Basis für Gleit-Reib-Anwendungen: das richtige Polymer

Einsatztemperatur, Steifigkeit und Festigkeit sind die relevanten Kriterien bei der Auswahl eines geeigneten Kunststoffes für eine spezifische Gleit-Reib-Anwendung. Unter den Polymeren eignen sich für tribologische Anwendungen insbesondere POM und PA. POM zählt zu den Kunststoffen, die sehr häufig in Gleit-Reib-Anwendungen eingesetzt werden. Neben den guten Gleiteigenschaften zeichnet sich das Material durch hohe Kristallinität, Härte und geringe Wasseraufnahme sowie Dimensionsstabilität aus. Die gute Chemikalienbeständigkeit und Einsatztemperaturen von -40 °C bis +110 °C runden das Profil ab. Die hohe Verarbeitungsschwindung muss in der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden, insbesondere bei Zahnradanwendungen. Dort können bereits geringe Maßabweichungen Verluste im Reib- und Verschleißverhalten zur Folge haben.

PA ist eine gute Alternative, wenn Einsatztemperaturen bis oberhalb von 150 °C gefordert sind. Aufgrund seiner ausgezeichneten Zähigkeit, auch bei niedrigen Temperaturen, hat es ein sehr gutes Dämpfungsverhalten, was im Zuge der Elektromobilität bei Geräuschemissionen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Das Material verhält sich besonders verschleißarm und bietet den großen Vorteil einer leichten und unkomplizierten Verarbeitung. Doch bei PA muss vor allem für tribologische Anwendungen die Dimensionsänderung durch Flüssigkeitsaufnahme beachtet werden, besonders, wenn das Gleit-Reib-System extern geschmiert werden soll.

Für Anwendungen, die ein höheres Temperaturprofil erfordern, ist PPS das Mittel der Wahl. Das Material behält seine hohe Steifigkeit und Härte bis zu Einsatztemperaturen oberhalb von 200 °C. Ein weiterer Vorteil ist die exzellente Chemikalienbeständigkeit. PPS nimmt nahezu kein Wasser auf, weshalb es ebenso wie POM eine sehr gute Dimensionsstabilität aufweist. Das Material ist sehr niedrigviskos, was zwar den Vorteil hoher Füllgrade erlaubt, jedoch bei der Verarbeitung und bei Werkzeugen zu beachten ist. Die niedrige Viskosität kann zur Gratbildung führen, die in Gleitanwendungen negative Auswirkungen haben kann.

Alle drei Polymere sind teilkristalline Thermoplaste, die kristallinen Strukturen erhöhen die Oberflächenhärte im Vergleich zu amorphen Thermoplasten und bedingen dadurch ein besseres Gleit- und Verschleißverhalten.

Mit Additiven und Füllstoffen zum perfekten Gleitsystem

Wirkungsweise von PTFE im Compound (Bildquelle: alle Albis)

Wirkungsweise von PTFE im Compound (Bildquelle: alle Albis)

Das tribologische Verhalten von Thermoplasten wird entscheidend durch Füllstoffe und Additive geprägt. Liegt der Fokus auf der Optimierung des Gleitverhaltens, so können geeignete Additive eingesetzt werden, etwa PTFE, was häufig in Compounds zum Einsatz kommt. Im Kunststoff liegen die PTFE-Partikel fein verteilt vor und bilden nach einem Einlaufvorgang an der Oberfläche eine Gleitschicht aus, die sich immer wieder erneuert.

Ein weiteres probates Mittel, um den Reibungswiderstand herabzusetzen, ist die Beimengung von Silikon. Silikone haben eine sehr geringe Oberflächenspannung, und es gibt, ähnlich wie bei PTFE, eine breite Vielfalt an Produkten. In einem Compound migriert das Silikon an die Oberfläche und bildet dort eine Gleitschicht aus. Diese Gleitschicht eignet sich übrigens auch hervorragend, um störende Knarz- und Quietschgeräusche zu eliminieren.

Wirkungsweise von Graphit im Compound

Wirkungsweise von Graphit im Compound

Es gibt Füllstoffe, die sich positiv sowohl auf das Gleit-, als auch auf das Verschleißverhalten auswirken. Wie zum Beispiel Molybdändisulfid (MoS2), welches bekannt ist als Schmiermittel für Öle und Fette. MoS2 wird als feines Pulver dem Kunststoff beigemengt und wirkt wie ein Nukleierungsmittel: Durch die gesteigerte Kristallisation wird die Oberflächenhärte erhöht, was wiederum einen positiven Effekt auf die Gleit-Reib-Eigenschaften hat. Ähnlich wie das MoS2 wirkt Graphit, es hat ebenfalls einen nukleierenden Effekt. Graphit hat den zusätzlichen Vorteil, dass die einzelnen Kristallebenen gegeneinander gleiten können und damit das Gleitverhalten verbessern.

Wirkungsweise von CF im Compound

Wirkungsweise von CF im Compound

Steht die Verbesserung des Verschleißverhaltens im Vordergrund, so gibt es geeignete Füllstoffe, die die Polymermatrix verstärken und damit maßgeblich den Abrieb minimieren. Ein sehr bekannter Füllstoff für tribologische Anwendungen sind Kohlefasern (CF). Neben der Verstärkung der Matrix bilden abgebrochene, an die Oberfläche getretene Fasern nach einem Einlaufvorgang eine Gleitschicht aus, analog zum Graphit. Aber aufgrund der außergewöhnlichen Steifigkeit und Festigkeit der CF kann sich die Abrasion beim Gleitpartner erhöhen.

Wirkungsweise von Silikon im Compound

Wirkungsweise von Silikon im Compound

Ein weiterer bekannter Füllstoff, der hauptsächlich das Verschleißverhalten optimiert, ist Aramid (AR). Aramide zählen zu der Gruppe der aromatischen Polyamide und zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aus. Im Compound stärken die AR Fasern die Polymermatrix und reduzieren dadurch maßgeblich den Verschleiß. Allerdings bildet AR keine Gleitschicht an der Oberfläche aus. Aus diesem Grund ist AR besonders gut geeignet für Kunststoffe mit inhärent gutem Gleitverhalten, oder in Kombination mit einem Additiv, wie PTFE oder SI.

Bildquelle: Albis

Bildquelle: Albis

Eine Übersicht über das Verhalten unterschiedlicher Füllstoffe auf den Gleit-Reib-Koeffizienten µ und die lineare Verschleißrate w am Beispiel eines PA66 wird im Diagramm gezeigt. Dort ist auch ein Glasfaser-(GF)-modifiziertes PA66 dargestellt. Die GF hat eine verstärkende Wirkung auf die Kunststoffmatrix, was die Verschleißrate und den Gleit-Reib-Koeffizienten verbessert. Allerdings sind Glasfasern in Kunststoffen für tribologische Anwendungen nicht ganz unproblematisch. Sobald die GF zum Beispiel durch Materialabtrag an die Oberfläche tritt, hat sie einen abrasiven Effekt auf beide Reibpartner.

Dennoch werden auch Glasfasern in Compounds für tribologische Anwendungen eingesetzt, auch aufgrund des niedrigen Materialpreises. Als Beispiel kann hier der Einsatz von Alcom POM 770/1 GF20 PTFE15 als Federelement zur Fixierung von Bechern im Fahrzeuginnenraum eines bekannten deutschen Autobauers dienen. Das Compound ist gefüllt mit GF und PTFE und adressierte mit seinem Eigenschaftsprofil optimal die Anforderungen an das Federelement: gute Gleiteigenschaften sowie eine Stärkung der Polymermatrix, die ein verbessertes Verschleißverhalten zum Ziel hat. Belastungsdruck und -dauer sind beim Becherspender gering, weshalb GF als verstärkender, kostengünstiger Füllstoff bedenkenlos verwendet werden konnte.

PTFE, Silikone, Faserverstärkung: Feintuning der Eigenschaften

Bildquelle: Albis

Bildquelle: Albis

Generell hat eine Gleit-Reib-Modifizierung nicht nur positive Auswirkungen auf die tribologischen Eigenschaften eines Compounds, sondern beeinflusst maßgeblich das mechanische Verhalten. Neben Glasfasern erhöhen auch die Füllstoffe AR und CF durch ihre verstärkende Wirkung auf die Polymermatrix deutlich die Steifigkeit und Festigkeit. Eine Modifizierung mit PTFE führt jedoch zu einer signifikanten Senkung der Dehnung und Schlagzähigkeit. Erklärung: Die in der Kunststoffmatrix verteilten PTFE-Partikel wirken wie kleine Fehlstellen, die zu kleinen Mikrorissen im Compound führen und damit zur Versprödung beitragen. Dabei beeinflusst der PTFE-Anteil maßgeblich den Grad der Versprödung. Ganz im Gegensatz dazu verhält sich Silikon. Silikone (SI) haben, ähnlich zum PTFE, einen geringen Effekt auf die Festigkeit und Steifigkeit, jedoch wirken sie wie Weichmacher auf ein Compound und erhöhen entscheidend die Dehnung.

Durch geeignete Füllstoffkombination kann der weichmachende Effekt der SI genutzt werden, zum Beispiel, um dem Verspröden eines Compounds durch PTFE Modifizierung entgegenzuwirken. Kombiniert man PTFE mit SI, so kann die Schlagzähigkeit etwas erhöht, die Dehnung eines Compounds im Vergleich zu einer reinen PTFE-Modifizierung jedoch nahezu verdoppelt werden. Das ermöglicht die Anwendung eines Alcom POM 770/1 PTFE SI2 NC als Gleitstein in einem Getriebe. Der Gleitstein wird bei jedem Schaltvorgang betätigt und muss daher eine gewisse Zähigkeit aufweisen. In der Anwendung hat das Alcom POM 770/1 PTFE SI2 NC zwei Reibpartner: PBT+PET und Stahl. Das perfekte Abgleiten an beiden Gleitpartnern ab der ersten Betätigung wird durch Silikon ermöglicht, da es direkt einen Gleitfilm an der Oberfläche erzeugt und kein Einlaufvorgang notwendig ist. Das PTFE sorgt mit der stetigen Erneuerung der Gleitschicht für eine reibungslose Betätigung auch nach längerer Belastungszeit.

Weitere Einflussfaktoren auf das tribologische Verhalten

Neben den geeigneten Materialien spielen diverse weitere Einflussfaktoren eine Rolle bei der Auswahl des geeigneten Compounds. Dazu zählen unter anderem Temperatur, Medium, Materialpartner und Prozessparameter. Der Herstellprozess hat gerade auf teilkristalline Materialien einen enormen Einfluss und kann die tribologischen Eigenschaften enorm verschlechtern. So kann eine durch schlechte Prozessparameter, wie etwa zu kalte Werkzeugtemperaturen, an der Werkzeugoberfläche amorph erstarrte Randschicht die tribologischen Eigenschaften eines Compounds nahezu halbieren. Daher sollte bei Kunststoffen in tribologischen Anwendungen immer ein Augenmerk auf die Verarbeitung gelegt werden, um ein optimales Eigenschaftsprofil zu erreichen.

Berücksichtigt man die verschiedenen Wirkungsweisen unterschiedlicher Füllstoffe kombiniert mit den richtigen Thermoplasten, ist es möglich, maßgeschneiderte Lösungen für jeden Einsatzfall zu erzeugen. Diesen Leitsatz hat sich die Abteilung Alcom Specialties der Albis Plastic auf die Fahne geschrieben: Die Produktgruppe Alcom WP – Wear Protect – bietet ein interessantes Portfolio an tribologischen Werkstoffen und Entwicklungsoptionen, die optimal auf die Anforderungsprofile der Kunden abgestimmt sind.

Über den Autor

Karolina Smrczkova

ist Product Specialist Business Line Specialties bei Albis Plastic in Hamburg.