Polyphenylensulfid (PPS) Übersicht

Polyphenylensulfid, gemeinhin als PPS bezeichnet, ist ein teilkristalliner Thermoplast mit einer Polymerstruktur, die ihm eine bemerkenswerte chemische Beständigkeit verleiht. .Tatsächlich sind für diesen Hochleistungsthermoplast keine Lösungsmittel bekannt, die unter 200oC liegen. Weitere bemerkenswerte Eigenschaften sind seine Flammfestigkeit, seine elektrischen Eigenschaften und seine hohe mechanische Festigkeit. Die meisten handelsüblichen PPS-Typen erreichen die Entflammbarkeitsklasse UL 94 V-0 ohne flammhemmende Zusätze.

Während das unmodifizierte PPS-Polymer eine gute Allround-Performance aufweist, werden durch die Zugabe der Faserverstärkung die Zähigkeit sowie die strukturellen und thermischen Eigenschaften deutlich verbessert. Eine Verdoppelung der Wärmeformbeständigkeit und mehr als eine Verdreifachung des Biegemoduls sind die Hauptgründe für den weitaus größeren Einsatz von 40% glasfaserverstärktem PPS gegenüber ungefüllten Typen für Lager- und Maschinenteile, die höheren thermischen Bedingungen ausgesetzt sind.

PPS Lieferanten, Typen

PPS wurde 1972 von Phillips Petroleum unter dem Markennamen Ryton® entwickelt und vermarktet und gilt als der erste technische Hochleistungsthermoplast Mit der Übernahme des PPS-Geschäfts von Chevron Phillips durch Solvay wurde das Polymerportfolio des Unternehmens um eine breite Palette von Ryton® PPS-Typen erweitert, die Formulierungen mit Glas- und Kohlefaserverstärkung sowie andere leistungssteigernde Additive enthalten. Die gängigste Ryton-Type ist das mit 40 % Glasfasern verstärkte Ryton R-4 PPS.

Die Vielfalt der weltweit verfügbaren PPS-Typen hat sich seit der Entwicklung und Vermarktung des Polymers erheblich erweitert. Es wurden Harzformulierungen mit Schmelzverarbeitungseigenschaften entwickelt, die auf die Verarbeitung durch Spritzgießen, Blasformen, Pulverbeschichtung und Extrusion zugeschnitten sind. Zu den PPS-Produktmodifikationen, die eine über die Eigenschaften des ungefüllten PPS-Polymers hinausgehende Leistungsverbesserung ermöglichen, gehören die Zugabe von Glas- und Mineralverstärkungen für eine höhere Festigkeit sowie verschleißfeste Additive.

Heute ist Solvay nach wie vor einer der weltweit führenden Anbieter von PPS-Kunststoffen und Compounds für das Spritzgießen und die Extrusion. Die Produktpalette umfasst ungefüllte Typen sowie mehrere mit Glasfasern und Kombinationen aus Mineral- und Glasfasern verstärkte Formulierungen.

Celanese, another worldwide high-performance polymer producer, offers several polyphenylene sulfide grades under the Fortron® brand. Die Produktpalette umfasst ungefüllte, glasfaser- und mineralverstärkte Typen sowie weitere Formulierungen zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften des PPS-Basispolymers. Neben den leistungsgesteigerten PPS-Materialien umfasst die Fortron-Produktlinie auch Typen, die für Spritzguss, Extrusion und andere Schmelzverfahren entwickelt wurden.

Andere globale PPSLieferanten wie Toray bieten eine Vielzahl von Polyphenylensulfid-Typen an, die hauptsächlich für den Spritzguss von großvolumigen Industrie-, Automobil- und Elektroanwendungen verwendet werden.

Drake’s Entwicklung von Ryton R-4 PPS Spanend bearbeitbaren Halbzeuge

Das zu 40 % glasfaserverstärkte Ryton R-4 von Solvay ist ein dominierendes Arbeitspferd unter den technischen PPS-Werkstoffen, das seit fünf Jahrzehnten unzählige Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen bedient. Die meiste Zeit seiner Geschichte wurde es jedoch hauptsächlich für Spritzgussteile verwendet. Ihr Potenzial war weitaus begrenzter bei Bearbeitungsanwendungen, bei denen die Teilekonfigurationen entweder zu komplex oder die Stückzahlen zu gering für Investitionen in Spritzgießwerkzeuge waren. Der einschränkende Faktor war der Mangel an qualitativ hochwertigen maschinell bearbeitbaren Halbzeugen, die die von vielen Branchen geforderten Harzzertifizierungen für bearbeitete Teile und Prototypen aufweisen.

Um diesen Bedarf zu decken, investierte Drake in die Technologie zur Herstellung von 40 % glasfaserverstärktem Ryton R-4 PPS in einer breiten Palette von bearbeitbaren Stab- und Plattengrößen. Da die Ryton R-4 PPS-Halbzeuge von Drake aus 100 % neuem Ryton R-4 240-Harz extrudiert werden, sind die Materialeigenschaften optimal, und es liegen Materialzertifizierungen nach ASTM D-4067 PPS 000G40 und ASTM D-6358 PPS 011G40 vor.

Mit Glasfasern gefüllte PPS-Mischungen werden in der Regel in Form von formgepressten Stücken oder rammextrudierten Stäben angeboten. Das PPS-Pulver wird im Haus mit kurzen Glasfasern gemischt. Es werden kurze Fasern verwendet, um Faserbündelungen und Glasagglomerationen in der Mischung zu vermeiden. Diese kurzen Fasern wirken eher als Füllstoffe im Vergleich zur Verstärkung, die lange Fasern bieten. Die PPS-Glasfaser-Mischung wird dann bis nahe an den Schmelzpunkt von PPS 285⁰C erhitzt. Unter hohem Druck wird das Glasfaser-Pulver-Gemisch verfestigt und in die gewünschte Form geschmolzen.

Da es sich bei dem für das Formpressen und die Ram-Extrusion verwendeten PPS-Rohstoff um eine variable Pulvermischung handelt, kann es nicht als solches nach den ASTM-Normen für PPS-Harz zertifiziert werden. Außerdem würden Pulver- und Kurzglasfasermischungen wahrscheinlich nicht die ASTM-Eigenschaftsanforderungen für 40 % glasfaserverstärktes PPS erfüllen.

Eine charakteristische Schwäche von rammextrudiertem Stab ist die geringe Dehnung. Der Prozess neigt dazu, zwischen den einzelnen Presszyklen „Pokerchip“-Schichtungen zu bilden, da mehr Pulvermischung hinzugefügt und gegen das erstarrte Material vor ihm gepresst wird. Der Effekt wird deutlich, wenn ein rammextrudierte Stab in eine kreisförmige Form gebogen wird. In der Regel bricht sie entlang einer Schichtung auf und legt andere frei.

Neben dem Nachteil der kurzen Längen ist das Formpressverfahren anfällig für Schwankungen, die zu einer uneinheitlichen Qualität und physikalischen Eigenschaften führen. Dazu gehören Unstimmigkeiten im Mischungsverhältnis, ungleichmäßiges Mischen, Probleme bei der Trocknung und Feuchtigkeitskontrolle, Lufteinschlüsse und ungenaue Druck- und Temperaturkontrolle. Angesichts der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polymeren und der geringen Schüttdichte von Pulver-Glasfaser-Mischungen erfordert die Erwärmung auf die Formgebungstemperatur oft lange Wärmezyklen, die das PPS-Polymer abbauen können. Dies gilt insbesondere für die Herstellung größerer Formate. Darüber hinaus führen Schwankungen im Umformdruck aufgrund von Reibungsverlusten entlang der Seitenwand der Form häufig zu Formteilen mit unterschiedlichen Dichten und physikalischen Eigenschaften im oberen und unteren Bereich im Vergleich zum mittleren Bereich.

Die Schmelzextrusion hingegen ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem das einheitlich vorgemischte, mit 40 % Glasfasern verstärkte Ryton R-4 des Lieferanten verwendet wird, das in Pelletform getestet und zertifiziert ist. Das Granulat wird im Extruderzylinder gleichmäßig aufgeschmolzen. Unter den strengen Bedingungen von Drake für die Steuerung des Innendrucks und der Ausstoßrate bewegt die Extruderschnecke das geschmolzene Ryton R-4 PPS durch eine Düse in der gewünschten Halbzeugformat. Das extrudierte Halbzeug wird dann unter streng kontrollierten Abkühlungsbedingungen, die die inneren Spannungen minimieren, gleichmäßig verfestigt.

Die mit dem Drake-Extrusionsverfahren hergestellten Ryton R-4 PPS-Halbzeuge weisen über den gesamten Querschnitt und von Größe zu Größe gleichbleibende Eigenschaften und gleichmäßige Bearbeitbarkeit auf.

Ryton R-4 PPS Leistungsprofil

Hohe Festigkeit

Eine der beeindruckendsten Eigenschaften von 40 % glasfaserverstärktem Ryton R-4 im Vergleich zu ungefüllten PPS-Typen ist seine außergewöhnlich hohe Strukturfestigkeit. Basierend auf den Eigenschaftswerten von Drake Ryton R-4-Halbzeugen im extrudierten Zustand erhöht die Glasfaserverstärkung in Ryton R-4 240 PPS den Biegemodul dieses Ultra-Hochleistungspolymers fast um das Vierfache gegenüber dem unverstärkten Typ.

Auch bei den Festigkeitseigenschaften schneidet es im Vergleich zu anderen Ultrahochleistungsthermoplasten hervorragend ab. In physikalischen Tests, die von Solvay, dem Hersteller des Ryton PPS-Harzes, durchgeführt wurden, ist der Biegemodul von Ryton R-4 240 PPS bei Raumtemperatur um 30 % höher als der des glasverstärkten KetaSpire PEEK von Solvay. Diese hohe Festigkeit in Verbindung mit der inhärenten Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit von Ryton R-4 hat dazu geführt, dass der Hochleistungswerkstoff in großem Umfang für maschinell bearbeitete und spritzgegossene Komponenten wie Stangenführungen und Pumpenteile in Bohrlochausrüstungen der Öl- und Gasindustrie verwendet wird.

Temperaturbeständigkeit

Ungefülltes PPS hat eine relativ niedrige Wärmeformbeständigkeit und einen niedrigen Erweichungspunkt. Diese Faktoren schränken den Einsatz des Materials in vielen anspruchsvollen Anwendungen ein, die strukturelle Festigkeit bei hohen Temperaturen erfordern. Die 40-prozentige Glasfaserverstärkung in Ryton R-4 PPS verbessert jedoch die thermischen Eigenschaften des Polymers erheblich und eröffnet die Vorteile dieses Ultra-Hochleistungsthermoplasten für ein weitaus breiteres Spektrum von Anwendungen.

Aus den Datenblättern geht hervor, dass die Wärmeformbeständigkeit (HDT) des Ryton R-4 Kunststoffes,eine beeindruckende 260°C, im Vergleich zu ungefülltem PPS mit 125°C beträgt. Es ist wichtig zu beachten, dass die HDT von Proben abgeleitet wird, die so konzipiert sind, dass die Fasern für die Prüfung optimal ausgerichtet sind. Aktuelle Spritzgussteile oder Teile, die aus dem Lagerbestand bearbeitet wurden, werden dieses bestmögliche Ergebnis wahrscheinlich nicht erreichen. Mit seinem hohen HDT-Wert liegt Ryton R-4 PPS jedoch in einer Leistungsklasse mit mehreren anderen Ultra-Hochleistungsthermoplasten für den Einsatz in elektrischen Steckverbindern, Motorkomponenten in der Automobilindustrie und Bohrlochanwendungen in der Öl- und Gasindustrie, die über längere Zeiträume hohen Temperaturen und statischer Belastung ausgesetzt sind.

Chemische Beständigkeit

PPS zeichnet sich durch eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit unter den Ultra-Hochleistungswerkstoffen aus: Es wird von keinem bekannten Lösungsmittel bei Temperaturen unter 200°C angegriffen. .

In Verbindung mit der hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen ermöglicht diese inhärente Eigenschaft von PPS den Ingenieuren die Entwicklung von spritzgegossenen und extrudierten Bauteilen, die in den extremen Betriebsumgebungen der chemischen Verarbeitung und der Öl- und Gasbohrlochausrüstung eine zuverlässige strukturelle Integrität und Funktionalität aufweisen.

Elektrische Eigenschaften, Entflammbarkeitsklassen

Die dielektrischen Eigenschaften von Ryton R-4 und anderen PPS-Typen gehören zu den besten unter den extrem temperaturbeständigen Polymeren. Das Hochleistungsmaterial hat eine Durchschlagfestigkeit von 22kV/mm, eine niedrige Dielektrizitätskonstante von 3,90 bei 25oC und 1kHz sowie einen niedrigen Verlustfaktor über eine Reihe von Temperaturen und Frequenzen.

Dieses elektrische Eigenschaftsprofil in Verbindung mit der Entflammbarkeitseinstufung nach UL 94 V-0 und 5VA ist der Grund für seine Verwendung in spritzgegossenen und präzisionsbearbeiteten elektrischen Steckverbindern und Steckverbindergehäusen, die in Anwendungen von Atom-U-Booten bis hin zu Komponenten in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden.

Typische Anwendungen von Ryton R-4 PPS

Die beeindruckende Gesamtbilanz der strukturellen Festigkeit bei hohen Temperaturen, der hervorragenden elektrischen Eigenschaften, der Entflammbarkeitswerte und der chemischen Beständigkeit haben zu unzähligen Spritzgussanwendungen für Ryton R-4 PPS geführt. Drake Plastics‘ Entwicklung von maßhaltigen und zuverlässigen Halbzeugen in einer Reihe von Größen hat die langfristige Zuverlässigkeit des Materials unter aggressiven Endverwendungsbedingungen auch für präzisionsgefertigte Komponenten erschlossen. Dies sind Beispiele für die vielen Ryton R-4 PPS-Komponenten, die Drake Plastics im Spritzgussverfahren und mit präziser CNC-Bearbeitung herstellt:

  • Zahllose Anwendungen , bei denen hohe Festigkeit, Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit mit hervorragender elektrischer Isolierung zu einem vernünftigen Preis gefragt sind.
  • Plasmabrenner-Isolatoren, die aus Ryton R-4 PPS-Stäben von Drake hergestellt werden, profitieren von der hohen strukturellen Festigkeit und Stabilität des Materials bei extremen Betriebstemperaturspitzen.
  • Elektrische Steckverbinder und Isolatoren für Schiffe und Bohrlöcher profitieren von den elektrischen und thermischen Isolationseigenschaften von Ryton R-4 PPS, der chemischen Beständigkeit und der UL-Entflammbarkeitsklasse.
  • Ventilsitze und Dichtungsringe aus Ryton R-4 verfügen über die nötige Formstabilität und Festigkeit, um hohen statischen Belastungen und Temperaturen in Bohrlochumgebungen standzuhalten.