Werkstoffkunde Kunststoffe

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1 G. Menges / E. Haberstroh / W. Michaeli / E. Schmachtenberg Werkstoffkunde Kunststoffe 5., völlig überarbeitete Auflage KANSER larl Hanser Verlag München Wien

2 Inhalt 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe Historie Anwendung der Kunststoffe Strukturpolymere Kunststoffe mit besonderen Eigenschaften (Funktionspolymere) 9 2 Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen Kunststoffe sind leicht Kunststoffe sind flexibel Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-)Temperatur und ihre Schmelzen sind oft zähflüssig Kunststoffe haben niedrige Leitfähigkeiten Kunststoffe sind teilweise transparent Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit Kunststoffe sind durchlässig (Permeation, Diffusion) Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder verwenden bzw. verwerten (Recycling) Bezeichnung der Kunststoffe Funktionspolymere Allgemeines Schaltbare Polymere Elektrorheologische Flüssigkeiten Funktionspolymere in der Informationstechnologie Polymere Datenspeicher Polymere Displays 25 3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe Bildung von Makromolekülen Einführende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften Lineare Makromoleküle Vernetzte Makromoleküle Die Bildung und Herstellung von Polymeren Thermoplaste Ungesättigte Bindungen, Polymerisation Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation Elastomere und Duroplaste Vernetzung über ungesättigte Bindungen Vernetzung über reaktive Gruppen Vernetzung über Strahlung oder Peroxide Leiterpolymere Copolymerisate und Pfropfpolymerisate Polymer-Blends Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren 41

3 Inhaltsverzeichnis Bindungskräfte und Aufbau von Polymerwerkstoffen Hauptvalenzbindungen Kovalente Atombindung Ionenbindung Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzkräfte/Sekundärbindungen) Dispersionskräfte Dipolkräfte Vergleich der verschiedenen Nebenvalenzkräfte Struktur und Eigenschaften Primärstruktur und Eigenschaften Molekülordnung Sterische Ordnung Taktizität Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette Verzweigungen Molekulargewicht Molekulargewichtsbestimmung Bestimmung der Molekülmasseverteilung Sekundärstruktur und Eigenschaften Supermolekulare Strukturen Vernetzungen Kristallisation Einlagerung von Fremdmolekülen Copolymerisation (Einbau in die Kette) Amorphe Copolymere Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP Besondere Copolymere Polysalze (lntrinsisch leitfähige Polymere, ICP lntrinsic Conductive Polymers) Polymergemische (Polymerblends) 75 t Homogene Gemische aus verträglichen Polymeren Mischungen aus begrenzt verträglichen Polymeren Mehrphasengemische Nanocomposites Aufbau von Nanocomposites Eigenschaften von Nanocomposites Anwendungen von Nanocomposites 85 Verhalten in der Schmelze Scherrheologische Eigenschaften Stationäres viskoses Fließen Die stationäre Scherviskosität Schergeschwindigkeitsabhängigkeit der Viskosität Temperatur-und Druckabhängigkeit Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt Druckströmungen in einfachen Fließkanälen Erwärmung infolge des Scherfließens Praktisches Verhalten ausgewählter Polymerschmelzen 102

4 Inhaltsverzeichnis IX Viskoelastische Eigenschaften Mechanische Ersatzmodelle Die Deborah-Zahl Bedeutung für die Verarbeitung Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschaften Vernetzende Systeme Chemischer Abbau Messtechnik Das Schmelzeindexmessgerät Kapillarrheometer Rotationsrheometer Dehnrheologische Eigenschaften Uniaxiale Dehnung Messtechnik Biaxiale Dehnung Messtechnik Molekülorientierungen und Relaxation Die Relaxation als thermodynamische Reaktion Orientierung Halbwertzeiten der Relaxation Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur Struktur und innere Eigenschaften Thermodynamischer Zustand Morphologische Struktur Kristallisation Grundlagen der Kristallentstehung Kristallstrukturen Energetische Bedingung der Keimbildung Thermische und athermische Keimbildung Homogene und heterogene Keimbildung Primär-, Sekundär- und Tertiärkeimbildung Keimbildung durch Nukleierung Kristallit und Sphärolithbildung Berechnung des Kristallisationsgrads Gefugebeobachtungen Verbindungen an Struktur- und Phasengrenzen im Innern von Polymeren Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe Theorie der Viskoelastizität Lineare Viskoelastizität Grenzen der linearen Viskoelastizität Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität Arbeitsweise des Deformationsmodells Bestimmung der mechanischen Eigenschaften viskoelastischer Kunststoffe Die dynamisch-mechanische Analyse Der Zugversuch Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch) Der dehnungsgeregelte Zugversuch Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen.. 178

5 X Inhaltsverzeichnis Amorphe Thermoplaste Teilkristalline Thermoplaste Verstreckte Thermoplaste Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere) Nebenvalenzgele Gefüllte und verstärkte Kunststoffe Rohstoffe und Herstellung Die mechanischen Eigenschaften von gefüllten Kunststoffen Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustände bei Hochpolymeren Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststoffteilen (Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren) Allgemeines Das Verhalten von (unverstärkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe unterhalb der kritischen Dehnung Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung bei homogenen und gefüllten Kunststoffen Abschätzende Festigkeitsberechnung (Menges) Kennwerte Sicherheiten Festigkeitsrechnung Festigkeitsrechnung nach der für Metalle üblichen Weise Kennwerte Sicherheiten Festigkeitsberechnung Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten 212 I Kennwerte Sicherheiten Festigkeitsrechnung Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder ähnlichen Methoden Kennwerte Sicherheiten Rechnung Tragfähigkeitsberechnung unter dynamischer Belastung Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte Festigkeitsrechnung gegen Stoß Kennwerte Sicherheitskoeffizienten Festigkeitsrechnung Praktische Stoßprüfung Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stäbe) Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen 225

6 Inhaltsverzeichnis XI Faserarten Aufmachung von Verstärkungsfasern Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix Mechanismus der Tragfähigkeit von kurzfaserverstärkten Kunststoffen Reibung und Verschleiß Reibung Verschleiß Thermische Eigenschaften Thermische Stoffwerte Enthalpie Spezifische Wärme Dichte Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit in amorphen Thermoplasten Wärmeleitfähigkeit in teilkristallinen Thermoplasten Temperaturleitfähigkeit Wärmeeindringzahl Wärmeausdehnung Glastemperatur (Einfriertemperatur) Messung kalorischer Daten Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Thermische Zersetzung von Kunststoffen Wärmeformbeständigkeit Die Vicat-Temperatur (DIN 53460) Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D ) Thermoanalyse Die Differential-Thermoanalyse (DTA) Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) Thermomechanische Analyse (TMA) Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) '" Thermogravimetrie (TGA) Elektrische Eigenschaften Kunststoffe in elektrischen Feldern Kunststoffe in statischen Feldern Die dielektrische Polarisation Verschiebungspolarisation Orientierungspolarisation Kunststoffe im elektrischen Wechselfeld - Dielektrische Verluste Elektrisch-mechanische Analogie Elektrische Leitungsvorgänge in Kunststoffen Elektrische Leitfähigkeit Elektrische Kennwerte Oberflächenwiderstand Kriechstromfestigkeit Durchschlagsfestigkeit Die elektrostatische Aufladung 283

7 Xu Inhaltsverzeichnis 9.3 Kunststoffe mit speziellen elektrischen Eigenschaften Elektrisch leitfähige Compounds Intrinsisch leitfähige Polymere Elektrete Magnetische Eigenschaften Magnetisierbarkeit Magnetische Resonanz Optische Eigenschaften Die Grundgesetzmäßigkeiten Der Realteil der Brechung Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichtes) Der imaginäre Teil der Brechzahl Absorption und Streuung Absorption, Reflexion und Transmission Die Totalreflexion Glanz, Farbe und Trübung Einfärben von Kunststoffen Farbmessung Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie Infrarotspektroskopie Aufheizung Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen Doppelbrechung Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen Akustische Eigenschaften Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen Dämmung und Dämpfung Körperschall Was ist Schall? Möglichkeiten der Lärmreduzierung Einfluss der Nebenvalenzkräfte auf das Lösungsverhalten Lösungen und Mischungen Polymerlösungen Anwendung Herstellen von Gießfolien Weichmachen Polymergemische 329

8 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Oberflächenspannung Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit Grundlagen Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern Methode nach Zisman Methode nach Fowkes Messung der Oberflächenspannung von Festkörpern mittels Kontaktwinkelbestimmung Die Methode des liegenden Tropfens Die Wilhelmy-Methode Die Steighöhenmethode Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Schmelzen Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop-Methode) Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume-Methode) Ringmethode nach du Noüy Spinnig Drop-Methode Stofftransportvorgänge Einführung Diffusion Permeation Grundlagen Physikalische Beschreibung Adsorption Absorption Desorption 349 [ Diffusion Permeation Temperaturabhängigkeit des Stofftransports Permeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere Elastomere Duroplaste Thermoplaste Kristallinität Orientierung der Polymerketten Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten Löslichkeitskoeffizient Diffusionskoeffizient Messung von Permeationsgrößen Sorptionsmessverfahren Trägergasverfahren Time lag-methode 364

9 XTV Inhaltsverzeichnis 14.7 Permeation von Dämpfen durch Kunststoffe Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe Maßnahmen zur Permeationsminderung Mehrschichtige Verbundsysteme Kunststoff-Folien Kunststoff-Rohre Kunststoff-Hohlkörper Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien Der chemische Abbau von Polymeren Abbaumechanismen Einwirkung thermischer Energie Allgemeines Depolymerisation Abbau durch Einwirkung von Wärme und Scherung Einwirkung von Chemikalien Allgemeines Hydrolyse Oxidation Degradation von PVC Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung Lichteinwirkung Andere Strahlungsformen Änderung von Struktur und Eigenschaften Witterungseinflüsse Biologische Einwirkung Stabilisierung Pyrolyse und Brand Pyrolyse Brandverhalten Physikalisch-chemische Grundlagen und Prüfungen Verbesserung des Brandverhaltens Recycling von Kunststoffen Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen) Allgemeine Literatur 403 Sachverzeichnis 406