Polyamid ist einer der am weitesten verbreiteten Ingenieurkunststoffe in der Industrie – und das aus gutem Grund. Es vereint eine hohe mechanische Festigkeit mit guter chemischer Beständigkeit, einem breiten Bereich an Betriebstemperaturen und einer einfachen Verarbeitung. Es wird in der Automobilindustrie, Elektrotechnik, Haushaltsgeräten, Bauwesen und Dutzenden anderer Branchen eingesetzt, sowohl in Bauteilen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, als auch in präzisen Details, die Maßstabilität erfordern.
Dieser Artikel bietet einen vollständigen Überblick über die Eigenschaften von Polyamid als Materialklasse. Hier finden Sie mechanische, thermische, chemische und elektrische Daten, Vergleichstabellen sowie praktische Tipps dazu, was diese Zahlen beim Entwurf von Bauteilen bedeuten. Die Daten beziehen sich hauptsächlich auf die beliebtesten technischen Varianten – PA6 und PA66.
Für wen: Ingenieure, Konstrukteure, Teilekonstrukteure, Einkaufsleiter und Technologen, die Material für Anwendungen auswählen.
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Polyamid hängen stark von der Vielfalt des Materials und dem Feuchtigkeitsgehalt ab. Alle untenstehenden Daten beziehen sich auf den trockenen Zustand nach der Verarbeitung – die Werte für das konditionierte Material (23°C, 50 % relative Luftfeuchtigkeit) unterscheiden sich und werden im Abschnitt zur Hygroskopizität diskutiert.
Zugfestigkeit
Ingenieur-Polyamide erreichen eine Zugfestigkeit im Bereich von 60–90 MPa. In der Praxis bedeutet dies, dass sie erhebliche statische Lasten ohne dauerhafte Verformung tragen können – was sie in vielen Anwendungen als nützliche Ersatz für leichte Metalle macht, die keine extremen Lasten erfordern.
Zum Vergleich: Weichstahl erreicht 250–400 MPa, Aluminium ca. 200–300 MPa. Polyamid ist kein Ersatz für Metalle in schweren Anwendungen, aber mit dem richtigen Querschnitt und der Werkstückgeometrie reicht es für eine sehr breite Palette von Anwendungen aus – und ist deutlich leichter.
Elastizitätsmodul (Steifigkeit)
| Material | Youngs Modul (MPa) |
|---|---|
| Unverändertes | 1.500–3.500 |
| Polyamid GF30 | 8.000–11.000 |
| Polyamid GF50 | 14.000–16.000 |
Die Zugabe von 30 % Glasfaser erhöht die Steifigkeit um das Dreifache oder mehr – ein zentrales Argument für die Verwendung von GF-Varianten, wo Maßstabilität unter Last oder Kriechfestigkeit erforderlich ist.
Aufprallfestigkeit
Polyamid weist eine gute Aufschlagfestigkeit auf, besonders im konditionierten Zustand. Die gekerbte Charpy-Stoßfestigkeit beträgt im trockenen Zustand 4–10 kJ/m² und im konditionierten Zustand bis zu 15 kJ/m². Bei niedrigen Temperaturen behält das Material seine nutzbare Aufschlagfestigkeit bis zu ca. −30–40°C, was es zum bevorzugten Material für Anwendungen macht, die im Winter aufschlägen ausgesetzt sind.
Härte und Abriebfestigkeit
Shore D Härte: 70–85 (je nach Sorte und Feuchtigkeitsgehalt). Polyamid hat eine gute Abriebfestigkeit – besser als PP oder ABS, ähnlich wie POM. Dies rechtfertigt seinen Einsatz in Zahnrädern, linearen Führungen, Schiebebuchsen und reibungsexponierten Bauteilen.
Tabelle: Mechanische Eigenschaften von Polyamid
| Eigentum | Trockener | Konditionierter | Einheit |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 60-90 | 45-70 | MPa |
| Youngs | 1.500–3.500 | 800–2.200 | MPa |
| Charpy-Aufprallfestigkeit (gekerbt) | 4–10 | 8–15 | kJ/m² |
| Verlängerung beim Bruch | 20-50 | 100-300 | % |
| Küstenhärte D | 70–87 | 65–78 | – |
Thermische Eigenschaften
Schmelzpunkt und Betriebsbereich
Technische Polyamide schmelzen je nach Sorte im Bereich von 215–265 °C. Ungefährer Temperaturbereich für den Dauerbetrieb:
- Unverändertes Polyamid: -30°C bis +100-120°C (kurzfristig bis +150-180°C)
- Polyamid GF30: -40°C bis +140°C (kurzzeitig über +200°C)
„Polyamid behält 80 % seiner mechanischen Festigkeit bei 100°C, während viele andere Kunststoffe ihre Eigenschaften bereits bei 60–70°C verlieren.“
Durchbiegungstemperatur unter Last (HDT)
HDT gemessen gemäß ISO 75 bei 1,8 MPa:
- Unverändertes Polyamid: 60–90°C
- Polyamid GF30: 200–235°C
Glasfaserverstärkung erhöht den HDT um mehr als 150 °C – ein Hauptgrund, warum GF-Varianten in Motorhaubenanwendungen und anderen Hochtemperaturumgebungen dominieren.
Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE)
Unverändertes Polyamid: ca. 80–90 × 10⁻⁶ K⁻¹. Bei GF30-Varianten sinkt der Wert auf 25–40 × 10⁻⁶ K⁻¹ entlang der Faser. Zum Vergleich: Stahl – ca. 12 × 10⁻⁶ K⁻¹, Aluminium – ca. 23 × 10⁻⁶ K⁻¹.
Beim Entwurf von Metall-Polyamid-Verbindungen (z. B. Metalleinsätze in Polyamidgehäusen) muss der Unterschied in der CTE berücksichtigt werden – insbesondere bei großen Schwankungen der Betriebstemperaturen.
Creep
Unbearbeitetes Polyamid hat bei erhöhten Temperaturen einen begrenzten Kriechwiderstand – bei konstanter Last bei 80 °C verformt es sich nach einigen hundert Stunden merkbar. GF-Varianten weisen einen deutlich höheren Kreizwiderstand auf, was sie zum bevorzugten Material für Anwendungen mit dauerhafter statischer Belastung macht.
Verhalten bei niedrigen Temperaturen
Polyamid behält seine nützliche Aufprallfestigkeit bis etwa -30–40 °C. Unter diesen Temperaturen wird das Material spröde. Für Anwendungen mit extrem niedrigen Temperaturen können Schlagverstärker oder alternative Kunststoffe in Betracht gezogen werden.
Chemische Beständigkeit
Hoher Widerstand
Polyamide haben eine gute oder sehr gute Widerstandsfähigkeit gegen:
- Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzin, Mineralöle, Schmiermittel)
- Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol)
- Alkalische und schwach alkalische Lösungen
- Ester und Ketone in moderaten Konzentrationen
- Die meisten organischen Lösungsmittel bei Raumtemperatur
Niedriger Widerstand
Vermeiden Sie den Kontakt von Polyamid mit:
- starke Mineralsäuren (Schwefelsäure, Salzsäure, Salzsäure in höheren Konzentrationen)
- Starke Oxidatoren
- Phenole und Cresols
- Glycerin bei hoher Temperatur
Wichtig: Die chemische Beständigkeit von Polyamid ist stark temperaturabhängig – eine von PA6 bei 23°C tolerierte Substanz kann bei 80°C zu einem Abbau führen. Die Konzentration ist ähnlich: Salzsäure 5 % ist für Polyamid bei kurzfristigem Kontakt akzeptabel, Salzsäure 30 % verursacht schnelle Schäden.
Chemische Widerstandstabelle (ausgewählte Substanzen)
| Substanz | PA6 | PA66 | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Benzin | ++ | ++ | – |
| Motoröl | ++ | ++ | – |
| Hydrauliköl | ++ | ++ | – |
| Ethanol 96 % | ++ | ++ | – |
| Isopropanol | ++ | ++ | – |
| Aceton | + | + | Temperatur spielt eine Rolle |
| Salzsäure 10 % | – | – | Abbau |
| Schwefelsäure 10 % | – | – Abbau | |
| Essigsäure 10 % | + | + | Kurzzeitkontakt |
| NaOH 10% | ++ | ++ | – |
| Destilliertes | + | ++ | PA6-Schwellungen |
| Silikonöl | ++ | ++ | – |
| Glycerin | + | + | Temperaturempfindlichkeit |
| Phenol | – – | – – | Starker Abbau |
Legende: ++ sehr gute Immunität, + gut/moderat, – schwach, – – keine Immunität
Elektrische Eigenschaften
Polyamid ist ein elektrischer Isolator, was es in der Elektrotechnik und Elektronik nützlich macht.
| Eigentum | PA6 | PA66 | Einheit |
|---|---|---|---|
| Kreuzwiderstand | 10¹³–10¹⁴ | 10¹³–10¹⁴ | Ω·cm |
| Elektrische Stärke | 20-30 | 20-30 | kV/mm |
| Dielektrizitätskonstante (1 MHz) | 3,5-4,0 | 3,5-4,5 | – |
| Verlustfaktor (1 MHz) | 0,02 – 0,03 | 0,02 – 0,04 | – |
Die elektrischen Eigenschaften von Polyamid sind feuchtigkeitsempfindlich – Wasseraufnahme senkt den Widerstand und erhöht den Dielektrizitätsverlust. In Anwendungen, die stabile elektrische Eigenschaften unter variablen Luftfeuchtigkeitsbedingungen erfordern, sollte dies berücksichtigt oder modifizierte Varianten mit reduzierter Hygroskopität verwendet werden.
Typische Anwendungen: Steckverbindergehäuse, Isolatoren, Kabelhalter, Relais- und elektronische Bauteilgehäuse, Steckverbinder.
Hygroskopizität – eine Eigenschaft, die Sie kennen müssen
Polyamid nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebung auf – und es ist die Hygroskopizität, die Entwickler, die die Details dieses Materials nicht kennen, meist vergessen.
Technische Polyamide können bis zu 8–9 % ihres eigenen Wassergewichts aufnehmen (Gleichgewicht bei 100 % relative Luftfeuchtigkeit). Unter typischen industriellen Bedingungen (50 % relative Luftfeuchtigkeit) wird das Material auf ca. 2,5–3 % konditioniert.
„Die Aufnahme von 3 % Feuchtigkeit durch Polyamid erhöht die Aufprallfestigkeit um 50 % – es ist ein Merkmal, kein Bug.“
Die Wirkung von Feuchtigkeit auf mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Trockener | Konditionierter | Veränderung |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 100% | ~70-80% | -20-30% |
| Youngs Modul (Steifigkeit) | 100 % | ~50-60 % | -40-50 % |
| Aufprallstärke | 100% | ~150-200% | +50-100% |
| Verlängerung beim Bruch | 100 % | ~300-500 % | +200-400 % |
Feuchtigkeit plastifiziert Polyamid – verringert Steifigkeit und Festigkeit, verbessert aber die Schlagfestigkeit und Flexibilität erheblich. Für Anwendungen mit Schwingungsdämpfung oder Stoßfestigkeit ist konditioniertes PA6 oft das bevorzugte Material.
Dimensionale Konsequenzen
Die Feuchtigkeitsaufnahme führt dazu, dass das Material anschwillt – PA6 erhöht die Abmessungen um ca. 0,5–1 %, wenn es auf 3 % Feuchtigkeit konditioniert wird. Für Bauteile, die mit Metalleinsätzen arbeiten oder eine präzise Passform erfordern, muss dies im Design berücksichtigt werden.
Feuchtigkeitsmanagement in der Fertigung
Vor der Injektion müssen die Polyamidkörner getrocknet werden (80–100°C für 4–8 Stunden). Das beim Einspritzen durch Feuchtigkeit aufgenommene Material verursacht hydrolytische Abbau, Blasen, Oberflächendefekte und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks. Die getrockneten Körner sollten in einem luftdichten Behälter gelagert und innerhalb weniger Stunden nach Öffnen der Verpackung verwendet werden.
Verschleiß- und Reibungsbeständigkeit
Polyamid hat einen guten Reibungskoeffizienten und eine hohe Abriebfestigkeit – besonders im Vergleich zu nicht-technischen Kunststoffen wie PP oder ABS. Bei trockenen Reibungsbedingungen schneidet PA6 aufgrund seiner höheren Flexibilität etwas besser ab als PA66.
Für Anwendungen mit minimaler Reibung werden modifizierte Qualitäten mit der Zugabe von MoS₂ (Molybdändisulfid) oder PTFE verwendet, die den Reibungskoeffizienten um 30–50 % reduzieren und die Widerstandsfähigkeit gegen Abrasivverschleiß verbessern.
Typische Gleitanwendungen: Zahnräder, Linearführungen, glatte Buchsen, Polymerlager, Nockenwellen, Stifte. Polyamid konkurriert hier mit POM – POM hat im Trockenzustand einen etwas geringeren Reibungskoeffizienten, aber PA6-modifiziertes MoS₂ kommt diesen Werten zu geringeren Kosten nahe.
Entflammbarkeit und Sicherheit
Die Standard-PA6 und PA66 werden gemäß UL94 als HB (horizontales Brennen) klassifiziert – das bedeutet langsames horizontales Brennen ohne spontanes Löschen. Für Anwendungen in der Elektronik, Elektrotechnik und Bauwesen werden häufig höhere Entflammbarkeitsklassen benötigt.
Flammschutz- (FR)-Modifikationen ermöglichen die Erreichung der Klassen V0, V1 oder V2. Die am häufigsten verwendeten FR-Systeme sind Halogensysteme (effektiv, aber mit Umweltbeschränkungen) und halogenfreie (bei einer zunehmenden Anzahl von Spezifikationen erforderlich). Die Selbstzündungstemperatur von PA6 beträgt ca. 450–500°C.
Modifikationen und Verstärkungen
Unveränderte PA6/PA66 ist der Ausgangspunkt – in der industriellen Praxis dominieren modifizierte Varianten:
- PA6/PA66 + GF (Glasfaser, 15–50 %) – verdoppelt oder verdreifacht Festigkeit und Steifigkeit, verbessert den HDT- und Kriechwiderstand erheblich, senkt Schrumpfung und verbessert die Maßstabilität. Die Kosten sind höhere Sprödigkeit und Abrasivität (beschleunigter Formverschleiß).
- PA6/PA66 + Mineralfüllstoffe – Talkum, Kreide, Kaolin senken die Materialkosten, verbessern die Steifigkeit und reduzieren die Schrumpfung, verringern jedoch die Aufprall- und Zugfestigkeit.
- Aufprallmodifikatoren – Elastomere (EPDM, EPR), die in PA hinzugefügt werden, verbessern die Aufprallfestigkeit sogar mehrfach, allerdings auf Kosten der geringeren Steifigkeit. Verwendet in Stoßstangen und Gehäusen, die Stößen ausgesetzt sind.
- UV-Stabilisatoren – Standard-PA zersetzt sich unter dem Einfluss von UV-Strahlung (Gelbfärbung, Sprödigkeit). UV-Stabilisatoren (z. B. HALS) sind für Außenanwendungen notwendig.
- Flammschutzmittel (FR) – ermöglichen die Erreichung der Entflammbarkeitsklassen V0–V2 gemäß UL94 für Anwendungen in der Elektrotechnik und Elektronik.
Vergleich von Polyamid mit anderen Kunststoffen
| Eigentum | PA6/PA66 | POM | PP | PC |
|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 70-90 MPa | 60-70 MPa | 25-40 MPa | 55-70 MPa |
| Dauerbetriebstemperatur | bis zu 120°C | bis zu 100°C | bis zu 100°C | bis zu 120°C |
| Chemische Beständigkeit | gut | gut | sehr gut | mäßig |
| Reibung/Abrieb | gut | sehr gut | mäßig | schlecht |
| Hygroskopität | hoch | sehr niedrig | sehr niedrig | |
| Relativer | Mittel | Mittel–hoch | Niedrig | Hoch |
- PA vs POM: POM hat einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und ist dimensionsstabiler. PA6 ist günstiger und besser für Aufschlaganwendungen. POM verträgt keine Säuren, PA6 verträgt keine Alkalie – jeder hat seine eigene chemische Nische.
- PA vs. PP: PP ist viel günstiger und hat eine sehr gute chemische Beständigkeit, aber deutlich geringere Festigkeit und Steifigkeit. PP wird verwendet, wo niedrigere mechanische Eigenschaften ausreichen; PA6 – wo echte technische Festigkeit erforderlich ist.
- PA vs PC: PC hat bei niedrigen Temperaturen eine bessere Transparenz und Stoßfestigkeit, ist aber teurer und empfindlicher gegenüber Ketonen und Estern. PA6 GF30 setzt sich in Hochtemperaturanwendungen gegen PC durch.
FAQ – häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist die maximale Betriebstemperatur von Polyamid?
Für nicht modifizierte PA6: ca. 100°C kontinuierlich, kurzfristig bis zu 150°C. Für PA66: ca. 120°C kontinuierlich, kurzfristig bis 180°C. GF-verstärkte Varianten haben einen HDT von 200–235°C, aber die Langzeitbetriebstemperatur wird durch thermische Oxidation begrenzt – für wärmestabilisierte PA66 GF wird bei langfristiger Nutzung ca. 150–160°C als Maximum angenommen.
Ist Polyamid für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet?
Die Standards PA6 und PA66 können im Kontakt mit Lebensmitteln verwendet werden, sofern sie regulatorische Anforderungen erfüllen (z. B. EU-Verordnung 10/2011). Es ist entscheidend, die passenden Komponenten zu verwenden und eine Konformitätserklärung vom Lieferanten der Pellets einzuholen. Nicht jede kommerzielle Qualität ist dafür vorgesehen, mit Lebensmitteln in Kontakt zu kommen – dies sollte im technischen Datenblatt überprüft werden.
Wie wirkt sich Feuchtigkeit auf die mechanischen Eigenschaften von Polyamid aus?
Die Feuchtigkeitsaufnahme von 2,5–3 % verringert die Zugfestigkeit um ca. 20–30 % und den Youngschen Modul um ca. 40–50 %, erhöht jedoch die Schlagfestigkeit um 50–100 % und erhöht die Verlängerung beim Bruch mehrmals. Die Konstruktion von Polyamidkomponenten sollte auf konditionierten Eigenschaften basieren, nicht auf trockenen Eigenschaften – da der konditionierte Zustand den tatsächlichen Betriebsbedingungen entspricht.
Ist Polyamid widerstandsfähig gegen Benzin und Öle?
Ja – die Beständigkeit von PA6 und PA66 gegenüber Kohlenwasserstoffen (Benzin, Mineralöle, Schmiermittel) ist gut und einer der Hauptvorteile dieser Materialien in der Automobilindustrie. Die Widerstandsfähigkeit ist bei niedrigen Temperaturen besser; bei erhöhten Temperaturen lohnt es sich, Tests mit einem bestimmten Medium durchzuführen.
Was ist der Unterschied zwischen PA6 und PA66?
PA66 hat eine höhere Betriebstemperatur und Steifigkeit, PA6 ist günstiger und stoßfester. Eine detaillierte Aufschlüsselung mit Tabellen und Fallstudien finden Sie unter PA6 vs PA66: Ein vollständiger Leitfaden zu den Unterschieden.
Ist Polyamid ein umweltfreundliches Material?
Standard PA6/PA66 stammt aus petrochemischen Rohstoffen und ist nicht biologisch abbaubar. Gleichzeitig ermöglicht seine hohe Festigkeit die Konstruktion leichterer Bauteile (weniger Materialverbrauch) und seine thermoplastische Natur ermöglicht das Recycling. Biobasierte Varianten von PA (z. B. Rizinusöl PA11) sind erhältlich, haben jedoch unterschiedliche Eigenschaften und höhere Kosten. Das Nachbearbeitungsrecycling von Polyamid ist technisch möglich und wird in vielen Werken praktiziert.
Zusammenfassung
Polyamid ist ein vielseitiges Ingenieurmaterial, das zu Recht an der Spitze der technischen Materialien steht. Hohe mechanische Festigkeit, gute chemische Beständigkeit gegenüber Kohlenwasserstoffen und Alkalien, ein breiter Bereich an Betriebstemperaturen und die Möglichkeit der Modifikation (GF, MoS₂, FR) machen Polyamid zum bevorzugten Material für Dutzende von Anwendungen.
Eine wichtige Regel beim Entwerfen mit Polyamid: Berücksichtigen Sie immer die Hygroskopie. Planen Sie konditionierte Eigenschaften, nicht Trockeneigenschaften – denn es ist das konditionierte Material, das in Ihrem Bauteil arbeitet.
Brauchen Sie Hilfe bei der Auswahl eines Materials? Kontaktieren Sie unsere technische Abteilung – wir beraten bereits in der Entwurfsphase und wählen die Klasse entsprechend den Anforderungen der Anwendung aus.