Was ist der Unterschied zwischen Thermoplasten und Duroplasten?
Bei der Wahl eines Kunststoffs für ein Maschinenteil achten Sie meist auf Eigenschaften wie Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Reibung oder Temperaturbeständigkeit. Davor steht jedoch eine grundlegendere Frage: Handelt es sich um einen Thermoplast oder um einen Duroplast?
Dieser Unterschied scheint vielleicht vor allem theoretischer Natur zu sein, hat in der Praxis jedoch große Folgen. Er bestimmt, wie ein Werkstoff auf Wärme reagiert, ob er recycelbar ist und vor allem, welche Bearbeitungen möglich sind. Ein Kunststoff, den Sie biegen oder schweißen möchten, muss zum Beispiel eine ganz andere Struktur haben als ein Kunststoff, der unter allen Umständen hart und formstabil bleiben soll.
In diesem Blog erklären wir, was Thermoplaste und Duroplaste sind, worin sie sich unterscheiden und was das für Ihre Anwendung bedeutet.
Zwei Familien innerhalb der Kunststoffe
Kunststoffe sind synthetische Werkstoffe, die durch chemische Prozesse hergestellt werden. Sie lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: Thermoplaste und Duroplaste. Der Unterschied liegt im chemischen Aufbau des Materials und darin, wie dieser Aufbau auf Wärme reagiert.
Kunststoffe bestehen aus langen Molekülketten, den sogenannten Polymeren. Wie diese Ketten miteinander verbunden sind, bestimmt, zu welcher Familie ein Kunststoff gehört.
Thermoplaste: unter Wärmeeinfluss formbar
Bei Thermoplasten werden die Molekülketten durch relativ schwache Kräfte zusammengehalten. Wird das Material erwärmt, lösen sich diese Kräfte: Der Kunststoff wird weich, lässt sich formen und schmilzt schließlich. Beim Abkühlen wird das Material wieder fest und behält die neue Form.
Bei der Erwärmung findet keine chemische Reaktion statt. Die Struktur des Materials bleibt gleich, sodass Thermoplaste mehrfach erwärmt, geformt und abgekühlt werden können. Das macht sie besonders vielseitig.
Der überwiegende Teil der technischen Kunststoffe, die im Maschinenbau eingesetzt werden, sind Thermoplaste. Denken Sie zum Beispiel an:
- POM, PA und HMPE für Führungen, Lager und Verschleißteile
- PETP für maßhaltige Präzisionsteile
- Polycarbonat und Acrylglas für transparente Maschinenhauben und Abschirmungen
- PVC, PP und PE als Baukunststoffe für chemisch beständige Anwendungen
- Hochleistungskunststoffe wie PEEK
Thermoplaste werden aufgrund ihrer Formbarkeit, Bearbeitbarkeit und Recyclingfähigkeit breit eingesetzt.
Duroplaste: einmal ausgehärtet, für immer hart
Duroplaste funktionieren grundlegend anders. Bei der Herstellung durchläuft das Material eine chemische Reaktion, bei der die Molekülketten untereinander starke Querverbindungen bilden. So entsteht ein festes, dreidimensionales Netzwerk.
Dieser Prozess ist irreversibel. Ein einmal ausgehärteter Duroplast wird beim erneuten Erwärmen nicht mehr weich und schmilzt nicht. Bei sehr hohen Temperaturen zersetzt sich das Material schließlich, es lässt sich jedoch nie wieder umformen.
Diese Eigenschaft macht Duroplaste geeignet für Anwendungen, bei denen Härte, Steifigkeit und Maßhaltigkeit entscheidend sind, wie elektrische Isolierung, Elektronikgehäuse, Flugzeugteile und Verbundwerkstoffe.
Bekannte Duroplaste sind Epoxid- und Phenolharze. Bei den technischen Kunststoffen sind vor allem Hartgewebe und Hartpapier bekannte Beispiele. Bei Hartgewebe ist Baumwollgewebe mit Harz getränkt und unter hohem Druck und hoher Temperatur ausgehärtet. Hartpapier ist auf die gleiche Weise aufgebaut, jedoch mit Papierlagen als Basis. Das Ergebnis ist ein sehr steifer, geschichteter Platten- oder Stabwerkstoff, der unter anderem für Buchsen, Ringe und isolierende Bauteile verwendet wird.
Was bedeutet der Unterschied für die Bearbeitung?
Für alle, die ein Kunststoffteil fertigen lassen, liegt hier der wichtigste praktische Unterschied. Die Struktur des Materials bestimmt nämlich, welche Bearbeitungen möglich sind.
Biegen ist nur bei Thermoplasten möglich. Beim Warmbiegen wird eine Biegelinie örtlich erwärmt, sodass das Material plastisch wird und in die gewünschte Form gebogen werden kann. Das geschieht zum Beispiel bei Maschinenhauben aus Polycarbonat oder Acrylglas. Ein Duroplast wird bei Erwärmung nicht weich und bricht beim Biegen.
Schweißen ist ebenfalls Thermoplasten vorbehalten. Beim Kunststoffschweißen werden zwei Bauteile mit Wärme und einem Schweißdraht aus demselben Material miteinander verschmolzen. Werkstoffe wie PVC, PP und HMPE eignen sich hierfür gut, zum Beispiel für wasserdichte Auffangwannen. Da Duroplaste nicht schmelzen, lassen sie sich nicht schweißen.
Fräsen und Drehen sind bei beiden Familien gut möglich. Bei Thermoplasten wird die Schmelzempfindlichkeit des Materials berücksichtigt, zum Beispiel durch die Wahl von Werkzeug und Schnittgeschwindigkeit, damit das Material nicht zu warm wird. Duroplaste wie Hartgewebe lassen sich dagegen sehr fein zerspanen, wobei eine gute Absaugung des freiwerdenden Staubs wichtig ist. Bauteile aus Duroplasten werden daher fast immer aus Platten- oder Stabmaterial gefräst oder gedreht.
Verbinden erfolgt bei Duroplasten durch Kleben oder mechanische Befestigung. Bei Thermoplasten sind Kleben, Schweißen und mechanische Befestigung alle möglich, je nach Material und Anwendung.
Ist ein Duroplast immer hitzebeständiger?
Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass Duroplaste per Definition besser gegen hohe Temperaturen beständig sind als Thermoplaste. Das stimmt nicht ganz.
Es stimmt, dass ein Duroplast nicht weich wird oder schmilzt. Aber es gibt auch Thermoplaste, die gezielt für langfristige thermische Belastung entwickelt wurden. Hochleistungskunststoffe wie PEEK und PAI behalten ihre mechanischen Eigenschaften bei Dauergebrauch bis etwa 250 °C, in Kombination mit hoher Festigkeit und Verschleißfestigkeit.
In der Praxis kommt es nicht nur auf die maximale Temperatur an, sondern vor allem darauf, ob ein Material seine Eigenschaften unter langanhaltender Wärme, Belastung und den Bedingungen Ihrer Anwendung behält. In unserem Blog Welcher Kunststofftyp ist am besten hitzebeständig? gehen wir darauf ausführlicher ein.
Nachhaltigkeit und Recycling
Auch in Bezug auf Nachhaltigkeit gibt es einen deutlichen Unterschied. Thermoplaste können erneut eingeschmolzen und verarbeitet werden, sodass Restmaterial ein zweites Leben erhalten kann. Immer mehr Thermoplaste sind daher auch als recycelter Kunststoff erhältlich.
Bei Duroplasten ist das viel schwieriger. Da das Netzwerk im Material nicht erneut umgeformt werden kann, lässt sich ein Duroplast nach der Aushärtung nicht auf dieselbe Weise recyceln. Das ist einer der Gründe, warum Thermoplaste in vielen Anwendungen bevorzugt werden.
Thermoplast oder Duroplast: Was passt zu Ihrer Anwendung?
Bei den meisten Anwendungen im Maschinenbau ist ein Thermoplast die logische Wahl. Diese Werkstoffe bieten eine große Auswahl an Eigenschaften, von Maßhaltigkeit und geringer Reibung bis hin zu Schlagzähigkeit, chemischer Beständigkeit und Hitzebeständigkeit. Außerdem lassen sie sich auf viele Arten bearbeiten, vom Sägen und Fräsen bis zum Biegen und Schweißen.
Ein Duroplast kommt in Frage, wenn ein Bauteil unter allen Umständen hart, steif und formstabil bleiben muss oder wenn elektrische Isolierung eine wichtige Rolle spielt. Denken Sie an isolierende Bauteile, Buchsen und Ringe aus Hartgewebe oder Hartpapier.
Letztlich beginnt die richtige Wahl, wie bei jeder Materialfrage, bei der Anwendung. Welche Belastung wirkt auf das Bauteil? Spielt Wärme eine Rolle? Kommt es mit Feuchtigkeit oder Chemikalien in Kontakt? Und muss das Bauteil gebogen, geschweißt oder geklebt werden?
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