In den vielfältigen Anwendungen von Kunststoffprodukten ist die Verschleißfestigkeit ein entscheidender Leistungsindikator, der sowohl die Nutzbarkeit als auch die Lebensdauer von Kunststoffkomponenten maßgeblich beeinflusst. Da Kunststoffe zunehmend in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, in der Elektronik und anderen Branchen eingesetzt werden, ist die Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit wichtiger denn je. Um Reibung und Verschleiß effektiv zu reduzieren, werden üblicherweise zwei Hauptmethoden eingesetzt: Zugabe von Schmierstoffen und Einarbeitung von Verstärkungsstoffen. Daher hat sich die Integration von Verstärkungsmaterialien zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Selbstschmierung als bevorzugte Lösung in der Branche herausgestellt. Im Folgenden untersuchen wir sieben häufig verwendete Füllstoffe, die die Verschleißfestigkeit von Kunststoffen erhöhen.
Schmiermittel können die Reibung zwar bis zu einem gewissen Grad reduzieren, haben aber auch erhebliche Nachteile. Mit der Zeit können Öle ihre Schmierwirkung verlieren. Sie müssen außerdem regelmäßig gewartet und erneut aufgetragen werden, was die Betriebskosten und den Arbeitsaufwand erhöht. Darüber hinaus neigen Schmiermittel dazu, Staub und Schmutz anzuziehen, was zur Verunreinigung der Innenteile und zu möglichen Geräteausfällen führen kann.
1. Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon)
PTFE wurde 1938 von DuPont entdeckt und ist allgemein als Teflon bekannt. Es bietet außergewöhnliche Antihafteigenschaften und hervorragende Selbstschmierung und eignet sich daher ideal für Antihaftbeschichtungen, beispielsweise in Kochgeschirr.
Als verschleißfestes Additiv weist PTFE-Mikropulver den niedrigsten Reibungskoeffizienten aller reibungsmindernden Additive auf. Es bildet einen glatten Schmierfilm auf den Oberflächen von Teilen und reduziert so den Verschleiß effektiv – insbesondere bei Anwendungen mit hoher Belastung. Das optimale Zugabeverhältnis beträgt 15% für amorphe Kunststoffe und 20% für kristalline Kunststoffe. PTFE-Mikropulver wird häufig in technischen Kunststoffen, Beschichtungen, Tinten, Schmiermitteln und Gummi verwendet, um die Verschleißfestigkeit, Kratzfestigkeit und Antihaftwirkung zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtschmierung zu optimieren. Beispielsweise zeichnen sich PTFE-verstärkte POM-Komponenten durch überlegene Verschleißfestigkeit und längere Lebensdauer aus.
2. Molybdändisulfid
Molybdändisulfid (MoS₂) ist ein dunkles Festschmierstoffpulver mit metallischem Glanz und glatter Textur. Es weist eine außergewöhnlich gute Leistung bei hohen Temperaturen und hohem Druck auf und gilt oft als erstklassiger Festschmierstoff.
In technischen Kunststoffen wird es hauptsächlich zur Verstärkung von Nylon verwendet. Beispielsweise weist mit MoS₂ gemischtes Nylon 66 im Vergleich zu reinem Harz eine verbesserte Steifigkeit, Härte und Dimensionsstabilität auf. Die Kristallstruktur von MoS₂ erhöht die Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit des Materials. Obwohl die Schlagfestigkeit leicht reduziert sein kann, wird es häufig in Zahnrädern, Lagern, Dichtungen und Gleitstücken verwendet, um Verschleiß zu reduzieren und die Betriebssicherheit zu erhöhen.
3. Graphit
Graphit hat eine geschichtete Gitterstruktur, die es seinen Molekülen ermöglicht, bei minimaler Reibung leicht zu gleiten. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll in feuchten Umgebungen, in denen Wasser die Reibung erhöhen kann.
Als verschleißfester Zusatzstoff wird Graphit häufig in wasserberührten Komponenten wie Pumpengehäusen, Laufrädern und Ventildichtungen eingesetzt. Es erhöht die Verschleißfestigkeit von Kunststoffen in feuchten oder Unterwasserumgebungen deutlich, reduziert den Wartungsbedarf und verlängert die Lebensdauer.
4. Polysiloxan
Polysiloxan ist ein wandernder Verschleißschutzzusatz. Bei Zugabe zu Thermoplasten wandert es allmählich an die Oberfläche und bildet einen durchgehenden Schutzfilm.
Die Viskosität von Polysiloxan bestimmt dessen Leistung – eine geringere Viskosität führt zu schnellerer Migration und besserer Verschleißfestigkeit. Ist es jedoch zu dünn, kann es zu schnell verdunsten oder migrieren, was seine Wirksamkeit verringert. Die Wahl der richtigen Viskosität ist für eine optimale Leistung entscheidend.
5. Glasfaser
Glasfaser ist ein anorganisches Material, das hauptsächlich aus Siliziumdioxid besteht. Es bietet hohe Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Obwohl es an sich spröde ist, verstärkt es Kunststoffstrukturen erheblich, indem es eine mechanische Bindung zwischen Polymermolekülen herstellt. Diese Integration verbessert die strukturelle Integrität und Verschleißfestigkeit. Es wird häufig in Pumpen, Ventilen, Lagern, Zahnrädern und Halterungen verwendet, um die Haltbarkeit und Tragfähigkeit zu verbessern.
6. Kohlefaser
Kohlenstofffasern werden durch Karbonisierung organischer Vorläufer bei hohen Temperaturen hergestellt. Wie Glasfasern verbessern sie die strukturelle Integrität, Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit.
Es ist jedoch weicher und weniger abrasiv als Glasfaser und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen Oberflächenkratzer vermieden werden müssen. Seine selbstschmierenden Eigenschaften machen es ideal für ölfreie Lager, Zahnräder und Kolbenringe in High-End-Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und Präzisionsmaschinen.
7. Aramidfaser (Kevlar)
Aramidfaser, die in den 1960er Jahren von DuPont entwickelt wurde, ist eine hochfeste synthetische Faser mit ausgezeichneter Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Sie ist fünf- bis sechsmal stärker als Stahl.
Als verschleißfester Zusatzstoff ist es weicher und weniger abrasiv als Glas- oder Kohlenstofffasern. Es eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen der Oberflächenschutz entscheidend ist. In Kombination mit ultrahochmolekularem Polyethylen wird es beispielsweise in taktischen Helmen eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit und Stoßdämpfung zu verbessern.
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