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1 comme de costumes digitale fabrikation ws09 institut für architektur und medien a s 0 1 r e s e a r c h k a t h a r i n a k a u f m a n n kunststoffe

2 Allgemein Als Kunststoff (organisches Polymer), mit dem Oberbegriff Plaste, bezeichnet man einen Festkörper, dessen Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch aus monomeren organischen Molekülen hergestellt wird. Ein herausragendes Merkmal von Kunststoffen ist, dass sich ihre technischen Eigenschaften, wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit, durch die Auswahl von Ausgangsmaterial, Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven in weiten Grenzen variieren lassen. Der Rohstoff synthetischer Kunststoffe ist meist gecracktes Naphtha (Rohbenzin). Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Modifikation natürlicher Polymere (z. B. Zellulose zu Zelluloid). Kunststoffe lassen sich in vier Hauptgruppen aufteilen: Thermoplaste Die meisten der heute verwendeten Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. (in der Bauindustrie: Dachbahnen, Fensterprofile und Rohre) Durch Energiezufuhr werden diese Materialien beliebig oft weich und formbar bis plastisch und schmelzen schließlich. Sie können durch verschiedene Ur- und Umformverfahren in die gewünschte Form gebracht werden. Nachdem das jeweilige Teil abgekühlt ist, behält es seine Form bei. Dieser Prozess ist somit reversibel (lat. umkehrbar). Duroplaste Duroplaste werden in einem Härtungsprozess aus einer Schmelze oder Lösung der Komponenten durch eine Vernetzungsreaktion hervorgehen. Diese irreversible Reaktion wird meist durch Erhitzen bewirkt, kann aber auch durch Oxidationsmittel, energiereiche Strahlung oder Einsatz von Katalysatoren initiiert bzw. beschleunigt werden. (Erwärmung führt nicht zu plastischer Verformbarkeit, sondern zu Zersetzung) Duroplaste sind meist hart und spröde und werden mechanisch bearbeitet. Einer der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. (Polyurethanharze für Lacke und Oberflächenbeschichtungen und praktisch alle Kunstharze wie beispielsweise Epoxide) Elastomere Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk. Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel. Sie 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, das seine Eigenschaften durch Vulkanisation erhält. Thermoplastische Elastomere Thermoplastische Elastomere (TPE oder auch Elastoplaste) sind Elastomere, die sich bei Raumtemperatur wie klassische Vertreter verhalten, jedoch beim Erhitzen verformbar werden. Die Eigenschaften der Elastoplaste liegen zwischen denen von Duroplasten und Thermoplasten. Ein großer Vorteil dieser elastischen Kunststoffe ist die Möglichkeit, diese Schweißen zu können um damit wasserfeste Verbindungen zu erzeugen. kunststoffe 1

3 Verfahren Additive Kunststoffen werden im Verlauf des Herstellungsprozesses sogenannte Additive zugesetzt (z.b. Farbpigmente oder Fasern). Sie dienen der genauen Einstellung der Materialeigenschaften auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung und der Verbesserung der chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Weichmacher Fast drei Fünftel der hergestellten Additive sind Weichmacher. Sie verringern Sprödigkeit, Härte und Glastemperatur eines Kunststoffes und machen ihn so besser form- bzw. verarbeitbar. Qualitativ kann man sie als molekulares Schmiermittel verstehen. Bis vor wenigen Jahren war Diethylhexylphthalat (DEHP) der am häufigsten verwendete Weichmacher. Dieser stellte sich jedoch als umwelt- und gesundheitsschädlich heraus, weshalb die europäische Industrie inzwischen weitgehend auf seinen Einsatz verzichten will. Extender verbessern ebenfalls die Verarbeitbarkeit, man spricht deshalb auch von sekundären Weichmachern. Wichtige Extender sind epoxidierte Öle, hochsiedende Mineralöle und Paraffine. Stabilisatoren Stabilisatoren dienen der Verbesserung der chemischen Eigenschaften. Sie erhöhen die Lebensdauer des Kunststoffes und schützen ihn vor schädigenden Einflüssen (Oxidation, Strahlung und Wärme bzw. Feuer) in seinem Einsatzgebiet. Farbmittel Die meisten Polymere sind in reiner Form farblos, farbig werden sie erst durch Zusatz von Farbmitteln. Man unterscheidet zwischen Farbstoffen (lösen sich auf molekularer Ebene im Polymer oder adsorbieren an der Oberfläche) und Pigmenten (unlösliche, meist anorganische Aggregate). Füllstoffe Füllstoffe sind klassische Streckmittel, die so die Herstellung des Kunststoffs verbilligen. Aktive Füllstoffe verbessern zusätzlich die mechanischen Eigenschaften des Materials. Wichtige Füllstoffe sind unter anderem: Kreide, Sand, Kieselgur, Glasfasern und -kugeln, Zinkoxid, Quarz, Holzmehl, Stärke, Graphit, Ruße und Talkum. Wichtig sind Füllstoffe auch um das Brandverhalten der Kunststoffe zu minimieren. Verstärkungsstoffe Unter Verstärkungsstoffe (reinforcement) versteht man in Kunststoffen eingesetzte anorganische oder organische Zusatzstoffe, die die Kunststoffmatrix verstärken. Unter Verstärkung ist die Verbesserung mechanischer und physikalischer Eigenschaften, wie E-Modul, Biegefestigkeit, Kriechmechanik und Wärmeformbeständigkeit zu verstehen. Verstärkungsstoffe werden gezielt zur Verbesserung dieser Werkstoffeigenschaften eingesetzt. kunststoffe 2

4 Verarbeitung Kunststoffverarbeitung Die Kunststoffverarbeitung bezeichnet die Fertigung von Formteilen, Halbzeugen, Fasern oder Folien aus Kunststoffen, die von der chemischen Industrie, meist als Granulat (Masterbatch), Pulver, Folien oder Platten, geliefert werden. Für die Kunststoffverarbeitung sind insbesondere Urform-, Umform- und Fügeverfahren bedeutsam. Urformverfahren Als Urformen bezeichnet man das Herstellen fester geometrischer Körper, wie Formteile (Rohre, Gehäuseteile für Fernseher, Becher und unzählige andere) aus formlosen Stoffen, wie Schmelzen oder Pulver. Diese Verfahren sind für Thermoplaste (früher daher Spritzmassen genannt) die wichtigste Art der Formgebung. Eine Nachbearbeitung kann in den meisten Fällen unterbleiben. Für Duroplaste (früher Pressmassen genannt) sind nur Urform- aber keine Umformverfahren einsetzbar. Für Kunststoffe sind unter den wichtigsten Urform-Verfahren zu nennen: Spritzgießen Beim Spritzgießen wird der Kunststoff bis auf Schmelztempratur erhitzt und und in einen Hohlraum gespritzt, in welchem er erst verdichtet wird und dann erkaltet. Das Formteil wird dann automatisch ausgeworfen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass auch kompliziertere Formteile voll automatisiert sehr schnell in hohen Stückzahlen produziert werden können. Ein Nachteil sind die hohen Stückkosten für die Formwerkzeuge. Extrusion Beim Extrudieren gelangt der Kunststoff durch einen Trichter in einen Zylinder, wird aufgeschmolzen, homogenisiert und verdichtet, um dann mittels einer Schnecke durch eine Düse gepresst zu werden. Diese Anlage wird Extruder genannt. Extruder werden zur Fertigung von Rohren, Textilfasern (Schmelzspinnen), etc. verwendet. Kalandrieren Beim Kalandrieren geschieht die Formgebung des Kunststoffs mittels einer Serie von Walzen. Es wird vor allem für die Herstellung von Folien, Platten, Bodenbelägen, etc. verwendet. Schweißen von Kunststoffen Schweißen setzt ein Vermögen zur Schmelzbildung voraus, daher kommen für dieses Verfahren nur Thermoplaste in Frage. Die Wärme zum Aufschmelzen des Materials kann mittels einer elektrischen Induktionsheizung (Heizelementschweißen), heißer Druckluft (Warmgasschweißen), Reibung der Moleküle gegeneinander (Hochfrequenzschweißen), Licht- oder Laserstrahlung (Strahlungsschweißen) oder Reibung (Reibungsschweißen) zugeführt werden. kunststoffe 3

5 Kleben von Kunststoffen Im Gegensatz zum Schweißen eignet sich das Kleben auch für Duroplaste und Elastomere. Die grundsätzliche Voraussetzung ist, dass die zu verklebenden Kunststoffe polare Eigenschaften haben. Man unterscheidet zwischen physikalischen Klebern, bei denen die molekulare Struktur des Klebstoffs schon vor dem Auftragen vorhanden ist und er durch Verdunsten eines Lösungsmittels aushärtet und chemischen Klebern, bei denen eine chemische Reaktion die Aushärtung verursacht. Rotationsformen Das Rotationsformen, auch Rotationsguss oder Rotationssinterverfahren genannt, ist ein spezielles Produktions-Verfahren, um große hohle nahtlose Kunststoff-Teile herzustellen. Bei der Herstellung lagert sich geschmolzenes Kunststoff-Granulat beim Abkühlen an den Innenflächen der rotierenden Form ab. Durch die Beschaffenheit des Rotationswerkzeugs lassen sich verschiedene Wandstärken auch innerhalb einer einzigen Form realisieren. Anwendungsgebiete sind unter anderem große Gehäuse und Transportbehälter, aber auch Armaturenbretter, Möbel und Spielzeug werden teilweise mit Rotationsgießen hergestellt. Schäumen Die Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen lassen sich in drei Kategorien einteilen: Chemisches Treibverfahren: Die das Material aufschäumenden Gase werden bei der Polymerisation frei (PU-Schäume) Physikalisches Treibverfahren: Der Reaktionsmischung werden niedrig siedende Flüssigkeiten zugesetzt, die im Verlauf der Polymerisation verdampfen und so die typischen Gasblasen bilden (z.b. Schaumpolystyrol) Mechanisches Treibverfahren: In eine Schmelze des Kunststoffs wird unter Rühren ein Gas eingeblasen. Blasformen Dieses Verfahren dient vor allem zur Herstellung von Flaschen, Fässern, Autotanks, etc. Umformverfahren Thermoplaste erweichen bei Erwärmung. Sie können dann bei geringen Umformkräften in eine neue Form gebracht werden. Nach der Abkühlung behalten sie diese bei. Ein Beispiel für die industrielle Nutzung dieses Effektes ist das Thermoformen. Fügeverfahren Als Fügen bezeichnet man in der Fertigungstechnik Verfahren, die zwei Bauteile dauerhaft miteinander verbinden. Für Kunststoffe kommt dabei vorwiegend das Schweißen und Kleben zum Einsatz. Aber auch Schrauben, Nieten und Clinchen kann mit Kunststoffen erfolgen. kunststoffe 4

6 Beispiele Plexiglasbrücke: Schlossgrabenbrücke Darmstadt Das neue Tragsystem der Fußgängerbrücke wurde in einer Forschungskooperation zwischen der TU Darmstadt und dem Hersteller von PLXIGLAS Evonik Industries entwickelt. Der reversible Verbundträger aus dem nachwachsendem Rohstoff Holz und dem komplett recyclebaren Werkstoff PMMA kann nach Ablauf der Nutzungsphase wieder in seine Einzelteile zerlegt und weiterverwendet werden. Die Brücke ist 26m lang und 4m breit und hat ein Gewicht von 28t. Flexiskin: Franz- Liszt- Konzerthaus Das neue Fassadensystem Flexiskin kam erstmals beim Franz- Liszt Konzerthaus zum Einsatz. Flexiskin verleiht durch die durchgehende, völlig glatte Außenhaut den Eindruck eines gegossenen Gebäudes. Die wasserabweisende Folie aus Polyurethan, die anstelle eines konventionellen Verputzes angebracht wird, passt sich somit jeder Form und allen Gegebenheiten an. Verblechungen, sowie Attika sind nicht mehr notwendig. Das System kann auf der Wand und dem Dach angewendet werden und ist völlig rissfrei. Ausgehend von einem Betonkörper wird auf den Oberflächen eine Grundierung auf Flüssigharzbasis mit Quarzsandeinstrahlung aufgetragen, die gleichzeitig als graduelle Dampfbremse fungiert. Auf diese Grundierung folgt der Aufbau der Wärmedämmung (EPS- F Dämmplatten mit armierter Deckschichte) Danach kann die flexible Folie in drei Arbeitsschritten angebracht werden: Grundieren, Folie aufsprühen und UV- Schutz auftragen. Der UV- Schutz verleiht der Aussenhaut letztendlich die Farbe. kunststoffe 5

7 Corian Corian, von DuPont entwickelt und hergestellt, ist ein massives, porenloses, homogenes Oberflächenmaterial, das unendlich viele Designmöglichkeiten mit extremer Langlebigkeit verbindet. Der acrylgebundene Mineralwerkstoff wird sowohl im Wohn- als auch im Objektbereich eingesetzt - vom Hotel bis zum Gesundheitswesen, vom Ladenbau bis zum Schiffsbau. Man kann es mit Holzbearbeitungswerkzeugen fräsen und schneiden, aber auch dreidimensional thermisch verformen oder Einlegearbeiten erstellen... Große Objekte ohne sichtbare Nähte lassen sich mit dem massiven Werkstoff Corian realisieren. Corian lässt sich gut mit anderen Materialien kombinieren, so z.b. mit Fliesen, Edelstahl, Holz, Granit und Glas. Corian eignet sich gleichermaßen für vertikale Anwendungen wie auch für horizontale Oberflächen. Oder für Möbel. Oder für Lichtinstallationen - denn die Liste der möglichen Anwendungen wächst täglich. Es besteht aus cirka einem Drittel Acrylharz (auch als Polymethylmethacrylat oder PMMA bekannt) und zwei Dritteln natürlichen Mineralien. Der Hauptbestandteil von Corian ist das Mineral Aluminiumhydroxid (ATH), das aus Bauxit (Aluminiumerz) gewonnen wird. Kontakt: Erstmals wurde die Corian Fassade am Seeko- Hotel angebracht: kunststoffe 6

8 VarioLine VarioLine Leichtbausysteme entstehen auf einzigartigen Hochdruck-Spritzgießlinien. Dabei steuert eine selbst entwickelte Software den optimalen Verlauf der Produktion: Alle variablen Prozessgrößen werden in geschlossenen Regelkreisen online überwacht, so dass die Einhaltung der gewünschten Werkstoffeigenschaften konstant gesichert ist. In Verbindung mit hohen Einspritzgeschwindigkeiten und extrem hohen Schussgewichten gelingt die Fertigung spannungsfreier Bauteile in Flächen bis 4,5 qm, bei einer Plattenstärkentoleranz von weniger als 0,4 mm. Innerhalb kurzer Zeit können Anlage und Prozess-Software auf neue Materialanforderungen eingestellt werden. Anders als konventionelle Verfahren bietet die VarioLine-Prozesstechnologie von Grund auf ein hohes Maß an Flexibilität. Das ermöglicht, bedeutende Produkteigenschaften bezüglich Gewicht, Belastbarkeit, Steifigkeit, Beständigkeit, Lichtechtheit, Farbe etc. zu optimieren. Von Anfang an wird VarioLine auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst. Anwendungsgebiete sind neben der Industrie, dem Bauwese, die Fahrzeugtechnik, der Bootsbau und auch die Landwirtschaft. Kontakt: kunststoffe 7