Polytetrafluorethylen (PTFE), bekannt für seine außergewöhnliche chemische Stabilität, seine Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen sowie seinen geringen Reibungskoeffizienten, trägt den Beinamen „Kunststoffkönig“ und findet breite Anwendung in der chemischen, mechanischen und elektronischen Industrie. Reines PTFE weist jedoch inhärente Nachteile wie geringe mechanische Festigkeit, Anfälligkeit für Kaltfließverformung und schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden glasfaserverstärkte PTFE-Verbundwerkstoffe entwickelt. Dank der verstärkenden Wirkung der Glasfasern verbessert dieses Material zahlreiche Leistungskennzahlen deutlich und behält gleichzeitig die überlegenen Eigenschaften von PTFE bei.
1. Deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
Die hochsymmetrische Molekülkettenstruktur und die hohe Kristallinität von reinem PTFE führen zu schwachen intermolekularen Kräften, was eine geringe mechanische Festigkeit und Härte zur Folge hat. Dadurch ist es anfällig für Verformungen unter starker äußerer Belastung, was seine Anwendung in Bereichen mit hohen Festigkeitsanforderungen einschränkt. Die Einarbeitung von Glasfasern verbessert die mechanischen Eigenschaften von PTFE deutlich. Glasfasern zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit und ihren hohen Elastizitätsmodul aus. Gleichmäßig in der PTFE-Matrix verteilt, tragen sie effektiv äußere Lasten und verbessern so die Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs. Untersuchungen zeigen, dass sich die Zugfestigkeit von PTFE durch die Zugabe einer geeigneten Menge Glasfaser um das 1- bis 2-Fache steigern lässt und die Biegefestigkeit sogar noch deutlicher zunimmt – um das 2- bis 3-Fache im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Auch die Härte steigt signifikant. Dadurch kann glasfaserverstärktes PTFE in komplexeren Arbeitsumgebungen im Maschinenbau und in der Luft- und Raumfahrt, beispielsweise in Gleitringdichtungen und Lagerkomponenten, zuverlässig eingesetzt werden, wodurch Ausfälle aufgrund unzureichender Materialfestigkeit effektiv reduziert werden.
2. Optimierte thermische Leistung
Reines PTFE ist zwar sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen beständig und kann im Bereich von -196 °C bis 260 °C langfristig eingesetzt werden, weist jedoch bei hohen Temperaturen eine geringe Dimensionsstabilität auf, da es dort zu thermischer Verformung neigt. Die Zugabe von Glasfasern behebt dieses Problem effektiv, indem sie die Wärmeformbeständigkeit (HDT) und die Dimensionsstabilität des Materials erhöht. Glasfasern selbst besitzen eine hohe Hitzebeständigkeit und Steifigkeit. In Umgebungen mit hohen Temperaturen schränken sie die Bewegung der PTFE-Molekülketten ein und reduzieren so die thermische Ausdehnung und Verformung des Materials. Mit einem optimalen Glasfaseranteil lässt sich die Wärmeformbeständigkeit von glasfaserverstärktem PTFE um mehr als 50 °C steigern. Es behält seine Formstabilität und Maßgenauigkeit auch unter hohen Betriebstemperaturen bei und eignet sich daher für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die thermische Stabilität, wie beispielsweise Hochtemperatur-Rohrleitungen und Hochtemperatur-Dichtungen.
3. Verminderte Kaltfließneigung
Kaltfließen (oder Kriechen) ist ein bekanntes Problem von reinem PTFE. Es bezeichnet die langsame plastische Verformung, die unter konstanter Last über einen längeren Zeitraum auftritt, selbst bei relativ niedrigen Temperaturen. Diese Eigenschaft schränkt die Verwendung von reinem PTFE in Anwendungen ein, die langfristige Form- und Dimensionsstabilität erfordern. Der Einbau von Glasfasern hemmt das Kaltfließen von PTFE effektiv. Die Fasern wirken als Stützgerüst innerhalb der PTFE-Matrix und verhindern das Gleiten und die Umlagerung der PTFE-Molekülketten. Experimentelle Daten zeigen, dass die Kaltfließrate von glasfaserverstärktem PTFE im Vergleich zu reinem PTFE um 70 % bis 80 % reduziert wird, wodurch die Dimensionsstabilität des Materials unter Langzeitbelastung deutlich verbessert wird. Dies macht es geeignet für die Herstellung hochpräziser mechanischer Teile und Strukturbauteile.
4. Verbesserte Verschleißfestigkeit
Der niedrige Reibungskoeffizient von reinem PTFE ist zwar einer seiner Vorteile, trägt aber auch zu seiner geringen Verschleißfestigkeit bei und macht es anfällig für Verschleiß und Materialabtrag während Reibungsprozessen. Glasfaserverstärktes PTFE verbessert die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit des Materials durch die verstärkende Wirkung der Fasern. Die Härte von Glasfasern ist deutlich höher als die von PTFE, wodurch Verschleiß während der Reibung effektiv entgegengewirkt wird. Zudem verändert sich der Reibungs- und Verschleißmechanismus des Materials, wodurch adhäsiver und abrasiver Verschleiß von PTFE reduziert werden. Darüber hinaus können Glasfasern winzige Erhebungen auf der Reibungsfläche bilden, die einen gewissen reibungsmindernden Effekt erzielen und Schwankungen des Reibungskoeffizienten verringern. In der Praxis, beispielsweise bei der Verwendung als Werkstoff für Reibungskomponenten wie Gleitlager und Kolbenringe, verlängert sich die Lebensdauer von glasfaserverstärktem PTFE deutlich, potenziell um ein Vielfaches oder sogar Dutzende Male im Vergleich zu reinem PTFE. Studien haben gezeigt, dass die Verschleißfestigkeit von mit Glasfasern gefüllten PTFE-Verbundwerkstoffen im Vergleich zu ungefüllten PTFE-Materialien um fast das 500-Fache verbessert werden kann und der Grenzwert des PV-Wertes um etwa das Zehnfache steigt.
5. Verbesserte Wärmeleitfähigkeit
Reines PTFE besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was die Wärmeübertragung erschwert und bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Wärmeabfuhr Einschränkungen mit sich bringt. Glasfasern hingegen weisen eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und ihre Zugabe zu PTFE kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials bis zu einem gewissen Grad verbessern. Obwohl die Zugabe von Glasfasern den Wärmeleitkoeffizienten von PTFE nicht drastisch erhöht, können sie Wärmeleitungswege im Material bilden und so die Wärmeübertragung beschleunigen. Dies verleiht glasfaserverstärktem PTFE ein besseres Anwendungspotenzial in der Elektronik und Elektrotechnik, beispielsweise in Wärmeleitpads und Leiterplattensubstraten, und trägt dazu bei, die mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von reinem PTFE verbundenen Probleme der Wärmestauung zu beheben. Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit unterstützt zudem die Ableitung von Reibungswärme in Anwendungen wie Lagern und trägt somit zu einer besseren Leistung bei.
Anwendungsbereich: Dieser Verbundwerkstoff findet breite Anwendung in Industriedichtungen, hochbelastbaren Lagern/Buchsen, Halbleiteranlagen und verschiedenen verschleißfesten Bauteilen der chemischen Industrie. In der Elektronik wird er zur Herstellung von Isolierdichtungen für elektronische Komponenten, Leiterplattenisolierungen und verschiedenen Schutzdichtungen eingesetzt. Darüber hinaus findet er in der Luft- und Raumfahrtindustrie Verwendung für flexible Wärmedämmschichten.
Hinweis zu den Einschränkungen: Glasfasern verbessern zwar viele Eigenschaften deutlich, jedoch ist zu beachten, dass mit steigendem Glasfaseranteil die Zugfestigkeit, Dehnung und Zähigkeit des Verbundwerkstoffs abnehmen und der Reibungskoeffizient allmählich ansteigen kann. Darüber hinaus sind Glasfaser-PTFE-Verbundwerkstoffe nicht für den Einsatz in alkalischen Medien geeignet. Daher wird die Rezeptur, einschließlich des Glasfaseranteils (typischerweise 15–25 %) und der möglichen Kombination mit anderen Füllstoffen wie Graphit oder MoS₂, an die jeweiligen Anwendungsanforderungen angepasst.
Veröffentlichungsdatum: 05.12.2025