Werkstoffkunde Kunststoffe

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1 Georg Menges Werkstoffkunde Kunststoffe 3., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage mit 283 Abbildungen und 31 Tabellen Fachbereich M^erialwissenschaft der Techn. \-ocibc'"iiiö Darmstadt Inv.-Nr.: Carl Hanser Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe 1 2 Kunststoffe - Eigenschaften kurz gefaßt Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen Bezeichnung der Kunststoffe 13 3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe Bildung von Makromolekülen Einführende Darstellung von Aufbau und Eigenschaften Bildung von Polymeren Thermoplaste Elastomere und Duroplaste Copolymerisate und Pfropfpolymerisate Ablauf der Bildungsreaktion 24 4 Bindungskräfte und Aufbau von Polymerwerkstoffen Hauptvalenzbindungen Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzkräfte) Dispersionskräfte Dipolkräfte Wasserstoffbrücken Ionenbindung Kräfte der Nebenvalenzbindungen Das Polymermolekül Molekülordnung Sterische Ordnung Taktizität Stellung der Doppelbindung in der Kette Verzweigungen (Molekülgestalt) Helixkonformation Einfluß der Molekülgestalt Kristallisation Molekülgröße Messung der Molekülmasse Messung des Vernetzungsgrades Einlagerung von Fremdatomen Copolymerisation (Einbau in die Kette) Polymergemische Besondere Copolymere Moleküle mit steifen Kettensegmenten (LC-Polymere) Polysalze (Intrinsisch leitfähige Polymere) 57

3 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Verhalten in der Schmelze Fließeigenschaften Das Verhalten von Kunststoffschmelzen beim Scherfließen (phänomenologische Beschreibung) 58 5J.1.1 Der Schmelzindex Das Scherfließverhalten in stationärer Strömung als Funktion der Schergeschwindigkeit Erklärung des Fließverhaltens mit der Theorie des freien Volumens und praktische Nutzanwendung Die repräsentative Schergeschwindigkeit Gefüllte Schmelzen Erwärmung infolge des Scherfließens Scherfließen - Anlaufen einer Strömung (instationäres Fließen) Vergleich des praktischen Verhaltens einiger Polymerschmelzen beim stationären Scherfließen Das Streckfließen (Dehnviskosität) Stationäres Dehnen Anlaufen einer Dehnströmung (instationäres Dehnen) Elastisches Verhalten von Schmelzen Erklärung des Deformationsverhaltens anhand mechanischer Modelle Die Relaxation als thermodynamische Reaktion Orientierung Halbwertzeiten der Relaxation Strangaufweitung Schmelzbruch Verhalten von Schmelzen unter langzeitiger Einwirkung von Wärme und Scherung 91 6 Abkühlen aus der Schmelze und fester Zustand Abkühlen der Schmelzen von Thermoplasten Thermodynamischer Zustand Morphologische Struktur Kristallisation Kristallbildung, energetische Bedingung Thermische und athermische Keimbildung Homogene und heterogene Keimbildung Primär-, Sekundär- und Tertiärkeimbildung Keimbildung durch Nukleierung Kristallit-und Sphärolithbildung Berechnung der Kristallisationsgeschwindigkeit Andere Kristallitformen Gefügebeobachtung Verbindung an Struktur- und Phasengrenzen im Innern von Polymeren Elastisches Verhalten fester Kunststoffe Theorie des elastischen Verhaltens Viskoelastisches Verhalten ,2 Linear-viskoelastisches Verhalten Bestimmung des Elastizitätsmoduls viskoelastischer Kunststoffe Der Torsionsschwingversuch Der Zeitstandzugversuch Der Kurzzeitzugversuch und die Erstellung von Kennfunktionen.. 122

4 Inhaltsverzeichnis. IX Numerische Approximation der Kennfunktionen Bestimmung der Kennfunktionen für geänderte Erweichungstemperatur des Werkstoffs Umrechnung von in Datenbanken vorhandenen Stoffdaten in die Kennwerte des Deformationsmodells Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen 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 Dehndeformation Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im linear-viskoelastischen Bereich Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der Linearitätsgrenze bis zum Bruch Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung bei homogenen und gefüllten Kunststoffen Abschätzende Festigkeitsberechnung Kennwerte Sicherheiten Festigkeitsrechnung Festigkeitsrechnung nach der für Metalle üblichen Weise Kennwerte Sicherheiten Festigkeitsberechnung Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten 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 172

5 Inhaltsverzeichnis Kennwerte.. 172! Sicherheitskoeffizienten Festigkeitsrechnung 173 ; 7.5 Die Tragfähigkeit von langfaserverstärkten Kunststoffen Faserarten, Herstellung 174 : Der Mechanismus der Tragfähigkeit Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stäbe) 182! 7.7 Reibung und Verschleiß Reibung 185 i Verschleiß 190! 8 Thermische Eigenschaften Stoffwerte Wärmeleitfähigkeit Wärmeübergang Die spezifische Wärme Dichte Wärmeausdehnung Temperaturleitzahl und Wärmeeindringzahl 194 j Glastemperatur (Einfriertemperatur) Die Messung kalorischer Daten Thermische Zersetzung von Kunststoffen Wärmeformbeständigkeit Die Vicat-Temperatur (DIN 53460) 200 : Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D ) ' Thermoanalyse Die Differential-Thermoanalyse (DTA) Differential-Scanning-Calorimetrie (DSC) Thermomechanische Analyse (TMA) Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Thermogravimetrie (TGA) 206 ; 9 Elektrische Eigenschaften 207 : 9.1 Dielektrisches Verhalten 207 i Dielektrizitätszahl 207 ; Mechanismen der dielektrischen Polarisation 209! Dielektrische Verlustzahl Praktischer Einsatz 214 \ 9.2 Elektrisch-mechanische Analogie Elektrische Leitfähigkeit Elektrischer Widerstand Physikalische Ursachen der Volumenleitfähigkeit Anwendungsprobleme 219 ; Elektrischer Durchschlag Die elektrostatische Aufladung 222 '; Elektrete 223 \ Abschirmung gegen Störfelder : 223 I

6 Inhaltsverzeichnis XI 9.5 Magnetische Eigenschaften Magnetisierbarkeit Magnetische Resonanz Optische Eigenschaften Allgemeines Wellenlängenabhängigkeit der Brechungszahl (Dispersion des Lichtes) Absorption, Reflexion und Transmission Strahlungsgesetze Infrarotspektroskopie Doppelbrechung Glanz und Trübung Farbmessung Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen Aufheizung mit Infrarotstrahlung und berührungslose Temperaturmessung mit Hilfe der Eigenstrahlung von Kunststoffoberflächen Aufheizung Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen Akustische Eigenschaften Grundlagen Schalldämmung und Schalldämpfung Schalldämmung (Schallreflexion) Schalldämpfung (Schallabsorption) Lösungen und Mischungen Polymerlösungen Polymergemische Oberflächenspannung (Oberflächenenergie) Messung Stofftransportvorgänge (Sorption, Diffusion, Desorption und Permeation) Einführung Löslichkeit von Gasen und Dämpfen in Polymerwerkstoffen Diffusion von Gasen in Polymerwerkstoffen Permeation von Dämpfen durch Kunststoffe Diffusion von Flüssigkeiten durch Kunststoffe am Beispiel von Wasser Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung von spannungsrißerzeugenden Umgebungsmedien Diffusion von Polymermolekülen und Selbstdiffusion 278

7 XII Inhaltsverzeichnis 14 Der chemische Abbau von Polymeren Thermodynamik von Abbaureaktionen Abbaumechanismen Einwirkungen von Chemikalien Allgemeines Beständigkeit gegen Chemikalieneinwirkung Zersetzungsmechanismen bei PVC Stabilisierung Wirkung elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung Lichteinwirkung Andere Strahlungsformen Änderung der Struktur und der Eigenschaften Witterungseinflüsse Biologische Einwirkung Thermischer Abbau und Brand Brennbarkeit Verbesserung des Brandverhaltens Recycling Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen) Weiterführende Literatur Leichtverständliche Einführung in die Kunststofftechnik Sammelwerke, Lehr- und Fachbücher Kunststofftechnische Wörterbücher und Lexika Normen, Richtlinien, Merkblätter Dissertationen der RWTH Aachen mit kunststoff-werkstoffkundlichem Bezug 301 Sachverzeichnis 305 Anlage: Vom Schmelzindex zur Viskositätsfunktion