Georg Abts. Kunststoff-Wissen für Einsteiger

Transkript

1 Georg Abts Kunststoff-Wissen für Einsteiger

2 Abts Kunststoff-Wissen für Einsteiger

3 Für Choung-Ja in liebevoller Erinnerung

4 Georg Abts Kunststoff-Wissen für Einsteiger

5 Der Autor: Dipl.-Ing. Georg Abts Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN: Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, 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. Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Verfahren und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Verfahren oder Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Carl Hanser Verlag, München 2010 Herstellung: Steffen Jörg Satz: abavo Gmbh, Buchloe Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer, Bad Langensalza Printed in Germany

6 Vorwort Synthetische Polymerwerkstoffe stellen im Vergleich zu Metallen und Keramik zwar eine relativ junge Werkstoffklasse dar, haben aber aufgrund ihrer maßgeschneiderten Eigenschaften einen Spitzenplatz unter den Werkstoffen erobert. Kunststoffe besetzen nicht nur die Lücke zwischen natürlichen Werkstoffen wie Holz oder Keramiken einerseits und hochfesten metallischen Werkstoffen andererseits. Sie haben sich in vielen Fällen auch als günstige Alternativen für diese Materialien durchgesetzt. Somit haben sie sich aus der ursprünglich zugedachten Rolle als Ersatzprodukte für edle Naturstoffe wie Elfenbein oder für knapper werdende Rohstoffe wie Naturkautschuk längst zu einer eigenständigen Werkstoffklasse weiterentwickelt, die für die heutige hoch industrialisierte Gesellschaft unverzichtbar geworden ist. Dieses Buch stellt die verschiedenen Arten synthetischer Werkstoffe vor und erläutert ihre Stellung neben den traditionellen Werkstoffen. Aufgrund ihrer wirtschaftlichen Bedeutung liegt der Schwerpunkt auf den Thermoplasten, jedoch werden auch Elastomere und Duroplaste beschrieben, um das Spektrum der synthetischen Werkstoffe vollständig aufzuzeigen. Nach einem historischen Rückblick auf die Entwicklung der Werkstoffe werden Kunststoffe von den traditionellen Werkstoffen auf metallischer und keramischer Basis abgegrenzt und ihre Vor- und Nachteile kurz erläutert. Weiterhin werden die verschiedenen Verfahren zur Herstellung synthetischer Polymerwerkstoffe vorgestellt. Die verschiedenen Arten von Kunststoffen werden entsprechend ihren Eigenschaften klassifiziert und typische Unterschiede erläutert. Die wichtigsten Thermoplaste werden jeweils einzeln mit einem kurzen Eigenschaftsprofil vorgestellt. Ein weiteres Kapitel befasst sich mit den am meisten verbreiteten Verarbeitungsverfahren. Außerdem werden einige Prüfverfahren für Thermoplaste vorgestellt, um einen Bezug zu den in Werkstoffbeschreibungen gegebenen Daten zu bieten. Im Anhang werden neben einer Einführung in chemische Grundlagen einige Werkstoffkenngrößen näher erläutert. Für tatkräftige Unterstützung bei der Erstellung dieses Manuskriptes bin ich folgenden Personen zu Dank verpflichtet: Ralf Hufen und Robert Steinbüchel, die mir mit vielen wertvollen Hinweisen zur Seite standen. Jürgen Weiner danke ich für seine Erläuterungen zum Thema Birkenpech. Ganz besonderer Dank gebührt Dr. Melanie Möthrath für vielfältige Unterstützung. Schließlich danke ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Hanser-Verlags, insbesondere Monika Stüve für ihre Geduld und ihre Unterstützung als Lektorin sowie Herrn Steffen Jörg für die Umsetzung und Produktion dieses Buches. Mai 2010, Georg Abts

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8 Inhaltsverzeichnis 1 Natürliche und synthetische Werkstoffe Definitionen Historische Entwicklung Abgrenzung der Kunststoffe von Metallen und keramischen Werkstoffen Aufbau Dichte Mechanische Eigenschaften Allgemeine Betrachtungen Metalle Keramische Werkstoffe Spezifisches Verhalten von Thermoplasten Spezifisches Verhalten von Elastomeren Spezifisches Verhalten von Duroplasten Betrachtung weiterer mechanischer Kennwerte Verhalten unter dynamischer Belastung Gebrauchstemperatur Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit Optische Eigenschaften Akustische Eigenschaften Verhalten gegenüber Chemikalien und Umwelteinflüssen Prinzipielle Unterschiede bei der Verarbeitung Zusammenfassender Vergleich Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe Polymere Werkstoffe Chemische Grundlagen Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation Arten polymerer Werkstoffe Klassifizierung Temperaturabhängige Charakteristik Thermoplaste Elastomere Thermoplastische Elastomere Duroplaste

9 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Thermoplaste Herstellung Einteilung Standardkunststoffe: Eigenschaften, Charakteristik, Anwendungen Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polyvinylchlorid (PVC) Polystyrol (PS) Technische Thermoplaste Styrol-Acrylnitril-Kunststoff (SAN) Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff (ABS) Acrylnitril-Styrol-Acrylat-Kunststoff (ASA) Polyamide (PA) Polymethylmethacrylat (PMMA) Polyethylenterephthalat (PET) Polybutylenterephthalat (PBT) Polycarbonat (PC) Polyoxymethylen (POM) Polyphenylenether (PPE) Polymerblends Thermoplastische Elastomere (TPE) Hochleistungsthermoplaste Fluorkunststoffe Polyarylsulfone (PSU), Polyethersulfone (PES), Polyphenylensulfone (PPSU) Polyphenylensulfid (PPS) Polyaryletherketone (PAEK) Polyimide (PI) Selbstverstärkende teilkristalline Polymere (LCP) Spezialkunststoffe Elektrisch leitfähige Polymere Biopolymere Kunststoffadditive Füllstoffe Faserwerkstoffe Weichmacher Flammschutzmittel Stabilisatoren

10 IX 4.6 Farbmittel Weitere Additive: Treibmittel, Gleitmittel, Antistatika, Schlagzähmacher Die Verarbeitung von Thermoplasten Aufbereiten Urformen Spritzgießen Extrusion Blasformen Kalandrieren Rotationsformen (Rotomolding) Wirbelsintern Schäumen Tempern Umformen Fügen Schweißen Kleben Nieten Schrauben Schnappverbindungen Veredelung Kennwerte von Thermoplasten Rheologische Eigenschaften Schmelzindex Schwindung Mechanische Eigenschaften Zugversuch Schlag- und Kerbschlagbiegeversuch Thermische Kennwerte Brandverhalten Elektrische Prüfungen Sonstige Kennwerte Härte Druckverformungsrest Dauerschwingversuch

11 X Inhaltsverzeichnis 7 Kunststoffe und Umwelt Anhang A Übersichtstabellen A1 Kurzzeichen für Kunststoffe A2 Mechanische und thermische Daten von Kunststoffen A3 Temperaturkennwerte von Kunststoffen A4 Eigenschaften transparenter Kunststoffe A5 Chemikalienbeständigkeit von Kunststoffen B Grundlegende Erläuterungen zu Kunststoffprüfungen C Einführung in die Chemie D Glossar E Literaturverzeichnis Sachregister