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Hochleistungskunststoffe

Ultradur® HR – PBT für feucht-heiße Umgebungen

Lange Lebensdauer unter anspruchsvollen Bedingungen

Die Ultradur® Produktreihe mit dem Namenszusatz HR (=hydrolysis resistant) zeichnet sich durch eine besonders hohe Beständigkeit des PBT-Polymers (PBT=Polybutylen-terephthalat) gegenüber der Schädigung durch Wasser bei erhöhten Temperaturen aus.

Kontakt mit Wasser – auch in Form von Luftfeuchtigkeit – führt bei Polyestern besonders bei erhöhten Temperaturen zu einer hydrolytischen Spaltung der Polymerketten und damit zu einer Schwächung des Materials.

Ultradur® HR basiert auf üblichem PBT, ist aber mit hochwirksamen Additiven ausgerüstet: Sie verzögern den hydrolytischen Abbau stark und können somit die Lebens-dauer eines Bauteils um ein Vielfaches verlängern.

BASF bietet eine Reihe von HR-modifizierten Ultradur® Typen an, die sich nicht nur durch eine hohe Hydrolyse-beständigkeit auszeichnen, sondern auch Vorteile in der Verarbeitung haben. Im Sortiment sind folgende Ultradur-Typen mit 15% Glasfaserverstärkung (G3) oder 30% Glasfaserverstärkung (G6):

  • Ultradur® B4330 G3 HR ungefärbt
  • Ultradur® B4330 G6 HR ungefärbt
  • Ultradur® B4330 G6 HR schwarz 15045 (laserbeschriftbar)
  • Ultradur® B4300 G6 HR ungefärbt
  • Ultradur® B4300 G6 HR schwarz 15116

Beide Produktfamilien, Ultradur® B4330 G6 HR und B4300 G6 HR, besitzen eine vergleichbare Hydrolysebeständigkeit. Die B4330 G6 HR-Typen sind aber zusätzlich schlagzäh-modifiziert. Das bringt Vorteile, wenn die Gefahr der Span-nungsrissbildung durch Kontakt mit alkalische Medien gegeben ist. Alkalische Medien können sich zum Beispiel bei Korrosionsprozessen an Metallen bilden.

Steigende Anforderungen an Kunststoffanwendungen

Für kritische Anwendungen, wie sie zum Beispiel in der Automobilelektronik zu finden sind, sind Langlebigkeit und Zuverlässigkeit Grundvoraussetzungen. Nicht selten nimmt bei modernen elektronischen Komponenten, z.B. durch Kompaktisierung, die durchschnittliche Betriebstemperatur zu.

Auch möglich ist, dass die Komponenten dort verbaut sind, wo sie in beträchtlichem Umfang der Abwärme des Antriebssystems ausgesetzt sind. Natürlich sollen die Kunststoffbauteile in allen Klimazonen der Erde funktionsfähig sein, auch in feucht-heißem Klima.

Kommt Spritzwasser- und Streusalzkontakt hinzu, dann kann dies die Anforderungen an den Kunststoff zusätzlich erhöhen. Damit entscheiden Belastungshöhe und -dauer darüber, ob eine Anwendung mit einem PBT ohne verbesserte Hydrolysebeständigkeit realisiert werden kann oder nicht.

Die Lastenhefte vieler Kunststoffanwendungen im Automobil beinhalten mittlerweile Prüfungen bei erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit oder Klimawechseltests, die nur von HR-modifizierten PBT-Typen bestanden werden können.

Typische Anwendungen für Ultradur® HR sind in der Automobilelektronik zu finden, z.B.:

  • Gehäuse und Deckel von Steuergeräten
  • Sensoren
  • Steckverbinder

Ultradur® HR verbindet Hydrolysebeständigkeit mit stabiler Verarbeitung 

Wichtige Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Elastizität und Schlagzähigkeit leiden darunter, wenn PBT hydrolytisch geschädigt wird. Die Abbildung zeigt exemplarisch am Beispiel der Bruchfestigkeit, wie positiv sich die HR-Ausrüstung der Ultradur® HR-Typen auf die Dauergebrauchszeit auswirkt.

Abgesehen von einem kleinen Konditionierungseffekt zu Beginn der Lagerung bleibt die Bruchfestigkeit bis zum Ende der Alterungsprüfung praktisch konstant. Das Vergleichsmaterial ohne HR-Ausrüstung ist dagegen nach einem Drittel der Zeit deutlich geschädigt und geschwächt.

Eine noch raschere Schädigung von PBT kann unter den Prüfbedingungen nach USCAR2 erfolgen, insbesondere in den höheren Prüfklassen 3 bis 5. Bei diesen Prüfungen wirken nacheinander Feuchtigkeit und Hitze auf die Bauteile ein, wobei dieses Wechselspiel 40 Mal wiederholt wird.

In der Feuchtphase wird das Bauteil konditioniert und weitgehend mit Wasser gesättigt. Die nachfolgende trockene Heißphase simuliert die schnelle Erwärmung eines durchfeuchteten Bauteils.

Im Bauteil findet nun hydrolytische Schädigung bei hohen Temperaturen – und damit enorm beschleunigt – statt, da das Bauteil die zuvor gespeicherte Feuchtigkeit nicht schnell genug wieder abgeben kann. In der höchsten Prüfklasse (Klasse 5) beträgt die Spitzentemperatur 175°C, und nurexzellent stabilisierte PBT-Werkstoffe wie Ultradur® B4330 G3 HR erreichen das Ende des Tests (40 Zyklen) ohne signifikante Eigenschaftseinbußen.

Weniger gut stabilisierte Produkte erfahren eine erkennbare Schädigung – bei nicht stabilisierten Produkten sogar lange vor Ende des Tests.

Additive, die zur Verbesserung der Hydrolysebeständigkeit eingesetzt werden können, sind in aller Regel auch rheologisch wirksam. Genauer gesagt, sie neigen dazu, die Schmelzeviskosität zu erhöhen. Bei üblichen Verarbeitungstemperaturen wird dieser Effekt mit zunehmender Verweilzeit immer stärker. Unschöne, fleckige Bauteiloberflächen (sog. Marmor-Effekt) sind eher harmlose Folgen davon.

Im Extremfall können zum Beispiel verstopfte Heißkanäle auftreten, die eine Unterbrechung der Produktion und ein aufwändiges Reinigen von Werkzeugen und Spritzgießmaschinen erzwingen.

Ultradur® HR ist auf eine möglichst stabile Schmelzviskosität hin optimiert, auch bei langen Verweilzeiten – beste Voraussetzungen für eine stabile und problemlose Verarbeitung.

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Ultradur® B4330 G6 HR besitzt neben einer ausgezeichneten Hydrolysebeständigkeit auch eine deutlich erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber spannungsriss-auslösenden alkalischen Medien.

Eine Schädigung durch Spannungsrissbildung pflanzt sich entlang der entstehenden Mikrorisse fort und führt sehr schnell auch zu einem makroskopischen Bruch. Im Gegensatz zur reinen hydrolytischen Alterung, die in der Regel im gesamten Bauteilvolumen abläuft, finden die Materialveränderungen bei der Spannungsrissschädigung vor allem lokal begrenzt an den Rissoberflächen statt. Schon eine geringe Menge eines rissauslösenden Mediums kann daher zu einem (lokalen) Bauteilversagen führen.

Ein kritisches alkalisches Milieu kann sich beispielsweise bei metallischen Korrosionsprozessen einstellen. Gefährdet sind also vor allem Kunststoffbauteile, die in direktem Kontakt zu Metall stehen.

Im Labor wird eine Belastung durch ein spannungsriss-auslösendes Medium dadurch simuliert, dass Prüfstäbe auf eine Biegeschablone gespannt und mit Natronlauge bestrichen werden. Stäbe ohne verbesserte Alkalienbeständigkeit brechen unter diesen Umständen schon nach sehr kurzer Zeit vollständig durch. Da die Spannungsrissschädigung unabhängig von einer hydrolytischen Schädigung ablaufen kann, können auch Stäbe aus HR-modifiziertem PBT im Laugentest versagen.

Entscheidend für eine möglichst hohe Alkalienbeständigkeit ist eine Zusatzausrüstung, wie sie Ultradur® B4330 G6 HR hat. Ultradur® HR ist auf eine möglichst stabile Schmelzeviskosität hin optimiert, auch bei langen Verweilzeiten – beste Voraussetzungen für eine stabile und problemlose Verarbeitung.

Materialien, die im Labor den Laugentest gut überstehen, schneiden der Erfahrung nach auch in realen Anwendungen wesentlich besser ab. Sie machen so das Bauteil zuverlässiger – auch unter kritischen Umwelteinflüssen.

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