und korrosionsbeständig sind. Das stimmt nur teilweise. Die chemische Beständigkeit verschiedener Kunststoffe variiert stark. Manche Materialien reagieren empfindlich auf Alkohol, andere auf Öle, Reinigungsmittel, Lösungsmittel oder Säuren und Laugen. Bestimmte Kunststoffe sind anfällig, wenn sie gleichzeitig Belastungen und Chemikalien ausgesetzt sind.
Beispielsweise kann ein transparentes Kunststoffbauteil unter normalen Bedingungen robust erscheinen. Längerer Kontakt mit Alkohol, Reinigungsmitteln, Fetten oder bestimmten Lösungsmitteln kann jedoch in Verbindung mit inneren Spannungen zu feinen Rissen führen. Dieses Phänomen ist als Spannungsrisskorrosion bekannt. Es zeichnet sich durch die allmähliche Entstehung von Rissen unter Betriebsbedingungen ohne signifikante äußere Einwirkung aus.
Bei der Beurteilung der Haltbarkeit von Kunststoffen reicht es daher nicht aus, nur die mechanische Festigkeit zu berücksichtigen; es müssen auch die Kontaktmedien einbezogen werden.
5. Wasser und feuchte Hitze können auch bestimmte Kunststoffe beeinträchtigen.
Manche Kunststoffe reagieren empfindlich auf Wasser und feuchte Wärme. Nylon beispielsweise absorbiert leicht Feuchtigkeit, was zu Veränderungen seiner Abmessungen, Festigkeit, Steifigkeit und elektrischen Eigenschaften führen kann. Materialien wie Polyester und Polycarbonat sind zudem bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit oder ungeeigneten Verarbeitungsbedingungen hydrolysegefährdet.
Das bedeutet nicht, dass diese Materialien von minderer Qualität sind; vielmehr haben sie ihre Grenzen. Bei der Materialauswahl ist es unerlässlich zu klären, ob das Bauteil mit Wasser in Berührung kommt, ob es langfristig in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt wird, ob Dimensionsstabilität erforderlich ist und ob elektrische Isolationseigenschaften eine Rolle spielen. Selbst bei ein und demselben Material können die Ergebnisse in trockenen Innenräumen völlig anders ausfallen als unter heißen und feuchten Außenbedingungen.
