Kunststoffe. Hans Domininghaus Peter Elsner (Hrsg.) Peter Eyerer (Hrsg.) Thomas Hirth (Hrsg.) Eigenschaften und Anwendungen

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4 Hans Domininghaus Peter Elsner (Hrsg.) Peter Eyerer (Hrsg.) Thomas Hirth (Hrsg.) Kunststoffe Eigenschaften und Anwendungen 8., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 892 Abbildungen und 275 Tabellen 123

5 Dipl.-Ing. Hans Domininghaus Professor Dr.-Ing. Peter Elsner Professor Dr.-Ing. Peter Eyerer Professor Dr. Thomas Hirth Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Joseph-von-Fraunhofer-Straße Pfinztal Deutschland Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstraße Stuttgart Deutschland ISBN ISBN (ebook) DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Heidelberg 2004, 2008, 2012 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollten in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Akualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien inder jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www-springer.com)

6 Vorwort zur 8. Auflage In der 8. Auflage des Buches Kunststoffe haben wir das Kapitel 1 erneut gekürzt, um so den Details zu den Kunststoffen mehr Platz ein zuräumen. Das bisherige Kapitel 1 erscheint in Kürze erneut in erweiterter Form unter dem Titel Polymer Engineering als separates Buch in der 2. Auflage ebenfalls beim Springer-Verlag. Diese 8. Auflage enthält neue Kapitel zu Polyurethanen und Naturfaserkompositen, das Kapitel Biopolymere wurde erweitert. Vollständig überarbeitet wurde außerdem das Kapitel 6 zum Thema Datenbanken. Ebenfalls gründlich überarbeitet und erweitert haben wir die Stichwortverzeichnisse. Selbstverständlich haben wir, wo immer uns möglich, das gesamte Werk überarbeitet und aktualisiert. Wir haben uns erneut bemüht die fachlichen Anregungen von Lesern und Kollegen zu berücksichtigen, aktuelle Entwicklungen aufzugreifen und neue Werkstoffdaten sowie Anwendungen zu integrieren. Wir würden uns freuen, wenn die aktuell vorliegende Auflage ihr Interesse findet und für sie zu einem weiterhin guten, oder noch besseren, Wegbegleiter bei der Lösung kunststoffspezifischer Fragen wird bzw. bleibt. Bitte helfen Sie wieder mit, die 9. Auflage zur K 2013 so weiterzuentwickeln, dass wir Ihren Wünschen und Bedarfen möglichst umfangreich gerecht werden. Schreiben Sie uns Ihre Meinung und helfen Sie mit Fehler auszumerzen. Sie erreichen uns per peter.elsner@ict.fraunhofer.de peter.eyerer@ict.fraunhofer.de thomas.hirth@igb.fraunhofer.de Unser besonderer Dank gilt den Autoren für die fachliche Ausarbeitung der Kapitel sowie Katharina Wörsing und Alexandra Wolf für die Erstellung und Korrektur des Manuskripts. Dem Springer Verlag, insbesondere Herrn Lehnert, danken wir für die Unterstützung bei der Umsetzung unseres Konzepts. Die Herausgeber Peter Elsner Peter Eyerer Thomas Hirth

7 Inhalt VII Inhalt 1 Einführung in Polymer Engineering Einteilungen Einteilung der Werkstoffe Einteilung der Kunststoffe Einteilung der Verbundwerkstoffe Hauptmerkmale von Kunststoffen (in Anlehnung an DIN 7724) Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe Wirtschaftsdaten zu Thermoplasten Wirtschaftsdaten zu Duroplasten Wirtschaftsdaten zu Elastomeren Preisspanne für Kunststoffe Literatur Kapitel Synthese (Herstellung, Erzeugung) von Kunststoffen Übersicht Polymerisation Zuordnung von Kunststoffen zu Polymerisationsarten Einflüsse der Polymerisation auf die Werkstoffeigenschaften Duroplaste (technische Harze) Abgewandelte Naturstoffe Kunststoffe auf Cellulosebasis Kunststoffe auf Proteinbasis Kunststoffe auf Ligninbasis Kunststofferzeugung (verfahrenstechnische Prozesse) 22 Literatur Kapitel Weiterführende Literatur Kapitel Eigenschaften von Kunststoffen in Bauteilen Aufbau der Kunststoffe Chemische Ordnungszustände Physikalische Ordnungszustände Mechanische Eigenschaften Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften Verformungsverhalten von Kunststoffen Verhalten bei Zugbelastung Mechanische Dämpfung

8 VIII Inhalt Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften Weitere physikalische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Beständigkeit gegen Chemikalien/Medien Alterung von Kunststoffen Schutzmaßnahmen gegen Alterungsvorgänge Zusatzstoffe für Kunststoffe Literatur Kapitel Weiterführende Literatur Kapitel Verarbeitung (Urformen) von Kunststoffen zu Bauteilen Aufbereitung und Zusatzstoffe (Additive) Verarbeitung von Kunststoffschmelzen Fließeigenschaften von Schmelzen Verformungsverhalten von Schmelzen Verarbeitung von Thermoplasten Spritzgießen Extrudieren Verarbeitungstechniken thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe Verarbeitung von Thermoplastischen Elastomeren (TPE) Verarbeitung von Elastomeren Formgebung (Rohlingsverarbeitung) und Vernetzung (Vulkanisation) Verarbeitung von Duroplasten Verarbeitungsprinzip Typisierung von Duroplasten (härtbare Formmassen) Einteilung der Verarbeitungsverfahren Verarbeitungseinflüsse auf Bauteileigenschaften Bauteileigenschaften Einflüsse des Verfahrens und des Kunststoffes auf die Bauteileigenschaften Literatur Kapitel Weiterführende Literatur Kapitel Weiterführende Literatur zu Kapitel Weiterführende Literatur zu Kapitel und Weiterführende Literatur zu Kapitel Weiterführende Literatur zu Kapitel Kunststoffe und Bauteile Kreislaufwirtschaft und Recycling Bauteil-Wiederverwertung Möglichkeiten der werkstofflichen Kreislaufführung Rohstoffliche Kreislaufführung Verbrennung

9 Inhalt IX Verbrennungskonzepte und -aggregate Verbrennung in Kraftwerken Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen Ausblick Umweltbewertung und -bilanzierung von Kunststoffen Ganzheitliche Bilanzierung Literatur Kapitel Weiterführende Literatur zu Kapitel Synthetische Kunststoffe Thermoplastische Polymere Polyolefine (PO) Polyethylen (PE) PE-LD und PE-HD Synthese und Compoundierung Synthese Struktur und Morphologie Compound und Blend Eigenschaften Thermo-Mechanische Eigenschaften Beständigkeit und Sperrfähigkeit Elektrische, optische, akustische Eigenschaften Verarbeitung und Anwendung von PE Urformen Umformen Fügen Veredelung Gesundheit und Umwelt Handelsnamen PE-LLD Synthese und Compoundierung Synthese Struktur und Morphologie Eigenschaften Verarbeitung und Anwendung Handelsnamen PE-UHMW Technisches PE-UHMW Synthese und Compoundierung Synthese Compound und Blend Eigenschaften Verarbeitung und Anwendung Handelsnamen

10 X Inhalt Medizinisches PE-UHMW Polyethylen als Implantatwerkstoff Chemisch unvernetztes medizinisches Standard Polyethylen als Werkstoff PE-UHMW als Implantat-Komponenten Chemisch hochvernetztes medizinisches PE-UHMW Polyethylen-Modifikationen Vernetztes Polyethylen (PE-X) Chlorierte Polyolefine Chloriertes Polyethylen (PE-C) (thermoplastisches Elastomer) Vernetzte chlorierte Polyolefine (PE-CX) Sulfochloriertes Polyethylen Phosphorylierung, Sulfophosphorylierung, Sulfierung, Oxidation Copolymere des Ethylens Ethylen/Vinylacetat-Copolymere (EVAC) Ethylen/Vinylalkohol-Copolymere (EVOH) Ethylen/Ethylacrylat-Copolymere (EEAK) Ethylen/Methylacrylat-Copolymere (EMA) Ethylen/Acrylsäure-Copolymere (EAA) Ethylen/Butylacrylat-Copolymere (EBA) Abbaubare Polyethylene und andere Kunststoffe Literatur Kapitel Polypropylen Synthese und Compoundierung Synthese Struktur und Morphologie Compound und Blend Eigenschaften Thermo-Mechanische Eigenschaften Reibeverhalten, Beständigkeit und Sperrfähigkeit Elektrische, optische, akustische Eigenschaften Verarbeitung und Anwendung Urformen Umformen Fügen Veredelung Gesundheit und Umwelt Handelsnamen Literatur Kapitel Polybuten-1 (PB) Polyisobutylen (PIB) Poly-4-methylpenten-1 (PMP) Andere aliphatische Polyolefine Ionomere Cycloolefincopolymere (COC)

11 Inhalt XI Verbundwerkstoffe auf Basis Kohlenstoff-Polyolefin 279 Literatur Kapitel Vinylpolymere Polyvinylchlorid (PVC) Synthese und Compoundierung Synthese (PVC) Struktur Rohstoffeigenschaften Additive und Zuschlagstoffe (PVC) Compound und Blend (PVC) Eigenschaften (PVC) Thermo-Mechanische Eigenschaften Beständigkeiten und Sperrfähigkeit (PVC) Elektrische und optische Eigenschaften (PVC) Sonstige Eigenschaften (PVC) Verarbeitung und Anwendung (PVC) Urformen (PVC) Pastenverarbeitung (PVC) Schäumen (PVC) Bearbeiten (PVC) Fügen (PVC) Veredelung (PVC) Anwendungsbeispiele (PVC) Sicherheit, Umwelt und Recycling (PVC) Sicherheit Recycling (PVC) Sortiment (PVC) Lieferformen (PVC) Typisierung (PVC) Handelsnamen Literatur Kapitel Polyvinylchlorid-Modifikationen Erhöhung der Schlagzähigkeit (PVC) Literatur Kapitel (PVC) Höhere Wärmeformbeständigkeit (PVC) Literatur Modifikation mit speziellen PVC-Typen PVC-Modifikationen mit VC-VAc-Copolymeren PVC-Modifikationen mit speziellen E-PVC-Typen Oberflächenmodifizierung mit hochmolekularem PVC PVC-Modifikation mit kautschukreichen PVC-Pfropfpolymeren Literatur Kapitel Barriereeigenschaftsänderungen mit Mehrschichtfolien Literatur

12 XII Inhalt PVC Naturfaser Verbunde Literatur Kapitel Styrolpolymere (PS) Styrol-Homopolymere (PS) Styrol-Copolymere Schlagzähmodifizierte Polystyrole Styrol/Butadien-Pfropfcopolymere (SB) Styrol/Butadien/Styrol-Blockcopolymere (SBS) Thermoplastische Styrol/Butadien-Elastomere (SBS-TE) Styrol/α-Methylstyrolcopolymere (S/MS) Styrol/Maleinsäureanhydrid (S/MSA) Styrol/Methylmethacrylat (S/MMA) Styrol/Acrylnitrilcopolymere (SAN) SAN-Modifikationen Acrylnitril/Polybutadien/Styrolpfropfpolymere (ABS) Pfropfcopolymere aus MMA, SB und ABS (MABS) Styrol - Polyblends Polymerblends aus (ABS + PC) Acrylnitril/Styrol/Acrylester-Pfropfcopolymere (ASA) Polymerblends aus ASA und Polycarbonat (ASA + PC) Literatur Kapitel Polyacrylate Polyacrylnitril (PAN) Synthese und Compoundierung Synthese Struktur und Morphologie Eigenschaften Acrylnitril-Copolymere mit geringer Gasdurchlässigkeit (Barriere-Kunststoffe) Styrol/Acrylnitrilcopolymer SAN Acrylnitril-Methyl-Acrylat-Copolymerisate Eigenschaften Verarbeitung Handelsnamen Polymethylmethacrylat (PMMA) Synthese und Compoundierung Eigenschaften Thermo-mechanische Eigenschaften Beständigkeit und Sperrfähigkeit Elektrische, optische, akustische Eigenschaften Verarbeitung und Anwendung PMMA/ABS Blends Polymethylmethacrylimid (PMMI) MBS-Polymerisat Polymethacrylimid (PMI) Synthese und Compoundierung Herstellung von ROHACELL

13 Inhalt XIII Eigenschaften Literatur Kapitel Polyacetal (POM) Synthese und Aufbereitung (Compoundierung) Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften: Kurzzeitverhalten bei geringer Verformungsgeschwindigkeit Thermische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Optische Eigenschafen Chemische und technologische Beständigkeit Chemikalienbeständigkeit Wasseraufnahme Spannungsrissverhalten Witterungsbeständigkeit Strahlenbeständigkeit Brennbarkeit Durchlässigkeit für Gase und Dämpfe Verhalten gegenüber Kraftstoffen Verarbeitung Urformen Veredelung der Oberfläche Heißprägen Metallisieren Bedrucken, Lackieren, Bemalen Spanende Bearbeitung Fügeverfahren Gesundheit und Recycling Gesundheitliche Beurteilung Sterilisieren Recycling Literatur Kapitel Weiterführende Literatur Kapitel Fluorkunststoffe Polytetrafluorethylen (PTFE) Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylencopolymer (FEP) Tetrafluorethylen/Ethylencopolymer (E/TFE) Polytrifluorchlorethylen (PCTFE) Polyvinylfluorid (PVF) Polyvinylidenfluorid (PVDF) Thermoplastische Fluorelastomere Literatur Kapitel Polykondensate Thermoplastische Polykondensate Polyamide (PA)

14 XIV Inhalt Allgemeine Stoffbeschreibung Nomenklatur Aliphatische Polyamide Struktur und allgemeine Eigenschaften Eigenschaften Verarbeitung Sicherheit, Umwelt und Recycling Partiell aromatische Polyamide Polyarylamide: Arylamid PA MXD Allgemeine Stoffbeschreibung, Synthese und Struktur Eigenschaften Verarbeitung Polyamid 6/6 T Allgemeine Stoffbeschreibung, Struktur und allgemeine Eigenschaften Eigenschaften Beständigkeit Elektrische Eigenschaften Verarbeitung Polyphthalamid PPA Allgemeine Stoffbeschreibung, Struktur und allgemeine Eigenschaften Thermo-Mechanische Eigenschaften Beständigkeit Verarbeitung Weitere partiell aromatische Polyamide Eigenschaften Modifizierte Polyamide Flexible Polyamide Verarbeitung Anwendungsbeispiele Copolyamide Verarbeitung Thermoplastische Polyamid-Elastomere PA 12-Elastomere Allgemeine Stoffbeschreibung, Synthese und Struktur Thermo-Mechanische Eigenschaften Verarbeitung PA 11-Elastomer Allgemeine Stoffbeschreibung, Synthese und Struktur Guss-Polyamide und Polyamid-RIM-Systeme Allgemeine Eigenschaften Allgemeine Stoffbeschreibung, Synthese und Struktur Verarbeitung Gusspolyamid Allgemeine Stoffbeschreibung Verarbeitung von ε-caprolactam zu PA 6-G

15 Inhalt XV Gusspolyamid 6/12 (Copolymerisation) Allgemeine Stoffbeschreibung Elastomermodifiziertes Gusspolyamid 6 (Nyrim TM ) Allgemeine Stoffbeschreibung Verarbeitung Anwendungsbeispiele Gusspolyamid Allgemeine Stoffbeschreibung Verarbeitung von Laurinlactam zu PA 12-G Polymermodifizierte Polyamide Allgemeine Stoffbeschreibung Verarbeitung Sortiment Literatur Kapitel bis Thermoplastische Polyester Polycarbonat (PC) Verarbeitung und Anwendung Entwicklungstrends bei aromatischen Polycarbonaten Optimierung/Erweiterung des PC-Sortiments PC-Produktion durch Schmelzeumesterung Polycarbonat für die laseroptische Datenspeicherung Polycarbonat für die Automobilverscheibung PC-Cokondensate Bisphenol A-Copolycarbonate Blockcopolykondensate Erhöht wärmeformbeständige Polyestercarbonate (PEC) Polycarbonatblends Polycarbonat-Styrolcopolymer-Blends (PC + ABS), (PC + ASA) und Analoge Polycarbonat-Polyester-Blends(PC + PBT) und (PC + PET) Literatur Kapitel Weiterführende Literatur Polyalkylenterephthalate Polyethylenterephthalat (PET) Synthese Eigenschaften Struktur und Morphologie Merkmale von teilkristallinem PET Thermische und Mechanische Eigenschaften Beständigkeiten Elektrische, optische und akustische Eigenschaften Verarbeitung und Compounding Additive und Zuschlagstoffe Verarbeitungsbedingte Polymer-Abbaumechanismen Verarbeitung und Anwendung Bestimmung der intrinsischen Viskosität