PPS - Polyphenylensulfid

Polyphenylensulfid (PPS) ist ein hochleistungsfaehiger teilkristalliner technischer Thermoplast, der durch ein aromatisches Rueckgrat aus alternierenden Phenylenringen und Schwefelatomen gekennzeichnet ist. Diese starre Molekuelstruktur verleiht PPS eine aussergewoehnliche Kombination von Eigenschaften: inhaerente Flammwidrigkeit ohne Additive (UL 94 V-0), hervorragende chemische Bestaendigkeit gegenueber praktisch allen bekannten Loesungsmitteln unter 200°C, hohe Dauergebrauchstemperaturen bis 240°C und ausgezeichnete Masshaltigkeit. PPS ueberbrueckt die Leistungsluecke zwischen konventionellen technischen Thermoplasten und Spezialpolymeren wie PEEK.

Der globale PPS-Markt wurde 2024 auf etwa 1,8 Milliarden US-Dollar geschaetzt und wird voraussichtlich mit einer jaehrlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,2 % bis 2030 wachsen, angetrieben durch die steigende Nachfrage nach Metall-zu-Kunststoff-Substitution in Automobil-, Elektro-/Elektronik- und Industrieanwendungen. Die weltweite Produktionskapazitaet uebersteigt 180.000 Tonnen jaehrlich, mit fuehrenden Herstellern wie Toray, DIC Corporation, Celanese und Solvay.

PPS entspricht den ASTM-D6358-Spezifikationen fuer Polyphenylensulfid-(PPS)-Spritzguss- und Extrusionsmaterialien. Alle Typen erfuellen inhaerenter die UL-94-V-0-Entflammbarkeitsklassifizierung ohne Zugabe von Flammschutzmitteln. Ausgewaehlte Typen sind fuer den Lebensmittelkontakt und Trinkwasseranwendungen gemaess NSF/ANSI 61 zugelassen, und Luftfahrttypen erfuellen die FAR-25.853-Anforderungen fuer Waermefreisetzung und Rauchdichte.

Wichtige Eigenschaften von PPS umfassen:

• Inhaerente Flammwidrigkeit mit UL-94-V-0-Einstufung ohne Flammschutzmitteladditive, bei minimaler Rauch- und Giftgaserzeugung waehrend der Verbrennung.
• Aussergewoehnliche chemische Bestaendigkeit gegenueber praktisch allen organischen Loesungsmitteln, Kraftstoffen, Hydraulikfluessigkeiten, Saeuren und Basen unter 200°C. PPS hat kein bekanntes Loesungsmittel bei Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunktes.
• Hohe Hitzebestaendigkeit mit einer Dauergebrauchstemperatur von 220°C und Waermeformbestaendigkeitstemperaturen ueber 260°C bei glasfaserverstaerkten Typen.
• Ausgezeichnete Masshaltigkeit mit sehr niedrigem Waermeausdehnungskoeffizienten, geringem Kriechen und minimaler Feuchtigkeitsaufnahme (0,02–0,05 %).
• Hohe Steifigkeit und Festigkeit bei verstaerkten Typen, mit Biegemodulen ueber 14.000 MPa und Zugfestigkeiten ueber 190 MPa bei 65 % glasfaserverstaerkten Formulierungen.
• Hervorragende Hydrolysebestaendigkeit, die PPS fuer Langzeitexposition gegenueber Dampf, Heisswasser und Kuehlmittelsystemen geeignet macht.
• Ausgezeichnete Strahlungsbestaendigkeit, wobei mechanische Eigenschaften unter Gamma- und Elektronenstrahl-Sterilisation erhalten bleiben.

Chemische Struktur und Polymertypen

PPS wird durch die Reaktion von para-Dichlorbenzol mit Natriumsulfid in einem polaren Loesungsmittel (typischerweise N-Methylpyrrolidon) bei erhoehten Temperaturen und Druecken synthetisiert. Das resultierende Polymer besteht aus wiederkehrenden para-Phenylensulfid-Einheiten, die eine starre, symmetrische Kettenstruktur erzeugen, die hohe Kristallinitaet foerdert (typischerweise 50–65 % in gespritzten Teilen).

Zwei Haupttypen von PPS sind kommerziell erhaeltlich: Lineares PPS, hergestellt durch moderne Polymerisationstechniken, das hochmolekulare Ketten mit ueberlegener Zaehigkeit und Dehnung ergibt; und vernetztes (gehaertetes) PPS, eine aeltere Technologie, bei der niedrigmolekulares Polymer thermisch vernetzt wird, um die Schmelzestabilitaet zu verbessern. Lineares PPS dominiert moderne Anwendungen aufgrund seiner ueberlegenen mechanischen Eigenschaften und vorhersagbarerem Verarbeitungsverhalten.

Verfuegbare Typen

Lineares PPS bietet die hoechste Zaehigkeit und Dehnung unter den PPS-Typen. Ungefuelltes lineares PPS wird fuer Faser-, Folien- und Beschichtungsanwendungen eingesetzt und dient als Basispolymer fuer die meisten Compound-Typen. Sein hohes Molekulargewicht bietet ausgezeichnete Bindenahtfestigkeit in komplexen Mehrfach-Anguss-Teilen.

Glasfaserverstaerktes PPS (40–65 % GF) ist die am weitesten verbreitete Form von PPS und macht ueber 70 % des Gesamtverbrauchs aus. Diese Typen bieten aussergewoehnliche Steifigkeit, Festigkeit und Waermeformbestaendigkeitstemperaturen. Der 40-%-glasfaserverstaerkte Typ ist der Industriestandard fuer Automobil- und Elektroanwendungen, waehrend hoehere Fuellgrade (55–65 %) fuer Strukturbauteile eingesetzt werden, die maximale Steifigkeit und Kriechbestaendigkeit erfordern.

Mineralgefuelltes PPS enthaelt mineralische Fuellstoffe (Calciumcarbonat, Talk oder Siliziumdioxid) zur Reduzierung des Verzugs, Verbesserung der Oberflaechenqualitaet und Senkung der Kosten im Vergleich zu glasfaserverstaerkten Typen. Mineral-/Glas-Hybridformulierungen bieten eine optimierte Balance aus Masshaltigkeit, Oberflaechenoptik und mechanischer Leistung.

Kohlefaserverstaerktes PPS liefert das hoechste Steifigkeits-Gewichts-Verhaeltnis unter PPS-Compounds, mit Biegemodulen ueber 25.000 MPa. Diese Typen werden in Luft- und Raumfahrt-Strukturbauteilen, Halbleiter-Handhabungsanlagen und Hochleistungs-Industrieanwendungen eingesetzt, wo Gewichtsreduzierung entscheidend ist.

Vernetztes PPS wird durch thermische Haertung von niedrigerem Molekulargewicht-PPS hergestellt. Obwohl es gute chemische Bestaendigkeit und Masshaltigkeit bietet, haben vernetzte Typen geringere Zaehigkeit und Dehnung im Vergleich zu linearem PPS. Sie bleiben fuer spezifische Beschichtungs-, Verkapselungs- und Bestandsanwendungen in Gebrauch.

Verarbeitung

PPS wird hauptsaechlich durch Spritzguss verarbeitet, mit empfohlenen Schmelzetemperaturen von 300–340°C und Werkzeugtemperaturen von 130–150°C. Hohe Werkzeugtemperaturen sind unerlaesslich fuer die Entwicklung einer ordnungsgemaessen Kristallinitaet, die sich direkt auf chemische Bestaendigkeit, Masshaltigkeit und mechanische Leistung auswirkt. Vortrocknung wird empfohlen (3–4 Stunden bei 150°C), obwohl PPS weniger feuchtigkeitsempfindlich ist als Polyester und Polyamide.

PPS kann auch durch Extrusion (Folie, Faser, Rohr), Formpressen und Schlaemmbeschichtung verarbeitet werden. Seine ausgezeichneten Fliesseigenschaften und geringen Gratbildungseigenschaften machen es hervorragend geeignet fuer Duennwand- und Einlegeteil-Spritzgussanwendungen. Nachbearbeitungsverfahren umfassen Tempern (zur Maximierung der Kristallinitaet), Ultraschallschweissen, Lasermarkierung und mechanische Bearbeitung. PPS laesst sich aufgrund seiner chemischen Inertheit nicht gut mit herkoemmlichen Klebstoffen verbinden und erfordert Plasma- oder Corona-Oberflaechenbehandlung fuer Klebanwendungen.