Polymere

Polymere zeichnen sich durch einige grundlegende Besonderheiten aus:

• Große Eigenschaftsbandbreite
  Je nach chemischer Struktur und Aufbau reichen die Eigenschaften von weich und gummiartig bis hart und hochfest, von transparent bis opak, von flexibel bis sehr formstabil.
• Geringe Dichte/geringes Gewicht
  Im Vergleich zu Metallen und Keramiken sind Polymere in der Regel deutlich leichter. Das ermöglicht Gewichtsreduktion und Ressourceneffizienz bei Bauteilen und Produkten.
• Gezielt einstellbare Eigenschaften
  Durch Wahl der Monomere, der Kettenarchitektur (z. B. linear oder verzweigt), des Vernetzungsgrades sowie durch Additive und Füllstoffe lassen sich mechanische, thermische, optische, elektrische und chemische Eigenschaften sehr präzise anpassen.
• Sehr gute Formgebung
  Viele Polymere lassen sich im Schmelz- oder Lösungszustand in sehr komplexe Geometrien überführen und sind daher für die unterschiedlichsten Serienproduktionen geeignet.
• Vielfältige Funktionalisierung
  Oberflächen und Volumeneigenschaften können beispielsweise hinsichtlich Leitfähigkeit, Haftung, Barriereverhalten, Biokompatibilität oder UV-Stabilität modifiziert werden.

Die konkreten Eigenschaften hängen stark vom jeweiligen Polymer ab, dennoch lassen sich einige typische Tendenzen zusammenfassen:

• Dichte
  Polymere besitzen meist eine geringere Dichte als Metalle, typischerweise im Bereich von etwa 0,8 bis knapp über 2 g/cm³, je nach Struktur und Füllstoffen.
• Mechanische Eigenschaften
  Das Elastizitätsmodul reicht von sehr niedrigen Werten bei weichen Elastomeren bis zu hohen Werten bei faserverstärkten Polymerverbunden.
  Die Zugfestigkeit kann von wenigen MPa (weiche Schäume) bis in Bereiche vergleichbar mit Metallen reichen (hochverstärkte Verbundwerkstoffe).
• Thermische Eigenschaften
  Polymere besitzen charakteristische Glasübergangstemperaturen (T_g) und bei teilkristallinen Thermoplasten zusätzlich Schmelztemperaturen (T_m). Abhängig vom Polymertyp ergeben sich Einsatztemperaturbereiche von tiefen Minustemperaturen bis deutlich über 100 °C.
• Chemische Beständigkeit
  Viele Polymere sind beständig gegenüber Wasser, zahlreichen Salzen und vielen organischen Medien. Die Beständigkeit gegenüber Lösemitteln, Ölen, Säuren und Basen ist jedoch stark polymerabhängig
• Elektrische Eigenschaften
  Die meisten unverstärkten Polymere sind sehr gute elektrische Isolatoren. Durch geeignete Füllstoffe oder intrinsisch leitfähige Polymere können antistatische oder leitfähige Systeme realisiert werden.
• Alterung und Umweltbeständigkeit
  Polymere können gegenüber UV-Strahlung, Sauerstoff, Wärme oder bestimmten Medien empfindlich sein. Über Materialwahl, Stabilisatoren und geeignete Konstruktion lässt sich das Alterungsverhalten gezielt beeinflussen.

Konkrete Kennwerte müssen stets den technischen Datenblättern des jeweiligen Materials entnommen werden.

Verarbeitungsmöglichkeiten

Polymere lassen sich mit einer Vielzahl industriell etablierter Verfahren verarbeiten, zum Beispiel:

• Spritzgießen – Herstellung komplexer Formteile in hohen Stückzahlen
• Extrusion – Folien, Platten, Profile, Rohre
• Blasformen/Streckblasformen – Hohlkörper wie Flaschen und Tanks
• Thermoformen – Verformung von Platten und Folien zu Schalen, Abdeckungen, Gehäusen
• Schäumen – Herstellung von Hartschaum- und Weichschaumprodukten
• Faser- und Filamentherstellung – Textilfasern, technische Fasern, 3D-Druck-Filamente
• Additive Fertigung (3D-Druck) – je nach Polymertyp z. B. FDM/FFF, SLS, SLA

Funktionalisierung

Die Funktionalisierung kann auf unterschiedlichen Ebenen erfolgen:

Im Volumen (Compounding)

• Verstärkungsfasern (z. B. Glas-, Carbonfasern)
• Füllstoffe (Mineralien, Partikel)
• Additive (UV-Stabilisatoren, Flammschutzmittel, Weichmacher, Farbmittel, Antioxidantien)
• Leitfähige Füllstoffe für elektrische oder thermische Leitfähigkeit

Auf der Oberfläche

• Plasma-, Corona- oder Flammbehandlung zur Erhöhung der Oberflächenenergie
• Chemische Modifikationen zur Verbesserung von Haftung, Benetzbarkeit oder Biokompatibilität
• Dünne Funktionsschichten, z. B. als Barriere, Antifog-, Antihaft- oder Antimikroben-Beschichtungen

Auf molekularer Ebene

• Copolymerisation zur gezielten Einstellung von Glasübergang, Kristallinität und Polarität
• Polymerblends zur Kombination unterschiedlicher Eigenschaftsprofile in einem Werkstoff

Polymere sind besonders geeignet, wenn:

• Gewichtsreduktion und materialeffiziente Konstruktion gefordert sind
• Komplexe Geometrien mit integrierten Funktionen (Scharniere, Schnappverbindungen, Dichtstrukturen) benötigt werden
• Große Stückzahlen wirtschaftlich produziert werden sollen
• Elektrische Isolation oder definierte dielektrische Eigenschaften wichtig sind
• Dämpfung von Schwingungen und Geräuschen oder Stoßabsorption erforderlich ist
• Transparente oder transluzente Bauteile gebraucht werden (z. B. optische Abdeckungen, Lichtleiter)
• Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und vielen Chemikalien erforderlich ist
• Flexibilität oder Elastizität eine zentrale Rolle spielt (Schläuche, Dichtungen, flexible Komponenten)

Typische Anwendungsfelder für Polymere sind unter anderem:

• Verpackungstechnik
  • Folien, Flaschen, Becher, Verschlüsse, flexible Verpackungssysteme
• Bauwesen
  • Rohrleitungen, Dämmstoffe, Fensterprofile, Dichtungen, Bodenbeläge, Verbundelemente
• Automobil- und Transportsektor
  • Interieur- und Exterieurbauteile, Funktionskomponenten, Kabelisolierungen, Leichtbauteile
• Elektrotechnik und Elektronik
  • Gehäuse, Steckverbinder, Isolierkomponenten, Leiterplattenlaminate
• Medizintechnik
  • Einwegprodukte, Schläuche, Gehäuse, je nach Polymer auch Implantatmaterialien (mit Zulassung)
• Textilien
  • Funktionsbekleidung, technische Textilien, Filtermedien, Vliesstoffe
• Sport- und Freizeitprodukte
  • Schutzausrüstung, Griffe, Gehäuse, Polsterungen
• Energietechnik
  • Kabelisolierungen, Verkapselungen, Komponenten in Photovoltaik- und Windenergieanlagen
• Additive Fertigung
  • Prototypen, Kleinserien, individualisierte Bauteile

Polymere sind Querschnittswerkstoffe und in vielen Branchen zentral:

• Kunststoff- und Polymerverarbeitende Industrie
• Chemische Industrie (Hersteller von Polymeren, Monomeren und Additiven)
• Automobil- und Zulieferindustrie
• Bau- und Gebäudetechnik
• Elektro- und Elektronikindustrie
• Verpackungs- und Lebensmittelindustrie
• Medizin- und Pharmaindustrie
• Textilindustrie und technische Textilien
• Maschinen- und Anlagenbau (z. B. Dichtungen, Gleitlager, Verschleißteile)
• Energie- und Umwelttechnik (Kabel, Isolation, Komponenten in erneuerbaren Energiesystemen)