Hochleistungskunststoffe im Außenbereich: Welche Werkstoffe eignen sich?

Sonne, Regen, Frost, Feuchtigkeit und starke Temperaturwechsel stellen hohe Anforderungen an Kunststoffbauteile. Für einen dauerhaften Einsatz im Freien reicht deshalb eine hohe mechanische Festigkeit allein nicht aus. Der eingesetzte Werkstoff muss zu den tatsächlichen Umweltbedingungen, Belastungen und der geforderten Lebensdauer passen.

Hochleistungskunststoffe können im Außenbereich eine besonders langlebige Alternative zu metallischen Werkstoffen darstellen. Sie sind korrosionsbeständig, vergleichsweise leicht und können je nach Werkstoff eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, Feuchtigkeit, Temperatur und Verschleiß bieten.

Dabei gilt jedoch: Nicht jeder Hochleistungskunststoff ist automatisch dauerhaft UV-beständig. Bei der Werkstoffauswahl müssen die konkrete Kunststofftype, mögliche Additive, die Farbe, mechanische Beanspruchung und die Dauer der Freibewitterung berücksichtigt werden.

Wer speziell nach der Beständigkeit gegenüber Sonnenlicht sucht, findet weitere Informationen in unserem Beitrag über UV-beständige Kunststoffe.

Welcher Hochleistungskunststoff eignet sich für den Außenbereich?

Für Anwendungen mit dauerhaftem Witterungs- und UV-Einfluss sind insbesondere Fluorkunststoffe wie PVDF und PTFE interessant. PEEK kann bei hohen thermischen und mechanischen Belastungen eingesetzt werden, wobei für langfristige Außenanwendungen die konkrete Werkstoffqualität geprüft werden sollte. Auch PPS und POM können für bestimmte Außenanwendungen infrage kommen, benötigen jedoch je nach Einsatzbedingungen eine geeignete Materialausführung beziehungsweise Stabilisierung.

Die Auswahl sollte daher nicht allein anhand der Werkstoffbezeichnung erfolgen. Relevant sind unter anderem:

• UV-Belastung und Intensität der Sonneneinstrahlung
• minimale und maximale Einsatztemperatur
• Feuchtigkeit und Wasseraufnahme
• Kontakt mit Chemikalien, Ölen oder Reinigungsmitteln
• mechanische Belastung und Verschleiß
• gewünschte Lebensdauer
• notwendige Maßhaltigkeit
• Farbe und eingesetzte Additive

Was müssen Kunststoffe im Außenbereich aushalten?

Im Freien wirken häufig mehrere Belastungen gleichzeitig auf ein Bauteil ein. Diese Kombination unterscheidet Außenanwendungen deutlich von vielen Anwendungen in geschlossenen Räumen.

UV-Strahlung

UV-Strahlung kann Polymerketten und Zusatzstoffe verändern. Mögliche Folgen sind Farbveränderungen, Versprödung, Oberflächenrisse und ein Verlust mechanischer Eigenschaften.

Manche Kunststoffe besitzen bereits aufgrund ihrer chemischen Struktur eine hohe UV-Beständigkeit. Andere Materialien werden durch UV-Stabilisatoren, Pigmente oder spezielle Oberflächen gezielt für den Außeneinsatz modifiziert.

Mehr darüber erfahren Sie im Ratgeber Welche Kunststoffe sind beständig gegen UV-Strahlung?.

Regen und Feuchtigkeit

Wasseraufnahme kann bei bestimmten Kunststoffen zu Maßänderungen und einer Veränderung mechanischer Eigenschaften führen. Für Präzisionsbauteile im Außenbereich ist deshalb eine geringe Wasseraufnahme häufig besonders wichtig.

Frost und hohe Temperaturen

Ein Kunststoff für den Außenbereich muss sowohl niedrige Wintertemperaturen als auch die Erwärmung durch direkte Sonneneinstrahlung verkraften können. Die zulässigen Einsatztemperaturen unterscheiden sich jedoch erheblich zwischen den einzelnen Werkstoffen.

Eine pauschale Temperaturspanne für alle Hochleistungskunststoffe ist deshalb nicht sinnvoll. Maßgeblich sind immer die konkrete Werkstofftype, Belastung, Einwirkdauer und Bauteilgeometrie.

Temperaturwechsel

Nicht nur maximale und minimale Temperaturen sind relevant. Wiederholte Temperaturwechsel verursachen Ausdehnung und Schrumpfung und können insbesondere bei engen Toleranzen oder Materialkombinationen berücksichtigt werden müssen.

Chemische Einflüsse

Im Außenbereich können Kunststoffe mit Reinigungsmitteln, Salzen, Industrieatmosphäre, Ölen oder anderen Medien in Kontakt kommen. Die chemische Beständigkeit sollte deshalb immer gegen die tatsächlich vorhandenen Stoffe geprüft werden.

Mechanische Belastungen

Wind, Vibrationen, Stöße, Abrieb oder dauerhafte Kräfte beanspruchen Außenbauteile zusätzlich. Besonders bei bewegten Komponenten müssen deshalb neben der Witterungsbeständigkeit auch Festigkeit, Verschleiß- und Gleiteigenschaften berücksichtigt werden.

Geeignete Hochleistungskunststoffe für Außenanwendungen

PVDF: sehr interessant bei UV- und Chemikalienbelastung

PVDF gehört zu den Fluorkunststoffen und zeichnet sich durch eine sehr gute Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Der Werkstoff ist insbesondere interessant, wenn ein Bauteil dauerhaft Sonnenlicht, Feuchtigkeit oder aggressiven Medien ausgesetzt ist. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise in Anlagenbau, Chemietechnik und verschiedenen technischen Außenanwendungen.

PVDF eignet sich besonders, wenn folgende Anforderungen zusammentreffen:

• hohe Witterungsbeständigkeit
• gute UV-Beständigkeit
• hohe Chemikalienbeständigkeit
• geringe Wasseraufnahme
• langfristiger Einsatz im Freien

PTFE: für extreme chemische und thermische Anforderungen

PTFE besitzt eine außergewöhnlich hohe chemische Beständigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Gleichzeitig weist der Fluorkunststoff eine hohe Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Umwelteinflüssen auf.

Typische Anwendungen umfassen beispielsweise Dichtungen, Gleitkomponenten, Isolationen oder Bauteile, die gleichzeitig Feuchtigkeit, Chemikalien und Temperaturbelastungen ausgesetzt sind.

PTFE ist besonders interessant bei:

• hoher chemischer Belastung
• Feuchtigkeit
• großen Temperaturbereichen
• niedriger Reibung
• Dichtungs- und Gleitanwendungen

PEEK: für hohe mechanische und thermische Belastungen

PEEK ist ein thermoplastischer Hochleistungskunststoff mit hoher Temperaturbeständigkeit, Festigkeit, Dimensionsstabilität und Chemikalienbeständigkeit.

Damit eignet sich PEEK vor allem für anspruchsvolle technische Bauteile, bei denen neben Umwelteinflüssen hohe mechanische oder thermische Anforderungen auftreten.

Für dauerhaft sonnenexponierte Anwendungen sollte allerdings die konkrete PEEK-Qualität betrachtet werden. Neben naturfarbenem PEEK stehen beispielsweise schwarze und modifizierte Werkstofftypen zur Verfügung.

PEEK ist besonders interessant bei:

• hohen Temperaturen
• hoher mechanischer Beanspruchung
• engen Toleranzen
• geringer Feuchtigkeitsaufnahme
• anspruchsvollen technischen Komponenten

PPS: formstabil bei thermischer und chemischer Belastung

PPS verbindet eine hohe Dimensionsstabilität mit guter Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit sowie geringer Wasseraufnahme.

Der Werkstoff kann deshalb für technische Gehäuse, elektrische Komponenten und Präzisionsteile interessant sein, die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ausgesetzt werden.

Für dauerhafte direkte UV-Belastung muss auch bei PPS geprüft werden, ob die eingesetzte Materialqualität für die konkrete Freibewitterung geeignet ist.

POM: nur mit passender Werkstoffqualität für dauerhafte Außenanwendungen

POM verfügt über hohe Härte, Steifigkeit, Maßhaltigkeit und günstige Gleiteigenschaften. Dadurch eignet sich der Werkstoff beispielsweise für Zahnräder, Führungen, Lager- und Bewegungselemente.

Unmodifiziertes POM sollte jedoch nicht pauschal als dauerhaft UV-beständiger Außenwerkstoff betrachtet werden. Für Anwendungen mit intensiver Sonneneinstrahlung sind entsprechend stabilisierte oder speziell ausgewählte Qualitäten erforderlich.

POM kommt daher insbesondere infrage, wenn:

• gute Gleiteigenschaften erforderlich sind
• hohe Maßhaltigkeit benötigt wird
• mechanische Komponenten bewegt werden
• eine für die Anwendung geeignete UV-stabilisierte Qualität verwendet wird

Hochleistungskunststoffe für den Außenbereich im Vergleich

Werkstoff	Wichtige Eigenschaften	Typische Eignung im Außenbereich
PVDF	sehr gute Witterungs-, UV- und Chemikalienbeständigkeit	dauerhafte Außenanwendungen, chemisch belastete Bauteile
PTFE	sehr hohe Chemikalienbeständigkeit, niedrige Reibung, breiter Temperaturbereich	Dichtungen, Gleitbauteile, chemisch und thermisch belastete Anwendungen
PEEK	hohe Festigkeit, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, geringe Wasseraufnahme	hochbelastete technische Bauteile; Werkstoffqualität für UV-Belastung prüfen
PPS	hohe Dimensionsstabilität, geringe Wasseraufnahme, hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit	Präzisions- und Gehäusebauteile; Freibewitterung werkstoffspezifisch prüfen
POM	hohe Steifigkeit, Maßhaltigkeit und gute Gleiteigenschaften	bewegliche Bauteile; für intensive UV-Belastung geeignete stabilisierte Qualität wählen

Die Tabelle dient als erste Orientierung. Für die endgültige Werkstoffauswahl sollten immer die konkreten Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

Natürliche Beständigkeit oder UV-Stabilisierung?

Bei der Beurteilung eines Kunststoffs für den Außenbereich sollte zwischen der grundsätzlichen Werkstoffeigenschaft und einer gezielten Modifikation unterschieden werden.

Kunststoffe können beispielsweise durch UV-Absorber, Stabilisatoren, Pigmente oder andere Zusätze für bestimmte Umgebungsbedingungen optimiert werden. Dadurch kann sich das Verhalten einer modifizierten Qualität deutlich vom Standardwerkstoff unterscheiden.

Mehr zu diesen Möglichkeiten finden Sie in unserem Beitrag über Additive für Kunststoffe.

Auch Oberflächenbehandlungen können die Beständigkeit eines Bauteils beeinflussen. Einen Überblick bietet der Beitrag Einfluss von Oberflächenbehandlung auf die Haltbarkeit von Kunststoffen.

Warum altern Kunststoffe im Außenbereich?

Die Alterung eines Kunststoffs wird nicht durch einen einzelnen Faktor bestimmt. Häufig wirken UV-Strahlung, Sauerstoff, Feuchtigkeit, Temperatur und mechanische Beanspruchung gleichzeitig.

Je nach Polymer können dadurch unter anderem folgende Veränderungen auftreten:

• Abbau von Polymerketten
• Verlust der Schlagzähigkeit
• Versprödung
• Farbveränderungen
• Oberflächenrisse
• Veränderung der Abmessungen
• Veränderung mechanischer Eigenschaften

Wie diese Vorgänge entstehen, erklären wir ausführlicher im Beitrag über Alterungsprozesse bei Kunststoffen.

Wo werden Hochleistungskunststoffe im Außenbereich eingesetzt?

Bauindustrie

In der Bauindustrie kommen Kunststoffe beispielsweise bei technischen Profilen, Abdeckungen, Verglasungen, Leitungen und anderen Komponenten mit Witterungskontakt zum Einsatz.

Je nach Anwendung stehen dabei UV-Beständigkeit, Korrosionsfreiheit, geringes Gewicht oder Feuchtigkeitsbeständigkeit im Vordergrund.

Erneuerbare Energien

Windkraft- und Photovoltaikanlagen sind dauerhaft Sonne, Regen, Temperaturwechseln und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Kunststoffe werden hier unter anderem für Isolationen, Dichtungen, Lagerkomponenten, Schutzteile und weitere technische Komponenten eingesetzt.

Mehr zu den Anwendungen finden Sie unter Kunststoffe für erneuerbare Energien.

Verkehrstechnik

Auch in der Verkehrstechnik werden Kunststoffbauteile dauerhaft unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Typische Anforderungen sind Witterungsbeständigkeit, Schlagfestigkeit, geringes Gewicht und elektrische Isolation.

Maschinen- und Anlagenbau

Bei Maschinen und Anlagen im Außenbereich müssen Kunststoffkomponenten häufig nicht nur Witterung, sondern gleichzeitig Schmierstoffen, Chemikalien, mechanischer Belastung und Temperaturschwankungen widerstehen.

Gerade hier bieten Hochleistungskunststoffe Vorteile, weil sich mehrere technische Eigenschaften in einem Werkstoff kombinieren lassen.

Hochleistungskunststoffe oder Metall im Außenbereich?

Hochleistungskunststoffe können gegenüber metallischen Werkstoffen verschiedene konstruktive Vorteile bieten:

• keine Korrosion wie bei ungeschützten metallischen Werkstoffen
• geringere Dichte
• gute chemische Beständigkeit
• elektrische Isolation bei geeigneten Werkstoffen
• teilweise sehr gute Gleit- und Verschleißeigenschaften
• hohe Gestaltungsfreiheit
• geringerer Wartungsbedarf in geeigneten Anwendungen

Ob Kunststoff oder Metall wirtschaftlich und technisch besser geeignet ist, hängt jedoch immer von der jeweiligen Anwendung ab. Tragfähigkeit, Temperatur, Bauteilabmessungen, Fertigungsverfahren, Lebensdauer und Sicherheitsanforderungen müssen gemeinsam betrachtet werden.

Worauf sollten Sie bei der Materialauswahl achten?

Für eine sichere Werkstoffauswahl sollten Sie die Einsatzbedingungen möglichst genau definieren.

1. Wie stark ist die UV-Belastung? Direkte Sonneneinstrahlung über viele Jahre stellt andere Anforderungen als eine gelegentliche Außenexposition.

2. Welche Temperaturen treten tatsächlich auf? Neben der Lufttemperatur kann sich ein dunkles Bauteil durch Sonneneinstrahlung erheblich erwärmen.

3. Kommt das Bauteil mit Wasser oder hoher Luftfeuchtigkeit in Kontakt? Die Wasseraufnahme kann je nach Kunststoff die Maßhaltigkeit und mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

4. Welche Chemikalien wirken auf das Bauteil ein? Reinigungsmittel, Salze, Öle, Kraftstoffe und Industrieatmosphäre müssen werkstoffspezifisch berücksichtigt werden.

5. Welche mechanischen Kräfte treten auf? Statische Lasten, Stöße, Abrieb und kontinuierliche Bewegung stellen unterschiedliche Anforderungen an den Kunststoff.

6. Welche Lebensdauer wird benötigt? Eine kurzfristige Outdoor-Anwendung erfordert eine andere Werkstoffauslegung als ein Bauteil, das viele Jahre ohne Austausch funktionieren soll.

7. Wird ein Standardwerkstoff oder eine modifizierte Qualität benötigt? UV-Stabilisatoren, Faserverstärkungen und andere Additive können das Eigenschaftsprofil gezielt verändern.

Prüfung der Witterungsbeständigkeit

Zur Beurteilung des Alterungsverhaltens können Kunststoffe unter definierten Bedingungen künstlicher Bewitterung ausgesetzt werden. Eine wichtige Normenreihe für die künstliche Bestrahlung beziehungsweise Bewitterung von Kunststoffen ist ISO 4892.

Solche Prüfungen helfen dabei, Veränderungen von optischen oder mechanischen Eigenschaften unter definierten Bedingungen zu untersuchen.

Laborprüfungen ersetzen jedoch nicht automatisch die Bewertung der tatsächlichen Anwendung. Geografischer Standort, Bauteilgeometrie, Belastungszustand und reale Umwelteinflüsse müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Den passenden Hochleistungskunststoff für den Außeneinsatz auswählen

Für den dauerhaften Außeneinsatz gibt es nicht den einen optimalen Kunststoff. PVDF und PTFE bieten Vorteile bei hohen Anforderungen an Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit. PEEK eignet sich besonders für Anwendungen mit zusätzlicher hoher thermischer und mechanischer Belastung. PPS und POM können ebenfalls eingesetzt werden, sofern Werkstoffqualität und Umgebungsbedingungen zueinander passen.

Je genauer Temperatur, UV-Belastung, Feuchtigkeit, Chemikalienkontakt und mechanische Beanspruchung bekannt sind, desto gezielter lässt sich der geeignete Werkstoff auswählen.

Martan Plastics unterstützt Sie bei der Auswahl geeigneter Kunststoffhalbzeuge und Werkstoffe für Ihre technische Anwendung. Für konkrete Anforderungen können Sie uns über unsere Kontaktseite ansprechen.

Häufige Fragen zu Hochleistungskunststoffen im Außenbereich

Welcher Kunststoff ist für den dauerhaften Außenbereich geeignet?

Für dauerhaft witterungsbelastete Anwendungen sind unter anderem Fluorkunststoffe wie PVDF und PTFE interessant. Ob ein Werkstoff tatsächlich geeignet ist, hängt jedoch zusätzlich von UV-Belastung, Temperatur, Chemikalienkontakt, mechanischer Belastung und der konkreten Materialqualität ab.

Sind alle Hochleistungskunststoffe UV-beständig?

Nein. Die Einordnung als Hochleistungskunststoff bedeutet nicht automatisch eine uneingeschränkt hohe UV-Beständigkeit. Je nach Polymer können spezielle UV-stabilisierte, pigmentierte oder anderweitig modifizierte Qualitäten erforderlich sein.

Ist PEEK für den Außenbereich geeignet?

PEEK besitzt eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine hohe Beständigkeit gegenüber zahlreichen Chemikalien. Bei dauerhafter UV-Belastung sollte jedoch die konkrete Werkstoffqualität für die vorgesehenen Einsatzbedingungen geprüft werden.

Ist POM für draußen geeignet?

POM kann für mechanische Komponenten im Außenbereich eingesetzt werden, sollte bei intensiver und dauerhafter Sonneneinstrahlung jedoch nicht pauschal als UV-beständig betrachtet werden. Für solche Anwendungen sind geeignete stabilisierte Materialqualitäten erforderlich.

Welcher Kunststoff ist besonders witterungsbeständig?

Fluorkunststoffe wie PVDF und PTFE zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegenüber vielen Witterungs- und Umwelteinflüssen aus. Für die Werkstoffentscheidung müssen jedoch auch mechanische, thermische und konstruktive Anforderungen berücksichtigt werden.

Wie lässt sich die UV-Beständigkeit von Kunststoffen verbessern?

Je nach Kunststoff können UV-Stabilisatoren, UV-Absorber, Pigmente, geeignete Einfärbungen oder Oberflächenbeschichtungen eingesetzt werden. Welche Lösung sinnvoll ist, hängt vom Grundpolymer und der Anwendung ab.

Welche Faktoren bestimmen die Lebensdauer eines Kunststoffs im Freien?

Zu den wichtigsten Faktoren gehören UV-Strahlung, Temperatur, Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Sauerstoff, Chemikalienkontakt und mechanische Belastungen. Da diese Einflüsse häufig gleichzeitig auftreten, sollte die Materialauswahl immer an der konkreten Anwendung ausgerichtet werden.