Martin Bonnet. Kunststoffe in der Ingenieuranwendung

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1 Martin Bonnet Kunststoffe in der Ingenieuranwendung

2 Martin Bonnet Kunststoffe in der Ingenieuranwendung verstehen und zuverlässig auswählen Mit 269 Abbildungen STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Thomas Zipsner Imke Zander Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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 Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: Krips b.v., Meppel Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Netherlands ISBN

4 V Vorwort Bei den Werkstoffen sind es vor allem die Kunststoffe, die im vergangenen Jahrhundert die Welt verändert haben. Kunststoffe haben in vielen Bereichen nicht nur altbekannte Werkstoffe ersetzt, sondern auch zu völlig neuen Produkten geführt und Ingenieuren neue Perspektiven zur Umsetzung ihrer Ideen eröffnet. Leider werden in Werkstoffkundebüchern die Kunststoffe nach wie vor stiefmütterlich behandelt. Für diejenigen, die mehr über Kunststoffe erfahren und lernen wollten, ergab sich daher bisher das Problem ein Buch zu finden, das auf verständliche Weise einen Überblick über die Eigenschaften der Kunststoffe, deren Optimierung durch den Einsatz von Additiven, deren Verarbeitung und schließlich Informationen zur richtigen Auswahl für den konkreten Anwendungsfall geboten hätte. Genau diese Lücke will das vorliegende Buch schließen und wendet sich damit in erster Linie an Studierende der Ingenieurwissenschaften und Anwender aus der Praxis. Da der Stoff auf einer Vorlesung basiert, die vom Verfasser an der Fachhochschule Köln am Institut für Werkstoffanwendung gehalten wird, ist er auf Fachhochschulstudenten angepasst, sollte aber auch den praktisch orientierten Universitätsstudenten wie auch den engagierten Techniker ansprechen. Das Buch legt eine Grundlage zum Verständnis der Kunststoffe und bietet eine verlässliche Hilfestellung bei der richtigen Auswahl der Kunststoffe für die verschiedensten ingenieurmäßigen Fragestellungen. Hierzu werden in den ersten beiden Kapiteln zunächst die Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen und polymeren Verbundwerkstoffen aufgezeigt. Kapitel 3 erläutert die vielfältigen Möglichkeiten einer anwendungsspezifischen Optimierung von Kunststoffen durch geeignete Additive. Im Folgenden wird dann auf die verschiedenen Möglichkeiten zur Verarbeitung und Weiterverarbeitung wie Schweißen und Kleben von Kunststoffen eingegangen. Kapitel 5 bietet schließlich praktische Hilfestellungen zur richtigen Werkstoffauswahl. Das bis dahin angelesene Wissen soll schließlich an Fallbeispielen aus der Praxis der Fahrzeugtechnik, der Landmaschinentechnik, der Konstruktionstechnik, der Produktionstechnik, der Verfahrenstechnik, der Versorgungstechnik und auch des Rettungsingenieurwesens angewendet werden. Hierbei wird jeweils der Hintergrund beleuchtet und die Problemstellung geschildert. Mit diesen Informationen sollte der Leser sich zunächst selbst fragen, welcher Kunststoff dem Anforderungsprofil entsprechen würde und wie dieser ggf. noch optimiert werden kann. Es wird aber auch gezeigt, wie das Problem konkret in der Praxis erfolgreich gelöst wurde. An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Firmen bedanken, die mich mit Fallbeispielen oder auch mit hilfreichen Grafiken und Fotos unterstützt haben. Darüber hinaus danke ich aber auch den beiden Studentinnen Sandra Bosse und Johanna Klos für ihre konstruktiven Anmerkungen aus Studentensicht. Meiner Frau Heike danke ich für das entgegengebrachte Verständnis und die liebevolle Unterstützung. Meinen Kindern danke ich für den rechten Ausgleich. Erinnern möchte ich an meinen zu früh verstorbenen Doktorvater Prof. Jürgen Petermann, dessen Skript an etlichen Stellen Ausgangspunkt war. Schließlich danke ich dem Vieweg+Teubner Verlag, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner, für die angenehme Zusammenarbeit. Köln, im Oktober 2008 Martin Bonnet

5 VII Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Eigenschaften von Kunststoffen Die Einzelkette Der chemische Aufbau der Kette Der räumliche Aufbau der Kette Statistik der Einzelkette Molekulargewichtsverteilung Bindungskräfte / Bindungstypen Der amorphe Zustand Charakterisierung der mechanischen Zustände (Glas-Gummi-viskoelastisch) Glasverhalten Gummiverhalten Viskoses Verhalten Flüssigkristalline Polymere Der kristalline Zustand Grundlagen Kristallisation der relaxierten Schmelze Kristallisation gedehnter Schmelzen Kristallisation im longitudinalen Fließgradienten Mechanisches Verhalten teilkristalliner polymerer Werkstoffe Thermisches Verhalten Klassifikation Thermoplaste Elastomere Duromere Thermoplastische Elastomere (Elastoplaste) Vergleich der Kunststoffklassen Struktur und Eigenschaften Elastizität / Plastizität teilkristalliner Kunststoffe Elastizität / Plastizität amorpher Kunststoffe Dynamische Belastungen Thermische Charakterisierung Elektrische Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften Piezo-, Pyro- und Ferroleketrizität Elektrische Leitfähigkeit Polymere Verbundwerkstoffe Motivation Verstärkungsadditive Fasern Plattenförmige Verstärker... 83

6 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Polymere Matrix Grenzfläche Verstärkungsadditiv/Matrix Vor- und Nachteile von Faserverbundwerkstoffen Vorteile von Faserverbundwerkstoffen und mögliche Anwendungen Nachteile von Faserverbundwerkstoffen Gefüge der Faserverbundwerkstoffe Vliese Gewebe Gelege Geflechte Gestricke und Gewirke Mechanische Eigenschaften von Faserverbunden Der Elastizitätsmodul unidirektionaler Faserverbunde Die Poissonzahl unidirektionaler Faserverbunde Der Schubmodul unidirektionaler Faserverbunde Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient unidirektionaler Faserverbunde Die Bruchspannung unidirektionaler Faserverbunde Mechanische Eigenschaften unter einem beliebigen Belastungswinkel Druckfestigkeit in Faserrichtung Diskontinuierliche Faserverstärkung Laminate Schädigungen Additive Antioxidantien H-Donatoren Hydroperoxidzersetzer Radikalfänger Austestung von Antioxidantien UV-Stabilisatoren UV-Absorber Sterisch gehinderte Amine UV-Quencher Austestung von UV-Stabilisatoren Verarbeitungsverhalten von UV-Stabilisatoren PVC-Stabilisatoren Blei-Stabilisatoren Organozinn-Stabilisatoren Mischmetall-Stabilisatoren Aktuelle Entwicklungen Austestung von PVC-Stabilisatoren Gleitmittel Innere Gleitmittel Äußere Gleitmittel Austestung von Gleitmitteln Prozesshilfsmittel

7 Inhaltsverzeichnis IX Vermeidung von Schmelzebruch Vermeidung von Materialaufbau an der Düse Vermeidung von Gelbildung Beschleunigter Farbwechsel Austestung von Prozesshilfsmitteln Antistatika Nicht leitfähige Antistatika Leitfähige Antistatika Austestung von Antistatika Biozide Mikroorganismen Biozide Wirkstoffe Austestung von Bioziden Flammschutzmittel Halogenhaltige Flammschutzmittel Metallhydroxide Phosphorhaltige Flammschutzmittel Intumeszenz-Flammschutzmittelsysteme Brandprüfungen Weichmacher Primärweichmacher Sekundärweichmacher Extender Auswahlkriterien für Weichmacher Austestung von Weichmachern Farbmittel Pigmente Farbstoffe Effektpigmente Optische Aufheller Austestung von Pigmenten Verarbeitungsmethoden Pressformen Spritzgießen Formmassen Spritzgießmaschinen Spritzgießwerkzeuge Spezielle Spritzgießverfahren Fehlerbehebung Anwendungsbereiche Extrudieren Einschneckenextruder Doppelschneckenextruder Ko-Kneter Anwendungen Kalandrieren

8 X Inhaltsverzeichnis 4.5 Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe Begriffe in der Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe Handlaminierung Faserspritzen Schleuderverfahren Wickelverfahren Autoklavenverfahren Pressen Pultrusion Harzinjektionsverfahren Vakuum-Tiefziehen Biegeumformen Schweißen Heizelementschweißen Warmgasschweißen Lichtstrahl-Extrusionsschweißen Ultraschallschweißen Reibschweißen Hochfrequenzschweißen Kleben Einteilung der Klebstoffe Kleben von Kunststoffen Werkstoffauswahl Kunststoffe Werkstoffdatenbanken für Kunststoffe CAMPUS -Datenbank POLYMAT KERN RIWETA Material Selector Beständigkeiten Medienbeständigkeit Wärmebeständigkeit UV-Beständigkeit Fallbeispiele Fahrzeugtechnik Radkappen am Fahrwerk der Boeing Hochbelastete Drehmomentstütze für den Automobilbau Drucksensoren für Kraftstofftanks Lenkgestänge des Weltrekordfahrzeugs HYSUN Landmaschinentechnik Drucksensoren für Kraftstofftanks Konstruktionstechnik Rillenkugellager Produktionstechnik Kreuzgelenk für eine Parallelkinematik Verfahrenstechnik

9 Inhaltsverzeichnis XI Produkte für explosionsgefährdete Bereiche Axiallager für Saugpumpen von Nasswickelheizgeräten Versorgungstechnik Schutz von Trinkwasser Ortung und Nachweis der Nichtbeschädigung eines verlegten Rohrstranges Rettungswesen Küstenschutz Quellennachweis Sachwortverzeichnis