Seit dem geplanten EU-Verbot von PFAS sucht die Industrie nach Alternativen zu Fluorkunststoffen. Eine solche könnten PE-UHMW-Typen darstellen.

Bei Anwendungen, die keine hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit erfordern, könnte PE-UHMW sich als Alternative zu PTFE erweisen.

PTFE-Ersatz

Polyethylen

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Fluorkunststoffe

Polyethylen, ultrahoch-molekulares

Hochleistungskunststoffe

Ultrahochmolekulares PE als Alternative zu Fluorkunststoffen

Wegen seiner hohen Schmelzeviskosität und einem Schmelzpunkt von über 327 °C ist Polytetrafluorethylen nicht nach den für Thermoplaste üblichen Verfahren verarbeitbar. Entsprechende Modifizierung macht den Hochleistungskunststoff jedoch aus der Schmelze formbar und ermöglicht damit wirtschaftliche Großserienfertigung. Dies wird anhand zweier Dichtungsanwendungen genauer vorgestellt. 

Hochleistungskunststoffe anwendungsspezifisch modifizieren und thermoplastisch verarbeiten 

Dichtungen

Champions League der Eigenschaften 

Weil diese Fluorkunststoffe auch für aktuelle und zukünftige Megatrends wie Digitalisierung, E-Mobility und erneuerbare Energien eine zentrale Rolle spielen, wird mit einer weiterhin positiven Entwicklung gerechnet.

Korrosionsbeständige Auskleidungen für Rohre und Behälter in der chemischen Prozesstechnik sind nach wie vor ein bedeutender Markt für PTFE in Westeuropa

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Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Zentrale Rolle für Megatrends

Fast 700 Unternehmen quer durch die Kunststoff-Wertschöpfungskette sind europaweit bereits Teil von Operation Clean Sweep (OCS) und tragen dazu bei, das Aufkommen von Kunststoffgranulaten in der Umwelt zu verringern. Dies geht aus dem nun veröffentlichten OCS-Fortschrittsbericht von Plastics Europe hervor.

Der jetzt erschienene Fortschrittsbericht informiert über das bisher Erreichte des OCS-Programms

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Recycling

Umweltmanagement

Standardkunststoffe

Technische Kunststoffe

Füllstoffe für Kunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Verbände

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

PlasticsEurope veröffentlicht Bericht von Operation Clean Sweep

Obwohl Fluorkunststoffe nur einen sehr kleinen Teil am Gesamtmarkt der Kunststoffe ausmachen, sind sie aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Vor allem für die aktuellen Megatrends Digitalisierung, saubere Energieerzeugung und moderne Mobilitätskonzepte spielen diese Werkstoffe eine wichtige Rolle.

Das Dach des Vitam-Freizeitzentrums im französischen Neydens besteht aus ETFE-Folien. Eine Holzkonstruktion trägt die 53 ETFE-Kissen mit einer Gesamtfläche von insgesamt 4300 m2 

Fluorkunststoffe verbessern die Langlebigkeit und Chemikalienbeständigkeit von Produkten

Bauchemie

Bauwesen

Baustoffe

Kommunikationsanlagen

Kunststoffe

Photonik

Optik

Kleiner Marktanteil, große Wirkung

PTFE gilt als schwer zu recyceln. Für die speziellen Verarbeitungsverfahren des Polymers müssen die Rezyklate in aufwendigen Prozessen zerkleinert werden, damit sie annähernd die gleiche Korngröße besitzen wie Neuware. Werden diese Besonderheiten berücksichtigt, erreichen Rezyklate jedoch die Qualität von Neuware oder übertreffen diese sogar.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Thermoplasten können bei PTFE nicht einfach Flakes der Neuware zugemischt werden (v. l. n. r. Original-Pulvermischung, Späne, zerkleinerte Späne, Mahlgut)

Wie sich PTFE erfolgreich recyceln lässt

Auf die Korngröße kommt es an

Die geplante Neuregulierung für PFAS der EU könnte den Einsatz von Flurpolymeren deutlich erschweren oder ganz verhindern. Sie übernehmen jedoch in vielen Bereichen wichtige Aufgaben und sind nicht einfach zu ersetzen. Ein Überblick über den aktuellen Stand des Regulierungsprozesses und die möglichen Folgen.

Die Verwendung von Fluorpolymeren bei Leichtbaukonstruktionen im Architekturbereich hat neue Bauprinzipien ermöglicht. Die Kissenkonstruktion aus ETFE-Folien schützt etwa Besucher und Spieler der Allianz-Arena in München vor Wind und Wetter, während die Durchlässigkeit von ETFE im sichtbaren und UV-Spektralbereich gutes Rasenwachstum sicherstellt. 

Was die PFAS-Neuregulierung der EU für die Kunststoffindustrie bedeutet

Hohe Hürden für Fluorpolymere

Die Zukunft der Automobiltechnik wird vor allem elektrisch: unzählige Bedienelemente im Interieur mit aerodynamischen Anbauteilen und vielfältigen Sensoren im Exterieur, fortbewegt mit elektrischen Antriebs-, Lade- und Speicherelementen. Kunststoffe bieten für diese Einsatzgebiete wichtige Eigenschaften, die jedoch noch spezifischer werden müssen.  

Technische Thermoplaste begleiten die Elektrifizierung des Automobils 

Kfz-Antriebsstrang

Elektromobilität

Mit Hochspannung unterwegs 

Der Wechsel vom Verbrennungs- zum Elektromotor bedeutet für die Kunststoffindustrie einige Unwägbarkeiten. Elektrische Antriebe stellen teilweise gänzlich andere Anforderungen an die Materialien. Welche das konkret sind, kristallisiert sich mit der zunehmenden Verbreitung entsprechender Fahrzeuge immer stärker heraus. Ein Überblick über die wichtigsten Änderungen.

Nicht nur der Motor und die Energiebereitstellung verändern sich beim Übergang von Verbrennungs- auf Elektrofahrzeuge. Auch bei Materialien gilt es, neue Wege zu gehen 

Flammschutz, Wärmebeständigkeit und Kriechstromfestigkeit in Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

Antriebe

Kfz-Elektronik

Elektronik

Mobilität

Polyamide

Elektronische Bauelemente

Leistungselektronik

Antreiber der Elektromobilität

Die steigenden Spannungen in Elektrofahrzeugen erhöhen die Anforderungen an Isolationsmaterialien. Deshalb kommt dafür immer häufiger PEEK zum Einsatz. Ein Problem beim Einsatz des Hochleistungspolymers war bisher die Haftung an das sekundäre Isolationsmaterial. Ein Epoxidharz verspricht dafür nun Abhilfe.

Wegen der hohen Spannungen verwenden immer mehr Hersteller PEEK als Isolationsmaterial für die Wickelungen von Elektromotoren. 

Mit passenden Isolationsmaterialien die Effizienz von Elektromotoren steigern

Polyetherketon

Ein Partner für PEEK

Die Bedingungen in Elektrofahrzeugen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Automobilhersteller und Zulieferer müssen daher für Bauteile zu teuren Hochleistungskunststoffen greifen. Es gibt eine kostengünstige Alternative für viele Anwendungen.

Bild 2. Strahlenvernetzen lassen sich sowohl Standardpolymere, als auch technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere. Behandelt werden können mit dem Verfahren die in grün hervorgehobenen Polymere.

Hochleistungskunststoffe durch strahlenvernetzte günstigere Polymere ersetzen

Strahlenvernetzung

Elektronenbooster für Elektrofahrzeuge

Die erforderliche Spitzentemperatur für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist im Vergleich zu aktuellen Verbrennungsmotoren von derzeit 135 auf 110 °C gesunken. Gleichzeitig haben sich aber die Betriebszeiten verneunfacht. Das hat Auswirkungen auf die Materialauswahl.

Bild 1. Im Vergleich zu dem PPA Grivory HT1VA-4 HY nimmt selbst hydrolysestabilisiertes PA66 deutlich mehr und schneller Wasser auf (Ergebnisse gemessen an Platten von 100 mm x 100 mm x 3 mm nach ISO 62 bei 23 °C).

Vergleich von PA66 und PPA für Elektrofahrzeuge

Mehr Leistung im Wasser

Die Additive Fertigung schafft immer öfter den Sprung in die Serienfertigung. Gut zu sehen war das im vergangen Jahr auf der Formnext.

Nachtsichtkamera T-Crow: Bis auf die Komponenten der Elektronik erfolgt die Herstellung der Stative komplett additiv. 

Verfahren für die additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

Streifinger, Florian

3D-Druck-Anlage, pulverbettbasiert, Metall

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Ehrhardt, Melanie

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Additive Fertigung

Druckreif für die Serienfertigung

Die ECHA plant das Verbot von 10000 PFAS. Ralf Olsen, Hauptgeschäftsführer des pro K, erklärt, wieso Fluorkunststoffe davon ausgenommen werden sollten.

Interview mit pro-K-Hauptgeschäftsführer Ralf Olsen

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

„Fluorpolymere müssen raus aus  dem Verbot“

VDMA fordert daher Ausnahmen für PFAS-Stoffe, die in Maschinen stecken und nicht mit der Umwelt in Berührung kommen.

Maschinenbauer fordern von den zuständigen EU-Behörden mit Nachdruck eine Überarbeitung der Verbotsliste.

„PFAS-Verbot bedroht die Existenz vieler Betriebe“

Fluorkunststoffe: Enabler für die Wasserstoffherstellung und Elektromobilität

Fluorpolymere kommen im Vergleich zu anderen Kunststoffklassen nur in geringen Mengen zum Einsatz. Aufgrund ihrer sehr guten Eigenschaften übernehmen sie aber gerade in vielen der aktuellen Trendfelder wichtige Funktionen.

Fluorpolymere kommen im Vergleich zu anderen Kunststoffklassen nur in geringen Mengen zum Einsatz. Aufgrund ihrer sehr guten Eigenschaften übernehmen sie aber gerade in vielen der aktuellen Trendfelder wichtige Funktionen. Eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Technologien spielen sie etwa bei der Wasserstoffherstellung und bei Lithiumionenbatterien von Elektrofahrzeugen.

Die Industrie sieht sich gerade vielen tiefgreifenden Veränderungen gegenüber. Die Wechsel zur Elektromobilität, der Ausbau von Wasserstofftechnologien als weitere Komponente der Energieversorgung und klimaneutrale Produktionsprozesse sind nur einige der Entwicklungen. All diese haben auch einen Einfluss auf den Markt für Fluorpolymere und ihre Anwendungen. Aber auch die Fertigungsprozesse werden umgestellt: Manuelle Prozesse weichen automatisierten Abläufen, die allerdings nur durch eine große Datenmenge beherrschbar sind. Schon in naher Zukunft wird außerdem der „Carbon Footprint“ ein stärkeres Verkaufsargument sein, als das bisher technische Werte für Reißfestigkeit oder -dehnung waren.

Derzeit werden in Europa ca. 40 000 – 45 000 t/a an Fluorkunststoffen verarbeitet. Die Produktion der europäischen Hersteller liegt etwa in derselben Größenordnung. Da jedoch in Europa auch für den Weltmarkt produziert wird, sind europäische Verarbeiter von Fluorpolymeren auch auf Importe angewiesen. Bedeutende Anteile davon stammen aus China und Russland. Daneben dominiert insbesondere das indische Unternehmen Gujarat Fluorochemicals den europäischen Importmarkt und hat inzwischen einen Marktanteil von etwa 20 - 25 % erreicht, mit steigender Tendenz. Ohne diese Importe könnte der europäische Fluorpolymermarkt nicht wie gewohnt kontinuierlich wachsen. Die durchschnittliche Wachstumsrate wird langfristig bei ungefähr 2,5 % pro Jahr liegen.

Nach wie vor ist Polytetrafluorethylen (PTFE) das Hauptprodukt der Fluorpolymerproduktpalette (Bild 1). Die Verarbeitung von PTFE erfolgt einerseits über Pressen, Sintern und Zerspanen und andererseits durch Pastenextrusion. Dabei spielt zunehmend die erforderliche Zugabe von Kohlenwasserstoffgleitmitteln für die E-Polymerisatverarbeitung eine entscheidende Rolle. Die zugegebenen ca. 20 Gewichtsteile an Kohlenwasserstoff müssen nach der Verarbeitung wieder zurückgewonnen werden, um unerwünschte Emissionen zu vermeiden. Die erforderlichen Aufwendungen stellen eine zusätzliche Herausforderung dar gegenüber anderen Fluorpolymeren, bei denen diese Zuschlagstoffe nicht erforderlich sind. Dazu gehören Fluorthermoplaste wie Perfluoralkoxy (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP) und Polyvinylidenfluorid (PVDF), die ohne zusätzliche Gleitmittel, kontinuierlich über Extrusion oder im Spritzgießen verarbeitbar sind. PVDF ist der mengenmäßig wichtigste Fluorthermoplast. Seine Hauptanwendungen liegen bei der Reinstwasserversorgung für die Chip-Industrie und bei witterungsbeständigen Außenbeschichtungen von Industriegebäuden.

Als Absatzmärkte führend in Europa sind nach wie vor die chemische und die Automobilindustrie (Bild 2). Die chemische Industrie setzt für Korrosionsschutzanwendungen neben PFA hauptsächlich auf ungefüllte Suspensions- und Emulsions- PTFE (S- und E-PTFE) vor allem in ihren chemisch modifizierten Ausführungen. Im Gegensatz dazu finden in der Automobilindustrie insbesondere Compounds auf Basis von Fluorpolymeren Anwendung, die zur Verminderung von Abrieb bzw. der Erhöhung der thermischen oder elektrischen Leitfähigkeit durch zusätzliche Füllstoffe den jeweiligen Anforderungen angepasst sind.

Die Fertigung von integrierten Schaltkreisen für die Computerindustrie ist praktisch nur in einer reinen Fluorpolymerumgebung möglich, da Fremdionen die Halbleitereigenschaften von Reinstsilizium stören würden. PVDF ist wie erwähnt der Werkstoff für die Reinstwasserversorgung der Chip-Fabriken. PFA ist hingegen zur Handhabung der flüssigen aggressiven Prozesschemikalien der bevorzugte Werkstoff. Das Polymer ist aktuell sehr knapp verfügbar, da die gegenwärtige Rückverlagerung der Chip-Produktion von Asien nach Europa große zusätzliche Mengenbedarfe generiert. Die moderne Datenübertragung, etwa im 5G-Format, funktioniert ebenfalls nur in Gegenwart vollfluorierter Fluorpolymere wie PFTE oder FEP. Andere Werkstoffe würden die Signalübertragung im Gigahertz-Bereich durch Dämpfung oder Verbreiterung der Signale mindern.

Der Marktanteil der Luftfahrtindustrie fällt mit 2 % vergleichsweise gering aus. Dennoch würde kein Flugzeug ohne die Verwendung von mit PTFE-Wickelbändchen isolierten Kabeln fliegen können. Nur Fluorpolymere garantieren die notwendige Fehlerfreiheit gegen elektrische Durchschläge und Koaxialität der Kabellage. Auch bei Mobiltelefonen kommen die Werkstoffe zum Einsatz. Die Geräte überstehen schadlos den halbstündigen Aufenthalt am Boden eines 3 m tiefen Schwimmbeckens, ohne dass Wasser durch die biaxial-gereckten PTFE-Membranen eindringt.

Generell ist die Art der Endprodukte und Anwendungen für Fluorkunststoffe extrem vielfältig (Bild 3). PTFE-Schläuche werden beispielsweise nicht nur bei der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt, sondern sind auch in Kaffeemaschinen unersetzlich. Sie sorgen dafür, dass bei Produktwechsel im Getränk kein Geschmack ‚verschleppt‘ wird. Der Schutz von metallischen Rohren in Chemieanlagen vor Korrosion und von Wärmeverschiebungssystemen in Abgasreinigungsanlagen von kohlebefeuerten Kraftwerken und von Müllverbrennungsanlagen sind heutzutage in der Standardausführung aus Fluorpolymeren hergestellt.

Auch bei dieser Kunststoffklasse spielt das Thema Recycling eine immer wichtigere Rolle. Anwendungen wie die erwähnten, bei denen große Mengen Fluorpolymere eingesetzt werden, eignen sich sehr gut für chemische Recyclingverfahren wie etwa das von Dyneon in Zusammenarbeit mit InverTec entwickelte UpCycling-Verfahren. Dabei handelt es sich um ein chemisches Recyclingverfahren, das End-Of-Life-Produkte wieder in die Monomeren zurückführt und einer erneuten Polymerisation zugänglich macht. Dadurch werden Ressourcen geschont, der Carbon Footprint gesenkt und Kreislaufwirtschaft bei Fluorpolymeren wird dadurch zur Realität. Auch eine Hauptforderung der aktuell von der EU-Kommission ausgearbeiteten Neuregulierung von kurzkettigen Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), Produkte nach dem Ende der Anwendung nicht zu Fluoremissionen werden zu lassen, wird dadurch in idealer Weise erfüllt. Die Verfahren sind entwickelt und stehen zur breiten Markteinführung bereit. Bei systematischer Einführung in Europa könnten nach aktuellen Schätzungen der FPS GmbH ca. 20 % der Fluorpolymeranwendungen einer Kreislaufwirtschaft zugeführt werden.

War die Industrie bisher skeptisch gegenüber der Verwendung von Fluorpolymeren als permanente Implantate im menschlichen Körper, so hat sich diesbezüglich die Meinung mittlerweile geändert: Stents in der Herzchirurgie oder Ersatzblutgefäße werden typischerweise unter Verwendung von Fluorpolymeren hergestellt. Ihr Verbleib im menschlichen Körper ermöglicht lange Nutzungsintervalle, Abwehrreaktionen treten normalerweise nicht auf.

Dichtungen, in Form von Flachdichtungen bei Flanschverbindungen, oder O-Ringen sind eine weitverbreitete Fluorpolymeranwendung in der chemischen, der Pharma- und der Lebensmittelindustrie sowie allgemein im Maschinenbau. Lediglich die Möglichkeit der Reinigung und Sterilisation im Feld (CIP, Cleaning in place und SIP, Sterilization in place) bei O-Ringkonstruktionen stellt noch eine Herausforderung für die Konstruktionsingenieure dar.

Die EU-Kommission arbeitet gegenwärtig wie erwähnt an der Neuregulierung von PFAS. Dabei handelt es sich um Substanzen, die entweder CF2– oder CF3-Gruppen enthalten. Circa 4700 dieser Substanzen sind bekannt, 38 davon sind Polymere. Die Anstrengungen konzentrieren sich im Fluorkunststoffbereich insbesondere auf Emissionen niedermolekularer Fluorverbindungen, die als Hilfsstoffe bei der Polymerisation eingesetzt werden. Mehr als die Hälfte aller Fluorpolymeren wird gegenwärtig bereits ohne die Verwendung fluorierter Emulgatoren hergestellt. Darüber hinaus werden wässrige PTFE-Dispersionen und E-PTFE-Polymerisate, ebenfalls ohne Fluoremulgatoren hergestellt und aktuell durch Gujarat Fluorochemicals am Markt eingeführt.

Werden Fluorpolymere nach dem Ende ihrer Verwendung zu Emissionsquellen von Fluorverbindungen? Das ist die zweite Problemstellung, mit der sich die Regulatoren der fünf Länder und ECHA im Rahmen der Neuregulierung befassen. Während die Fluorpolymerhersteller sich mit der Aufgabe der Reduzierung von Emissionen bei der Herstellung der Kunststoffe befassen müssen, liegt die Verantwortung über Fluoremissionen bei der Verarbeitung, während der Anwendung, und nach Erreichen des End-of-Life in den Händen der Downstream-user und der Anwender. Während ihrer vorgesehenen Anwendung erfüllen fast alle Fluorpolymere die Kriterien der PLC (Product of low concern). Darunter versteht man Produkte, von denen keine Gefahren ausgehen und die deshalb keiner aktualisierten Regulierung bedürfen.

PFAS-Neuregulierung verlangt  Kreislaufwirtschaft

Abfälle aus der Bearbeitung von Fluorpolymeren müssen gesammelt und durch verschiedene Methoden der Wiederverwendung zugeführt werden. Bei der thermischen Verwertung von Fluorpolymeren ist zu beachten, dass diese bei 800 °C und höher vollständig zersetzt werden und die Bildung von niedermolekularen PFAS, als Folge unvollständiger Verbrennung, ausgeschlossen ist. Der Anstoß zum Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Produkte nach dem Erreichen ihres Lebensendes ist einer der zentralen Punkte des PFAS-Regulierungsprozesses. Alle Beteiligten an der Wertschöpfungskette für Fluorpolymere müssen dabei gemeinsam dafür sorgen, dass Fluorpolymere nach ihrem End-of-Life nicht zu Quellen von Fluoremissionen werden.

Die systematische Suche nach Alternativwerkstoffen für Fluorpolymere und PTFE-Compounds hat gezeigt, dass Einzelanforderungen einer Anwendung in einigen Fällen von Alternativwerkstoffen erfüllt werden können. Die Summe der Eigenschaften von Fluorpolymeren lässt sich jedoch in der Regel durch Alternativwerkstoffe nicht erfüllen. Fluorpolymere können deshalb in ihren technischen Anwendungen als nicht substituierbar bezeichnet werden.

Der Ersatz fossiler Energieträger wie Kohle, Öl oder Erdgas durch Wasserstoff ist derzeit einer der größten Trends. Die Herstellung von Wasserstoff kann auf verschiedene Weise erfolgen: Bei der Umsetzung von Flüssigerdgas (LNG), Biomethan oder Biomasse zu Wasserstoff spricht man von „blauem Wasserstoff“, wenn das bei der Produktion frei werdende CO2 anschließend gespeichert oder weiterverarbeitet wird. Erfolgt die Herstellung mit Strom aus Atomkraft, dann handelt es sich um „violetten Wasserstoff“. Erfolgt die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Strom aus erneuerbaren Quellen spricht man vom „grünen Wasserstoff“ (Bild 4). Beim Elektrolyseverfahren für grünen Wasserstoff übernehmen großdimensionierte Dichtungen aus modifiziertem PTFE eine wichtige Rolle. Sie wirken dabei mit weiteren Anlagenkomponenten in der Elektrolysetechnik zusammen.

Bei dem Verfahren wird mithilfe von erneuerbaren Energien, gewonnen aus Photovoltaik und Windenergie, und unter Verwendung von Wasser als Rohstoff Wasserstoff hergestellt. Dieser kann nun, nach Zwischenspeicherung, für verschiedene Zwecke eingesetzt werden: zum Beispiel für die Gebäudeheizung über Blockheizkraftwerke, als Treibstoff in der Mobilität und als Rohstoff für die Synthese verschiedener Chemikalien wie Methanol oder von Polymeren. Die Umsetzung mit CO2 zu „CO2-neutralen“ Kraftstoffen ist möglich, ebenso die Eliminierung von Kokskohle in der Stahlindustrie zur Reduzierung von Eisenerzen. Wasserstoff kann somit wesentlich zur Erreichung der EU-Klimaziele beitragen.

Fluorkunststoffe unterstützen bei der Umsetzung. Beispielsweise werden die Funktion, eine lange Lebensdauer und eine hohe Betriebssicherheit von Elektrolysezellen (Bild 5), die bei der Herstellung von Wasserstoff die Spaltung des Wassers übernehmen, durch Dichtungen aus PTFE und modifiziertem PTFE abgedichtet. Anoden- und Kathodenraum sind durch eine ionenpermeable Fluorpolymermembran getrennt, die mithilfe funktioneller Gruppen, zumeist R-SO3H-Moleküle, den Protonenaustausch zwischen beiden Zellbereichen ermöglicht.

Die Flachdichtungen haben typischerweise eine Abmessung von ca. 1,5 m x 2,5 m. Der rechteckige Dichtungsquerschnitt weist ca. 1 - 2 x 60 mm auf. Aufgrund der sehr guten Schweißbarkeit von modifiziertem PTFE ist eine Fertigung mittels Schweißverfahren möglich. Dabei entstehen nur sehr geringe Abfallanteile. Alternative Fertigungsverfahren, etwa das Ausstanzen aus Schälfolien, würden lediglich bei einer Materialausbeute von &lt; 5 % liegen. Der reduzierte Kaltfluss von modifiziertem PTFE garantiert eine hohe Dichtigkeit gegenüber Gasen und Flüssigkeiten über die üblichen Nutzungsintervalle, die bei circa 2 Jahren liegen. Er gleicht außerdem Fertigungstoleranzen der in Metall ausgeführten Anoden- und Kathodenräume aus. Wegen der Weichheit des Dichtungswerkstoffs wird die ionenpermeable Fluorpolymertrennmembran zwischen den beiden Teilzellen schonend von der Dichtung aufgenommen. Das garantiert Dichtigkeit ohne schädigend auf den empfindlichen Membranwerkstoff zu wirken. Die Rahmendichtungen werden nach dem Erreichen des End-of-Life recycelt.

Fluorpolymere kommen auch bei Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Als nichtleitendes Polymer fungiert PVDF etwa als Bindemittel für die Folien und Platten von Anoden und Kathoden in Lithiumionenbatterien. Dünnere und gleichzeitig fehlerfrei Folien helfen bei der Reichweitenerhöhung von Elektrofahrzeugen. Eine Reichweite von 1000 km mit einer Batterieladung könnte damit bald möglich sein. Die Verwendung als Bindemittel in Batterien ist der Grund, dass PVDF in den letzten Jahren zum am stärksten wachsenden Fluorpolymer überhaupt geworden ist.

Neben den bekannten Anwendungen findet eine kontinuierliche Erweiterung der Einsatzgebiete von Fluorpolymeren statt. Sie ergibt sich häufig aus den neuen Anforderungsprofilen der aktuellen Megatrends. Elektrofahrzeuge werden beispielsweise nicht mehr zum Regelservice in die Werkstatt kommen, sondern „on demand“ gewartet werden. Die servicefreie Funktion vieler Automobilteile bis zum Erreichen des End-of-Life ist deshalb das Ziel vieler Neukonstruktionen. Dafür sind auch neue Werkstoffe gefordert.

Polymercomposites, bei denen Füllstoffe nicht als Störkomponente agieren, sondern über oberflächenaktive Competibilizier einen feinverteilten Festverbund zwischen Polymermatrix und Füllstoffen bilden, lösen diese Aufgabenstellung. Bild 6 zeigt die Wirkung von Fluorcopolymeren in der Funktion eines Competibilizers: In der linken Abbildung ist die grobkörnige Verteilung von PTFE-Füllstoff in Polyphthalamid (PPA) dargestellt. Die mittlere und rechte Abbildung zeigen hingegen homogen feinverteilte PTFE-Füllstoffe, die zusätzlich durch oberflächenaktive Fluorcopolymere in die PPA-Matrix integriert sind. Der Abrieb des PPA-Compounds kann durch diese chemische Modifizierung um bis zu 70 % reduziert werden, was zu einer signifikanten Verlängerung der Lebensdauer führt. Die Reduzierung des Reibungskoeffizienten vermindert zusätzlich die erforderliche Antriebsleistung und verbessert dadurch den Carbon Footprint der ‚In-Use-Phase’ des Bauteils. Durch die Feinverteilung des PTFE-Füllstoffs müssen keine Kompromisse mehr in Bezug auf die physikalischen Werte des Bauteils in Kauf genommen werden. Wartungsfreiheit bis ans Ende der Bauteilnutzung ist die erfreuliche Folge dieser Werkstoffentwicklung von AGC Chemicals.

Ausgabenartikel KU10-22

PFA ist ein Schlüsselwerkstoff für das Handling von sehr reinen Chemikalien bei der Herstellung von Computerchips. 

Bild 1. Marktanteile der verschiedenen Fluorpolymere im Jahr 2020 in Europa: Insgesamt wurden 40 kt in dem Jahr verarbeitet. 

Bild 2. Anteile der Industriesegmente an der 2020 in Europa verarbeiteten Fluorpolymermenge von 40 kt: Die Automobil- und die chemische Industrie dominieren mit weitem Abstand. 

Bild 3. Überblick über die Anteile der Produkte und Anwendungen aus Fluorpolymeren in Europa im Jahr 2020: Auf Schläuche, Liner und Beschichtungen entfallen die größten Mengen der insgesamt verarbeiteten 40 kt.

Bild 4. Szenario für grünen Wasserstoff: Aus den regenerativen Quellen Windenergie und Photovoltaik wird über Elektrolyse Wasserstoff hergestellt, der als Energieträger für Mobilität, Heizung und andere Anwendungen in der Industrie eingesetzt wird.

Bild 5. Grundschema einer Elektrolysezelle: Die Zelle zur Herstellung von Wasserstoff enthält verschiedene Fluorpolymerkomponenten wie Rahmendichtungen, die ionenpermeable Membran, Elektrodenkomponenten und die Gasdiffusionsschichten.

Bild 6. Fluorcopolymere als Competibilizer vermindern den Abrieb von PPA-Compounds, erhöhen die Bauteillebensdauer und senken den Reibungskoeffizienten. Dadurch vermindert sich der CO2-Fußabdruck während der Nutzungsdauer von Bauteilen.

KU 10-22_Fluor - Hauptartikel

Fluorpolymere übernehmen in vielen Trendfeldern wichtige Funktionen. Eine Rolle spielen sie etwa bei der Wasserstoffherstellung und bei Li-Ionen-Batterien.

Marktübersicht Fluorkunststoffe

Dr. Michael Schlipf ist Geschäftsführer der Fluorcarbon Polymer Solutions (FPS) GmbH und Vorsitzender der Fachgruppe Fluorkunststoffe des Industrieverbands Halbzeuge und Konsumprodukte aus Kunststoff pro-K; <a href="mailto:mschlipf@fps-solutions.de">mschlipf@fps-solutions.de</a>