Willkommen zur Vorlesung. Kunststoffe

Transkript

1 Willkommen zur Vorlesung Kunststoffe Dipl. Ing. Alexander Bockenheimer Abteilung Kunststoffe

2 Abteilung Kunststoffe Universalprüfmaschinen Schlag-, Biege-, Zug- und Druckversuche im Temperaturbereich von - 50 C bis C Feindehnungsmessung, Laserextensometrie Spannungsanalyse Präzisions-Kraftmessung Shore-A und -D-Härte, Kugeleindruckhärte, IRHD Biegeversuch Kraftmessplattform Kriechmodulprüfeinrichtungen Universal- prüfmaschine mit Servohydraulische Prüfmaschinen Temperierkammer Wölbbogendehnungsprüfeinrichtung Schub- versuch Abteilung Kunststoffe Rohrprüfanlage (Zeitstand- Innendruckversuche) Berstdruckeinrichtung bis 500 bar Druckstoßprüfanlage Statische und zyklische Beanspruchung von Rohrverbindern Sauerstoffdiffusions-Prüfstand Schaumstrukturprüfgerät Kugelfallprüfgerät Durchfluß-Versuchsanlage Temperatur-Wechselprüfung Durchstoßprüfanlage Reifenprüfstand Biegeprüf- einrichtung Rohrprüfanlage PE-Rohr: Zeitstandbruch

3 Abteilung Kunststoffe Schadensanalysen Abteilung Kunststoffe Akkreditierung des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA) für die Prüfung von Neureifen und Reifen auf Basis von ECE-Regelungen Anerkannte Prüf- und Überwachungsstelle der Güteschutzgemeinschaft Reifenerneuerung, Zürich (GRE) Zulassungs-, Überwachungs- und Sonderprüfungen an erneuerten Reifen Reifenprüfstand fstand mit LKW-Reifen und PKW-Reifen

4 Abteilung Kunststoffe Einfluss der Kräfte im Fahrbetrieb auf die Gestalt des Ventils 50 km/h 180 km/h Abteilung Kunststoffe An der Montagemaschine werden DMS appliziert um die Belastungen an markanten Stellen während des Montagevorgangs aufzunehmen und zu vergleichen. Eine höhere Belastung der Maschine lässt auf eine höhere Belastung der Reifen schließen.

5 Einsatzgebiete von Kunststoffen in Deutschland, 2001 Elektro/Elektronik 7,5% Haushaltswaren 4,5% Möbel 7,0% Landwirtschaft 2,0% Fahrzeugindustrie 9,0% Sonstiges 16,0% Bau 24,5% Verpackung 29,5% Quelle: Consultic Produktion von Rohstahl und Kunststoffen in Volumen: 1kg Kunststoff = 1 Liter; 8 kg Rohstahl = 1 Liter Mrd. Liter Kunststoff Kunststoff 100 Rohstahl Rohstahl Weltproduktion 2002: Kunststoff Rohstahl 194 Mio. t = 194 Mrd. Liter 902 Mio. t = 113 Mrd. Liter *) incl. Leime, Lacke, Dispersionen, Fasern, etc.

6 Energiebedarf Energiebedarf für die Herstellung im Vergleich zu anderen Werkstoffen 20 Öl-Äquivalente/Liter Werkstoff kg als Energie als Rohstoff Mg Al Cu Fe Polystyrol PVC PE-HD PE-LD PP Quelle:/2/ Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Kunststoffe in Deutschland 2001 Elektro/Elektronik (770 kt) Weiße Ware 22% Braune Ware 5% Kabel/Installationstechnik 33% IT/TK 16% Sonstiges 24% Quelle: Consultic

7 Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Elektrogeräte Computer-Elektronik Telekommunikation Energieverteilung Verbindungstechnik Kabel und Wellrohre Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche

8 Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Kunststoffe in Deutschland 2001 Verpackung (3.040 kt) Folien 50,5% Hohlkörper < 5l 15,0% Hohlkörper > 5l 5,5% Verschlüsse 7,0% Sonstiges 22,0% Quelle: Consultic

9 Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Kunststoffe in Deutschland 2001 Bau (2.520 kt) Rohre 29,0% Profile 24,0% Dämmung/Isolierung 25,0% Sonstiges 22,0% Quelle: Consultic

10 Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Kunststoffe in Deutschland 2001 Fahrzeugindustrie (930 kt) Innenteile 47,0% Außenteile 20,5% "Under the hood" 21,0% Elektrik/Licht 11,5% Quelle: Consultic

11 Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche Multifuktionsanforderung vorher Aufgaben: Kraftübertragung Design Schutzfunktion nachher

12 Wettbewerb der Werkstoffe Kunststoff - Glas Recycling

13 Neue Werkstoffkombinationen und Verarbeitungsverfahren Anforderungen Neue Werkstoffkombinationen und Verarbeitungsverfahren Lösung

14 Neue Werkstoffkombinationen und Verarbeitungsverfahren Verfahrenstechnische Lösung Vom Erdöl zum Kunststoff Weltweite Rohölreserven Laut dieser BP- Studie aus dem Jahre 2002 reichen die bisher bekannten Ölvorkommen noch für ca. 40 Jahre!

15 Vom Erdöl zum Kunststoff Wie viel Prozent der Rohölförderung wird zu Kunststoffen verarbeitet 100% Erdöl 20% 20% 60% Diesel- und Heizöle Benzine Sonstige 13% 7% Vergaserkraftstoffe Chemie- Rohstoffe 4% 3% Kunststoffe Andere Chemieprodukte ~90% der geförderten Erdölmenge werden sofort zu Energiegewinnung verbrannt! Vom Erdöl zum Kunststoff Schritte und Produkte bei der Erdölverarbeitung zum Kunststoff Propylen Polypropylen Heizöl Ethylen Polyethylen Erdöl Naphta Ethylen/ Chlor PVC Benzin Ethylen/ Benzol Polystyrol Benzol Polyamid

16 Polyethylen Bildungsreaktionen I Polymerisation Verknüpfung von Molekülen zu einem größeren Molekül durch Aktivierung der im monomeren Ausgangsstoff vorhandenen Doppelbindungen. Die entstehenden Polymerisate besitzen dieselbe elementar-analytische Zusammensetzung wie das Monomere. Die Reaktion erfolgt in geschlossener Folge bis zum Endprodukt, ohne Bildung von Nebenprodukten (s. Beispiel Polyethylen). Beispiel: Ethylen: Polyethylen: Wärme + Katalysator Thermoplaste: Duroplaste: Polyethylen, Polypropylen, Polymethacrylate usw. vernetzte ungesättigte Polyesterharze

17 Bildungsreaktionen II Polykondensation Bei der Polykondensation erfolgt die Verbindung der Reaktionspartner unter Abspaltung von niedrigmolekularen Verbindungen (meist Wasser, seltener Ammoniak) Die Bildungsreaktion der hochmolekularen Stoffe kann durch Veränderung der Reaktionsbedingungen unterbrochen werden (z.b. Temperaturabsenkung), die gebildeten Vorkondensate bleiben reaktionsfähig. Beispiel: Phenol + Formaldehyd Phenolharz + Wasser Thermoplaste: Duroplaste: lineare gesättigte Polyesterharze, Polyamide, Polycarbonate Phenolharze, Melaminharze, Harnstoffharze Bildungsreaktionen III Polyaddition Eine Anlagerungsreaktion zweier verschiedenartiger Komponenten ohne Abspaltung niedrigmolekularer Nebenprodukte bezeichnet man als Polyaddition Im Gegensatz zur Polymerisation werden keine Kohlenstoff-Doppelbindungen abgesättigt. Beispiel: Diol + Diisocyanat Polyurethan H O R1 O H + O=C=N R2 N=C=O [ C N R 2 N C O R1 O ]n O H H O Thermoplaste: Duroplaste: lineare Polyurethane Epoxidharze, vernetzte Polyurethane

18 Bindungen Hauptvalenz: Bindung in den Kettenmolekülen, jeweils zwei Elektronen tragen zu einer Bindung bei. Nebenvalenz: Bindung zwischen den Ketten, z. B. Dispersionskräfte, Dipolkräfte; Konfiguration: Anordnung der Monomere bei der Polymerisation, Taktizität ataktisches Polypropylen isotaktisches Polypropylen syndiotaktisches Polypropylen Makromolekülanordnung Die Molekülketten der Kunststoffe können linear verzweigt räumlich eng oder weit vernetzt sein Konformation: Die Ketten können durch Rotation um die Hauptvalenzen abgeknickt oder verknäult sein

19 Einteilung nach dem Ordnungszustand Thermoplaste: Der Kunststoff besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Makromolekülen Diese können je nach Verzweigungsgrad räumlich angeordnet sein Thermoplaste sind schmelzbar, quellbar, löslich. Amorphe Thermoplaste: regellose Anordnung der Molekülketten Teilkristalline Thermoplaste: Kettenmoleküle sind in Teilbereichen geordnet. Einteilung nach dem Ordnungszustand Elastomere: Weit vernetzte Makromoleküle, die sich zwischen den Vernetzungspunkten entschlaufen können, ohne abzugleiten Es besteht eine Rückstellkraft in die verschlaufte Ausgangsstellung zurück. Gummielastische Stoffe Elastomere sind quellbar aber nicht schmelzbar oder löslich. Duroplaste: Makromoleküle sind engmaschig miteinander vernetzt Die Formgebung muß vor der Vernetzung stattfinden Duroplaste sind bis zur Zersetzung bei hoher Temperatur spröde bis zähelastisch.

20 Kristallisation der Thermoplaste Vom Atom zum Formteil Molekülkette Kristall-Lamelle Sphärolit Formteil oder Halbzeug Technische Kunststoffe Styrol Butadien Acrylnitril Eigenschaften ABS hohe Zähigkeit Formbeständigkeit bis 100 C gute Darstellung Oberfläche geringe Wasseraufnahme gute Spannungsriss-beständigkeit hohe mechanische Dämpfung

21 Technische Kunststoffe Methylmethacrylamethacrylat Polymethyl- Eigenschaften PMMA große Härte, Festigkeit und Steifigkeit hohe Kratzfestigkeit gute elektrische und dielektrische Eigenschaften physiologisch unbedenklich Witterungsbeständig Technische Kunststoffe Formaldehyd Polyacetal Eigenschaften POM hohe Abriebfestigkeit niedriger Reibungskoeffizient Hohe Medienbeständigkeit geringe Wasseraufnahme gute elektrische Eigenschaften

22 Technische Kunststoffe Hexamethylendiamin Adipinsäure Eigenschaften PA66 hohe Zähigkeit bis -40 C hohe chemische Beständigkeit hohes Dämpfungsvermögen hohe Wärmeformbeständigkeit Wasseraufnahme bis 3,5% Bei PA 6 bis 7% Technische Kunststoffe Bisphenol A Phosgen Polycarbonat Eigenschaften PC hohe Festigkeit, Härte Hohe Schlagzähigkeit Temperaturbeständigkeit bis +135 C hohe Transparenz

23 Technische Kunststoffe Polyethylenterephthalat Eigenschaften PET hohe Festigkeit, Härte und Steifigkeit Temperaturbeständigkeit bis +100 C Im amorphen Zustand glasklar gute elektrische Eigenschaften physiologisch unbedenklich Eigenschaften der Kunststoffe Eigenschaften der Kunststoffe Viskoelastizität: Relaxation und Kriechen- Die bisherigen Modellvorstellungen haben gezeigt das, wenn Polymere Werkstoffe einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden, so zeigen sie eine zeitabhängige Verformungszunahme bei vorgegebener Spannung (Kriechen, Retardation) bzw. ein zeitabhängigen Spannungsabbau nach erfolgter Verformung (Relaxation). Dieses Verhalten wird Viskoelastizität bezeichnet. Hierzu zwei anschauliche Beispiele: Retardation/ Kriechen Relaxation Bsp.: Verschraubung mit einer Kunststoffschraube σ ε σ schraube ε m t 0 t t 1 t 0 t 1 t F 0 >F 1 F=const.

24 Eigenschaften der Kunststoffe Eigenschaften der Kunststoffe Viskoelastizität- Maxwell-Voigt-Modell Das Maxwell-Voigt-Modell beschreibt das viskoelastische Verhalten von Kunststoffkörpern. τ γ τ γ t t τ γ t 0 t 1 t amorphe Thermoplaste Beispiele: PVC, PS, PMMA, PC Bereich I: Energieelastisches Verhalten (Glaszustand) Anwendungsbereich des Kunststoffes T g *: Glasübergangstemperatur Übergang in den thermoelastischen Bereich Bereich II: Entropieelastisches Verhalten (quasi-gummi-elastisch) Bereich III: Viskoses Fließverhalten, Bereich der Thermoplastizität: Urformen und Schweißen

25 teilkristalline Thermoplaste Beispiele: PE, PP, PA, POM, PET, PBP, FEP Bereich I: Glaszustand, amorphe Bereiche eingefroren, Kunststoff spröde T g *: Glasübergangstemperatur für die amorphen Anteile Bereich Ia: Amorphe Anteile thermoelastisch, kristalline Anteile starr, Anwendungsbereich Bereich II: Aufschmelzen der Kristallite, Kunststoff wird warmumformbar (enger Temperaturbereich) T S *: Kristallitschmelztemperatur Bereich III: Viskoses Fließverhalten, Bereich der Thermoplastizität: Urformen und Schweißen Duroplaste Beispiele: PF, UP, EP Bereich I: Energieelastisches Verhalten, Anwendungsbereich; Werkstoff ist hart und spröde (kein inneres Gleiten). T g *: Glasübergangstemperatur Bereich II: Nicht vernetzte Bereiche flexibel; Werkstoff ggf. etwas umformbar, kein Fließen T z : Zersetzungstemperatur

26 Bauteilauslegung Von der Produktidee zum Bauteil sind ein Pflichtenheft des Bauteils und daraus ein Anforderungsprofil des Werkstoffes notwendig Über Recherchen und Erkenntnisse aus Praxisversuchen kann man den optimalen Werkstoff festlegen. Für die Bauteilauslegung aus Kunststoff sind Informationen bezüglich des mechanischen Verhaltens der in Frage kommenden Werkstoffe bei langfristiger Belastung notwendig. Kriechkurven Wöhlerkurven isochronen Spannungs- Dehnungsdiagrammen Bauteilauslegung Zu beachtende Eigenschaften sind: die Viskoelastizität das Kriechen unter Last unzulässige Verformungen Anisotropie bei verstärkten Kunststoffen und bei Elastomeren die großen elastischen Netzverzerrungen.

27 Finite Element Analyse Strukturanalyse WTA 9-11

28 Verarbeitung der Kunststoffe Kunststoffe werden durch verschiedene Prozesse zum Halbzeug bzw. Endprodukt verarbeitet Duroplastische Formmassen können durch Pressen, Spritzpressen oder Spritzgießen in ihre endgültige Form gebracht werde nach dieser Formgebung bei der auch die Aushärtung (chemischer Prozess) erfolgt, sind sie in der Regel nur noch spanend bearbeitbar. Thermoplastische Kunststoffe werden überwiegend durch Spritzgießen, Extrudieren und Extrusionsblasen zum Fertigteil umgeformt Sie sind wieder einschmelzbar. Verarbeitung der Kunststoffe Thermoplastische Elastomere sind in der Regel mit den selben Maschinen wie normale Thermoplaste zu verarbeiten, die weitmaschige Vernetzung erfolgt durch reversible Allophanat- und Biuretbindungen. Die Naturkautschukprodukte und Derivate müssen vor der endgültigen Vernetzung/Vulkanisation wie die Duroplaste in ihre Form gebracht werden. Kalanderverfahren sind zur Erzeugung von Folien geeignet, meist kalandrieren und extrudieren

29 Spritzgussmaschine Spritzgiessen

30 Spritzgiessen Rohrextrusion

31 Folienblasen Begriffsdefinition Kunststoffe Makromoleküle Polymere Konformation Thermoplaste künstlich erzeugte, d.h. nicht in der Natur vorkommende Werkstoffe sehr große, meist (aber nicht notwendig) organische Moleküle; Beispiel: DNS große Moleküle aus vielen chemisch identischen Wiederholungseinheiten räumliche Anordnung eines Moleküls, die sich durch Drehung um die C-C-Einfachbindung ergibt wiederholt aufschmelzbarer bzw. erweichbarer Kunststoff

32 Begriffsdefinition Elastomer niedrig vernetztes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur < 0 C, bei Raumtemperatur gummielastisch Duroplaste hoch vernetztes Polymer, kein Erweichungspunkt, spröde Molekulargewicht Gewicht der Makromoleküle in Atomgewichten Polymerisationsgrad Anzahl der Wiederholungseinheiten im Polymeren Polymer-Blends Mehrphasensystem, bestehend aus einer polymeren Grundmatrix und einer eingelagerten dispersen Zweitphase Hauptvalenz primäre, kovalente Bindungen in den Molekülketten Nebenvalenz Bindungen zwischen den Molekülketten. Van der Waals, Wasserstoffbrückenbindungen Kunststoffvorlesungen und Studienarbeiten a) Werkstofftechnik der Kunststoffe, Dipl.-Ing. A.Bockenheimer jeweils im WS a) Studien- und Diplomarbeiten Interessenten melden sich bitte für weitere Informationen bei: A. Bockenheimer, Abteilungsleiter Kunststoffe, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt; Telefon: H. Haupt, Wissenschaftlicher Angestellter; Telefon: