Kunststoffe (Technologie Werkstoffkunde)

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1 Grundlage: 1.0 Basiswissen Kunststoffe Kunststoffe (Technologie Werkstoffkunde) Definition: Stoffe, deren Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere sind, bezeichnet man als Kunststoffe Die Werkstoffeigenschaften wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, thermischeund chemische Beständigkeit lassen sich in weiten Grenzen durch die Auswahl des Ausgangsmaterials, das Herstellungsverfahren und die Beimischung von Additiven nahezu grenzenlos variieren. Diese entstandenen Kunststoffe unterscheidet man dann unter Thermoplasten und Duroplasten. Diese sind nach DIN EN ISO 1043 genormt. Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Verarbeitung natürlicher Polymere (z.b. Zellulose zu Zelluloid). Synthetische Kunststoffe werden durch Polymerisation aus einem Monomer erzeugt. 1.1 Charakterisierung durch Eigenschaften Thermoplaste Sind Kunststoffe, die aus langen, linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis plastisch und können mit verschiedenen Verfahren verarbeitet werden. Nachdem das jeweilige Werkstück wieder abgekühlt ist, behält es seine Form. Dieser Prozess ist reversibel (umkehrbar). Die meisten der heute verwendeten Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. Für einfache Konsumwaren, Verpackungen usw. werden häufig Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenenterephtalat (PET) und Polystyrol (PS) eingesetzt. Technische Teile werden meist aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copplymer (ABS), Polyacetal (POM), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethersulfon (PES), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI) gefertigt. In der Bauindustrie, insbesondere für Dachbahnen, Fensterprofile und Rohre wird vielfach der Werkstoff Polyvinylchrlord (PVC) verwendet, der aber in der Regel mit Zusatzstoffen in den Eigenschaften (hart oder weich) modifiziert wird. Um neue bisher noch nicht vorhandene Eigenschaften zu erzeugen, können auch zwei oder mehrere Thermoplaste vermischt werden. Dieser neue Kunststoff ist dann ein Polyblend.

2 1.1.2 Duroplaste Kunststoffe, die bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den Molekülen der Ausgangsmaterialien. Dieser Vorgang ist nicht umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist, kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meistens hart und spröde. Bei Hitzeeinwirkung werden Duroplaste nicht weich. Deshalb werden sie häufig für Elektroinstallationen verwendet. Einer der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. In diese Gruppe fallen auch praktisch alle Kunstharze wie beispielsweise Expoxide Elastomere Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk. Die Vernetzung erfolgt beispielsweise durch Vulkanisation mit Schwefel, mittels Peroxiden, Metalloxiden oder Bestrahlung. Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel. Elastomere werden beim Erwärmen nicht weich und sind in den meisten Lösemitteln nicht löslich. Daher werden sie für Hygieneartikel oder Chemikalienhandschuhe verwendet. Die Gummimischung von Autoreifen ist ebenfalls ein Elastomer, diese erhält ihre Eigenschaften durch Vulkanisation. Beispiele für Elastomere sind Naturkautschuk (NR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Chlororen-Kautschuk (CR), Butadien- Kautschuk (BR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). 1.2 Häufigste Verarbeitungsformen: Extrudieren (Spritzen durch eine Düse mit Vorheizen) Spritzgießen ( Spritzen in eine Form) Kalandrieren (beheizte Walzen zum Herstellen von z.b. Folien) Schäumen (Schaumstoff) 1.3 Wichtige Massenkunststoffe Etwa 90% der weltweiten Produktion entfallen in der Reihenfolge ihres Anteils auf die folgenden sechs Kunststoffe Name Kürzel Art 1. Polyethylen PE Polymer 2. Polypropylen PP Polymer 3. Polyvinylchlorid PVC Polymer 4. Polystyrol PS Polymer 5. Polyurethan PUR Polyaddukt 6. Polyethylenterephthalat PET Polykondensat

3 2.0 Polypropylen (PP) 2.1 Art Polypropylen(PP) gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Es wird durch Polymerisation des Monomers Propen mit Hilfe von Katalysatoren gewonnen. 2.2 Historie: 1951 stellten John Paul Hogan und Robert Banks zum vermutlich zum ersten Mal Polypropylen her. Die großtechnische Synthese begann 1957 durch die Arbeit von Giulio Natta. Im Jahr 2001 wurden 30 Millionen Tonnen Polypropylen hergestellt. 2.3 Eigenschaften: Im Gegensatz zu vielen anderen Kunststoffen gibt es bei PP viele Variationen von der Molekülstruktur, der mittleren Molmasse, der Molmasseverteilung, sowie weiterer Parameter. Somit können auch seine Eigenschaften beeinflusst werden, wodurch eine Vielzahl von PP- Sorten existieren Dichte: Verhältnismäßig geringe Dichte:zwischen 0,895 g/cm³ und 0,92 g/cm³ - somit ist PP der leichteste aller Kunststoffe. Härte, Steifigkeit, Festigkeit: Diese Eigenschaften sind bei PP niedriger, als bei anderen Kunststoffen, jedoch höher, als bei Polyethylen Gebrauchstemperaturen Obere Gebrauchstemperatur: C Kristallit- Schmelzbereich: C PP wir bei Kälte Spröde. Das liegt an der Glasübergangstemperatur von 0 C Diese mechanischen Eigenschaften können durch die Einlagerung mineralischer Füllstoffe, wie zum Beispiel Kreide oder Glasfasern deutlich erweitert werden Beständigkeit PP ist gegenüber Alkoholen, organischen Lösungsmitteln und Fetten,beständig. Unbeständig ist es hingegen gegenüber Benzin, Benzol und Kohlenwasserstoffen Löslichkeit: gute Löslichkeit in Xylol, Tetralin und Decalin sowie weiteren Lösungsmitteln. PP ist für Anwendungen im Lebensmittelbereich und der Pharmazie geeignet, da es haut-und gesundheitsfreundlich ist. Physiologisch ist es daher unbedenklich Härte, Steifigkeit, Festigkeit:

4 Diese Eigenschaften sind bei PP niedriger, als bei anderen Kunststoffen, jedoch höher, als bei Polyethylen. 2.4 Herstellung und Verarbeitung Die Herstellund erfolgt durch Polymerisation von Propen. Strukturformel von PP: Die Methyl-Seitengruppe kann isotaktisch, syndiotaktisch oder ataktisch eingebaut sein. Diese Anordnung hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften: Isotaktischer Aufbau Der isotaktische Aufbau, welcher z. B. mit Hilfe von Ziegler-Natta-Katalysatoren erzeugt werden kann, resultiert in einer kristallinen Struktur des PP. Dies lässt sich auf den, stets auf einer Seite der Molekülkette befindlichen Methylrest zurückführen, welcher das Makromolekül in eine HELIX-Form zwingt Ataktischer Aufbau Die ataktische Variante des PP ist hingegen nicht kristallin, sondern amorph. 2.5 Verarbeitung Die Verarbeitung von PP geschieht durch: -Warmumformungen -Spritzgießen -Extrudieren -Blasformen -Schweißen -Tiefziehen -spanende Verarbeitung -Partikelschaum. Außerdem wird es zu Fasern gezogen, woraus Vliese und Gewebe hergestellt werden.

5 2.6 Anwendungen: Wegen seiner variabelen und vielseitigen Eigenschaften wird PP in sehr vielen verschiedenen Gebieten verwendet: Maschinen und Fahzeigbau: Innenausstattung für PKW, Amaturenbretter und Batteriegehäuse, Fahrzeugverkleidungen, Crashelemente Haushalt: Flaschenverschlüsse, kochfeste Folien, wiederverwendbare Behälter, Haushaltsgeräte Elektrotechnik: Gehäuse, Kabelummantelungen, Isolierfolien Lebensmittelindustrie: Trinkhalme, Verpackungen, Einmalgeschirr

6 2.6.5 Bautechnik Rohrleitungen, Dämm- und Isolierstoffe, Armaruren Verpackungstechnik Thermotransportboxen Sicherheit Kindersitze, Fahrradhelme Kunststoffgeldscheine Australien Dollar, Neuseeland Dollar

7 2.6.9 Textilindustrie Vliese, Gewebe, Sporttextilien, Heimtextilien Anlagenbau Behälterbau, Rohre 2.7 Folgerung Isotaktische Polypropylene (PP) sind universelle Standardkunststoffe mit einem ausgeglichenen Eigenschaftsniveau. 2.8 Werkstoffeigenschaften Polypropylen bietet: einen niedrigen Preis eine gute Festigkeit, Steifigkeit, und Schlagzähigkeit, eine sehr gute Chemikalienfestigkeit eine spezielle Dauerbiegefestigkeit (10 Millionen Biegungen) eine gute Spannungsrissbeständigkeit N eine Streckspannung Rs von 37 2 mm

8 N ein E-Modul (Belastung: Zug) E von mm eine Reißdehnung A R von % 1 5 eine Längenausdehnungszahl α von K Ein Nachteil sind jedoch die sehr schlechten Kälteeigenschaften 3.1 Art 3.0 Polymethylmethacrylat Polymethylmethacrylat (PMMA), bekannter unter dem Handelsnamen Plexiglas oder auch als Acrylglas ist ein synthetischer, glasähnlicher thermoplastischer Kunststoff. 3.2 Historie: Polymethylmethacrylat wurde 1928 etwa gleichzeitig in Deutschland, Großbritannien und Spanien entwickelt und 1933 zur Marktreife gebracht. Es wird heute in großen Mengen hergestellt und findet vielseitige Verwendung als splitterfreier und leichter Ersatz für Glas (z. B. Schutzbrillen, etc.). Die ersten Kontaktlinsen aus Kunststoff wurden etwa 1939 aus PMMA hergestellt. Eines der ersten Alltagsprodukte aus PMMA waren Deckel von Plattenspielern (Braun "SK4" von 1956, der so genannte "Schneewittchensarg"). 3.3 Herstellung: 3D Strukturformel von Polymethylmethacrylat: Durch die Polymerisation der Grundstoffe: Aceton, Blausäure, Schwefelsäure und Methanol entsteht PMMA.

9 Diese Stoffe sind zwar giftig, das Produkt PMMA ist aber ungiftig, was es auch für die innere Medizin und andere sensible Bereiche interessant macht. Ein Ende der 1990er Jahre in Japan entwickeltes Verfahren arbeitet ohne Blausäure und Aceton. PMMA verbrennt knisternd, mit gelblicher Flamme, süßlichem Geruch, ohne zu tropfen und ohne Rückstände. 3.3 Eigenschaften Dichte: g ca. 50 Prozent geringere Dichte gegenüber Mineral-Glas (ca. 1,18 3 ) cm Mechanische Eigenschaften: -elastisch und schlagfest N -E-Modul (Zug-): mm N -Reißfestigkeit: 70 2 mm -gute spanabhebende Bearbeitung möglich -Hardness M97 (8N) -Wasseraufnahme [%- Gew.] =0,30 Euro -Material-Kosten =6,00 kg Verarbeitung: -ab 100 C leicht verformbar. Bei Abkühlung in Wasser bleibt diese Form erhalten -Verbindungen durch Kleben oder Schweißen möglich -lässt sich sehr gut mit CO 2 -Lasern schneiden oder gravieren -Wärmeformbeständigkeitsgrenze = 85 C 1 -Längenausdehnungskoeffizient = 7,0E-05 K Optische Eigenschaften: Brechungsindex nf (486nm) 1,497 nd (589nm) 1,491 nc (656nm) 1, weitere optische Parameter AbbescheZahl nd 1 in =57,2 AbbeValue nf nc Trübung % =1 blurring Doppelbrec hung( rel.) birefiring ence( relative) (bei 0 = min., 10 = max.) =2

10 Transmission (in %) Von nm (VIS) =92 (3 mm, farblos) -transmittiert Licht besser als normales Glas -lässt je nach Typ ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen durch aber hält Infrarotstrahlung zurück. Deshalb wird PMMA auch für Gewächshäuser und in der Röntgenstrahllitographie verwendet Beständigkeit uns Löslichkeit -witterungs- und alterungsbeständig -beständig gegen Säuren und Laugen mittlerer Konzentration. -beständig gegen Benzin und Öl -Alkohol und Benzol greifen PMMA an 3.4 Einsatzgebiete Kfz-Industrie: Rückleuchtenglas, Reflektor, Lichtleiter, Blinkerglas Elektroindustrie: Lichttechnik, Leuchtenabdeckung Optische Industrie: Schauglas, Linsen, Brillenglas, Prismenplatten, Lichtleiter Haushaltsartikel: Tastenkappe, Handydisplay, Gehäuse Bauwesen: Polymerbeton, Industriefussboden, Verglasungen, Sanitärbauteil (z.b. Badewanne), Möbel Orthopädie: Knochenzement (z.b. zur Verankerung von Hüftendoprothesen) Zahnmedizin: Total- und Teilprothesen Textilindustrie: Bestandteil von Polyacrylfasern,