Die Dichte von Kunststoffen ist eine der grundlegendsten physikalischen Eigenschaften zum Vergleich verschiedener Kunststoffe. Sie beeinflusst zudem direkt das Bauteilgewicht, den Materialverbrauch und die Herstellungskosten. Unterschiedliche Harze, Füllstoffe und Modifizierungsverfahren können zu Schwankungen in der Dichte führen.
Dieser Artikel führt in die Grundlagen der Kunststoffdichte ein, beschreibt typische Dichtebereiche gängiger Materialien, die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Dichte und gängige Prüfmethoden. Außerdem wird erläutert, wie die Dichte in der Fertigung Anwendung findet.
1. Was ist die Dichte von Kunststoff?
Die Dichte eines Kunststoffs bezeichnet die Masse eines Kunststoffs pro Volumeneinheit. Sie wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben ρ dargestellt und nach folgender Formel berechnet:
ρ = m / V
Dabei gilt: ρ = Dichte, m = Masse, V = Volumen
Die gebräuchlichsten Einheiten für die Dichte von Kunststoffen sind g/cm³ und kg/m³ , wobei gilt: 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
Unterschiedliche Kunststoffe weisen unterschiedliche molekulare Zusammensetzungen und innere Strukturen auf. Molekulare Anordnung, Kristallinität, Füllstoffe und Additive können ebenfalls die endgültige Dichte eines Materials beeinflussen.
2. Dichtetabelle gängiger Kunststoffe
Die folgende Tabelle listet typische Dichtebereiche für in der Fertigung häufig verwendete Kunststoffe auf.
| Material | Abkürzung | Dichtebereich (g/cm³) | Dichtebereich (kg/m³) | Notizen |
| Polypropylen | PP | 0.90-0.91 | 900-910 | Gängiger leichter Kunststoff |
| Polyethylen niedriger Dichte | LDPE | 0.917-0.940 | 917-940 | Flexibel und relativ geringe Dichte |
| Polyethylen mit hoher Dichte | HDPE | 0.94-0.97 | 940-970 | Höhere Dichte als LDPE |
| Acrylnitril-Butadien-Styrol | ABS | 1.03-1.08 | 1030-1080 | Die Dichte kann je nach Gütegrad merklich variieren. |
| Polystyrol | PS | 1.04-1.05 | 1040-1050 | Bezieht sich auf standardmäßige, nicht ausgefüllte PS |
| Polymethylmethacrylat | PMMA | 1.17-1.20 | 1170-1200 | Allgemein bekannt als Acryl |
| Polycarbonate | PC | 1.19-1.22 | 1190-1220 | Gängiger transparenter technischer Kunststoff |
| Nylon 6 | PA6 | 1.12-1.14 | 1120-1140 | Die Dichte kann durch den Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst werden. |
| Nylon 66 | PA66 | 1.13-1.15 | 1130-1150 | Unbewehrte Güteklasse |
| Polyoxymethylen | POM | 1.41-1.42 | 1410-1420 | Relativ hohe Dichte |
| Polyethylenterephthalat | PET | 1.30-1.40 | 1300-1400 | Stark beeinflusst von der Kristallinität |
| Polybutylenterephthalat | PBT | 1.30-1.40 | 1300-1400 | Standard-Technikkunststoff |
| Polyvinylchlorid | PVC | 1.35-1.50 | 1350-1500 | Bezieht sich hauptsächlich auf Hart-PVC |
| Thermoplastisches Polyurethan | TPU | 1.10-1.25 | 1100-1250 | Stark beeinflusst von der Rezeptur und der Härte |
| Thermoplastisches Elastomer | TPE | 0.89-1.20 | 890-1200 | Variiert stark zwischen den verschiedenen TPE-Familien |
| Polyetheretherketon | PEEK | 1.26-1.32 | 1260-1320 | Hochleistungskunststoff |
| Polyphenylensulfid | PPS | Ca. 1.35 | Ca. 1350 | Die Dichte nimmt mit zunehmendem Füllstoffgehalt deutlich zu. |
| Polytetrafluorethylen | PTFE | 2.10-2.20 | 2100-2200 | Einer der dichteren gängigen Kunststoffe |
| PC/ABS-Legierung | PC / ABS | 1.10-1.15 | 1100-1150 | Hängt vom Mischungsverhältnis und der Sorte ab. |
| 30 % glasfaserverstärktes Nylon 66 | PA66-GF30 | Ca. 1.37 | Ca. 1370 | Deutlich dichter als Standard-PA66 |
Diese Werte eignen sich für Materialvergleiche und Vorberechnungen. Für die eigentliche Konstruktion und Fertigung sollten die technischen Datenblätter der jeweiligen Materialgüte herangezogen werden. Zusammensetzung, Füllstoffgehalt und Modifizierungsverfahren können die Dichte beeinflussen.
3. Warum haben verschiedene Kunststoffe unterschiedliche Dichten?
1) Molekulare Struktur des Polymers
Kunststoffe bestehen aus verschiedenen Polymermolekülen . Ihre chemische Zusammensetzung, Kettenstruktur und die Dichte der Moleküle beeinflussen die Masse in einem bestimmten Volumen.
2) Kristallinität
Wenn Polymermoleküle regelmäßiger angeordnet sind, können sie im Allgemeinen dichter gepackte kristalline Bereiche bilden. Bei demselben teilkristallinen Kunststoff können Änderungen der Kristallinität zu Änderungen der Dichte führen.
3) Füllstoffe und Verstärkungen
Glasfasern, mineralische Füllstoffe und andere Verstärkungsmaterialien können die Gesamtdichte eines Kunststoffs verändern.
Beispielsweise weist Standard -PA66 typischerweise eine Dichte von etwa 1.13–1.15 g/cm³ auf . Durch die Zugabe von ca. 30 % Glasfasern kann PA66-GF30 eine Dichte von etwa 1.37 g/cm³ erreichen.
4) Zusatzstoffe
Flammschutzmittel, Weichmacher, Pigmente, Schlagzähmodifikatoren und andere Additive verändern die Materialzusammensetzung. Unterschiedliche Additivarten und -mengen können selbst bei Sorten, die auf demselben Harz basieren, zu Dichteschwankungen führen.
PVC ist ein typisches Beispiel. Hart-PVC, weichmacherhaltiges PVC und gefülltes PVC können deutlich unterschiedliche Dichtebereiche aufweisen.
5) Geschäumte Struktur
Geschäumte Kunststoffe enthalten zahlreiche Gasbläschen oder Mikroporen. Da in einem bestimmten Volumen weniger Polymer vorhanden ist, verringert sich die scheinbare Dichte.
Im Allgemeinen führt ein höherer Schäumungsgrad zu einer geringeren Rohdichte. Bei diesen Werkstoffen sollte die Dichte zusammen mit dem spezifischen Schäumprozess und der Struktur des fertigen Bauteils bewertet werden.
4. Was ist der Unterschied zwischen der Dichte von Kunststoffen und ihrem spezifischen Gewicht?
Die Dichte ist das Verhältnis von Masse zu Volumen und hat eine definierte Einheit.
Das spezifische Gewicht, auch relative Dichte genannt, ist das Verhältnis der Dichte eines Materials zur Dichte einer Referenzsubstanz und ist dimensionslos. Bei festen Kunststoffen wird üblicherweise Wasser als Referenzsubstanz verwendet.
Bei Raumtemperatur beträgt die Dichte von Wasser etwa 1 g/cm³, daher entspricht der Zahlenwert der Dichte eines Kunststoffs in g/cm³ oft sehr genau seiner relativen Dichte. Beispielsweise hat ein Kunststoff mit einer Dichte von etwa 1.20 g/cm³ typischerweise eine relative Dichte von etwa 1.20.
5. Wie wird die Dichte von Kunststoffen gemessen?
1) Immersionsmethode
Die Immersionsmethode wird häufig zur Messung der Dichte fester Kunststoffe verwendet und basiert auf dem Archimedischen Prinzip.
Die Probe wird zunächst an der Luft gewogen und anschließend vollständig in eine Flüssigkeit bekannter Dichte eingetaucht und erneut gewogen. Aus den beiden Messungen werden das Volumen und die Dichte der Probe berechnet.
Dieses Verfahren eignet sich für massive Kunststoffplatten, -stäbe, Spritzgussteile, Extrusionsteile und ähnliche Proben ohne nennenswerte innere Hohlräume.
2) Gemeinsame Prüfstandards
Zu den gängigen Standards gehören:
ASTM D792-20: Bestimmt die Dichte und das spezifische Gewicht von festen Kunststoffen mittels Verdrängungsverfahren. Es kann Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden.
ISO 1183-1:2025: Gilt für nicht-zelluläre Kunststoffe und umfasst das Immersionsverfahren, das Flüssigkeitspyknometerverfahren und das Titrationsverfahren.
Die geeignete Methode sollte anhand der Probenform, der Feuchtigkeitsaufnahme des Materials und der Möglichkeit einer Reaktion der Testflüssigkeit mit dem Kunststoff ausgewählt werden.
6. Wie beeinflusst die Kunststoffdichte die Fertigung?
In der Fertigung wird die Dichte hauptsächlich zur Berechnung von Gewicht, Materialverbrauch und Kosten verwendet . Unabhängig davon, ob ein Bauteil durch Spritzgießen , CNC-Bearbeitung , Extrusion oder Thermoformen hergestellt wird , kann die Dichte genutzt werden, um das Materialvolumen in Masse umzurechnen, sobald das Volumen bekannt ist.
1) Schätzung des Teilegewichts und des Materialverbrauchs
Wenn das Volumen eines CAD-Modells bekannt ist, lässt sich das Gewicht eines Kunststoffteils schnell abschätzen:
Teilegewicht = Teilevolumen × Materialdichte
Zum Beispiel ergibt sich für das gleiche 100 cm³ große Teil bei einer PP-Dichte von 0.90 g/cm³ ein theoretisches Gewicht von etwa 90 g.
Die Verwendung von ABS mit einer Dichte von 1.05 g/cm³ erhöht das theoretische Gewicht auf etwa 105 g. Mit steigendem Produktionsvolumen wirkt sich dieser Unterschied direkt auf den gesamten Materialverbrauch aus.
2) Schätzung der Herstellungskosten
Kunststoffrohstoffe werden im Allgemeinen nach Gewicht gekauft, während CAD-Modelle das Bauteilvolumen angeben. Die Dichte verbindet beides:
Materialkosten ≈ Teilevolumen × Materialdichte × Materialpreis
Die tatsächliche Produktion erfordert zudem die Berücksichtigung üblicher Prozessverluste. Beim Spritzgießen können Angüsse und Gießkanäle entstehen, während bei der CNC-Bearbeitung die Rohmaterialgröße und die abgetragene Materialmenge berücksichtigt werden müssen.
3) Umrechnung von Materialgewicht und -volumen in verschiedenen Fertigungsprozessen
Diese Umrechnung ist für eine Vielzahl von Fertigungsprozessen nützlich.
Beim Spritzgießen können Kavitätsvolumen und Materialdichte verwendet werden, um das Teilegewicht, das Gesamtgewicht des Kunststoffs pro Formzyklus und die erforderliche Schussgröße abzuschätzen.
Bei der Extrusion hilft die Dichte bei der Berechnung des theoretischen Gewichts pro Meter von Rohren, Profilen oder Stäben.
Bei der CNC-Bearbeitung kann das Volumen des Kunststoffplatten- oder Stangenmaterials zur Abschätzung des Rohlingsgewichts verwendet werden, während das Volumen des fertigen Teils dabei hilft, abzuschätzen, wie viel Material abgetragen werden muss.
Bei thermogeformten Blechen können Blechfläche, Dicke und Materialdichte zur Abschätzung des Blechgewichts und des Materialbedarfs herangezogen werden.
4) Leichtbauweise und Materialvergleich
Bei gewichtssensiblen Produkten wie Automobilkomponenten, Unterhaltungselektronik und Robotik spielt die Materialdichte eine wichtige Rolle im Leichtbau. Bei gleichem Bauteilvolumen kann ein Kunststoff mit geringerer Dichte das Gewicht des Bauteils direkt reduzieren.
Die Dichte allein reicht jedoch nicht aus, um die leichteste praktikable Konstruktion zu bestimmen. Festigkeit, Steifigkeit und die zulässige Wandstärke müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Einige verstärkte Kunststoffe weisen eine höhere Dichte auf, können aber dennoch das Endgewicht des Bauteils reduzieren, indem dünnere Wände oder weniger Verstärkungselemente ermöglicht werden.
5) Dichteänderungen in gefüllten und verstärkten Kunststoffen
In der Fertigung ist es wichtig, zwischen Basisharzen und verstärkten Sorten zu unterscheiden.
Nehmen wir PA66 als Beispiel. Standard-PA66 hat eine Dichte von etwa 1.13–1.15 g/cm³, während PA66-GF30 eine Dichte von ca. 1.37 g/cm³ erreichen kann. Wird das gleiche CAD-Volumen weiterhin mit der Dichte von unverstärktem PA66 berechnet, werden sowohl das geschätzte Bauteilgewicht als auch der tatsächliche Materialbedarf unterschätzt.
Für Angebotserstellung, Materialbeschaffung und Produktionsplanung liefert die Verwendung der Dichte der jeweiligen Materialgüte ein zuverlässigeres Ergebnis.
Anwendungsbeispiel für die Kunststoffdichte
In einem Projekt für ein Strukturbauteil wünschte der Kunde eine weitere Gewichtsreduzierung. Nach Prüfung der mechanischen Festigkeit, Steifigkeit, Betriebstemperatur und Dimensionsstabilität des Bauteils empfahlen wir, das ursprüngliche Material von PBT-GF30 auf PP-GF30 umzustellen.
Das ursprüngliche PBT-GF30 hatte eine Dichte von ca. 1.52 g/cm³. Bei einem Netto-CAD-Volumen von 120 cm³ betrug das theoretische Bauteilgewicht: 120 × 1.52 = 182.4 g.
Nach dem Wechsel zu PP-GF30 mit einer Dichte von ca. 1.13 g/cm³ sank das theoretische Gewicht bei gleichem Volumen auf: 120 × 1.13 = 135.6 g
Dadurch konnte das Gewicht jedes einzelnen Teils um etwa 46.8 g bzw. rund 25.7 % reduziert werden. Im Rahmen des Projekts wurden schließlich 10,000 Teile gefertigt, wodurch das Gesamtnettogewicht des Produkts um etwa 468 kg gesenkt werden konnte. Auch der Materialverbrauch sowie die Kosten für Verpackung, Lagerung und Transport wurden reduziert.
FAQ
Frage 1: Ändert sich die Dichte von Kunststoffen mit der Temperatur?
Ja. Kunststoffe dehnen sich im Allgemeinen bei steigender Temperatur aus, wodurch sich ihr Volumen vergrößert und ihre Dichte abnimmt.
Frage 2: Beeinflusst die Farbe eines Kunststoffs seine Dichte?
Das ist möglich. Pigmente, Farbmasterbatches und andere Zusatzstoffe verändern die Materialzusammensetzung, wobei die durch normale Färbung verursachte Dichteänderung in der Regel gering ist.
Frage 3: Führt ein höherer Glasfaseranteil zu einer höheren Kunststoffdichte?
Im Allgemeinen ja. Glasfasern sind dichter als die meisten Basisharze, daher erhöht eine Steigerung des Glasfaseranteils in der Regel die Gesamtdichte des Verbundwerkstoffs.
Frage 4: Haben Kunststoffgranulat und Formteile die gleiche Dichte?
Die tatsächliche Materialdichte ist im Allgemeinen ähnlich, die Schüttdichte von Kunststoffgranulat ist jedoch geringer, da zwischen den Granulaten Luftspalte vorhanden sind.
Frage 5: Warum weisen Kunststoffe derselben Art bei verschiedenen Lieferanten unterschiedliche Dichtewerte auf?
Die Hauptgründe liegen in Unterschieden hinsichtlich Materialgüte, Füllstoffgehalt, Flammschutzsystemen, Weichmachern und anderen Modifikatoren. Für konkrete Anwendungen sollte das Datenblatt der jeweiligen Materialgüte herangezogen werden.
