6 Diverse physikalische Eigenschaften fester Kunststoffe

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1 6 Diverse physikalische Eigenschaften fester Kunststoffe 6.1 Thermische Eigenschaften 6.2 Elektrische Eigenschaften 6.3 Optische Eigenschaften 6.4 Akustische Eigenschaften 6.5 Diffusions- und Permeationseigenschaften

2 Wärmeausdehnung Allgemeine Aussagen zur Wärmeausdehnung: Der Wärmeausdehnungskoeffizient α ist im Anwendungstemperaturbereich von Kunststoffen nahezu konstant Größenordnung: 0,00015 bis 0,0002 / K Er wird durch Füllstoffe i. allg. verringert Bild 8.7 Menges, S. 196 Wärmeausdehnung von Metallen und Kunststoffen bei 20 C Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

3 Wärmeleitfähigkeit Def.: Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, bei vorgegebenen Temperaturgefällen Wärmeströme zu transportieren. Def.: Die Wärmeleitzahl λ gibt diejenige Wärmemenge in Joule an, die in einer bestimmten Zeit durch einen Körper mit definiertem Querschnitt hindurchgeht, wenn ein Temperaturgefälle von 1 K vorliegt. Einheit: W/ m K λ c p c p ρ u l KWärmekapazität ρkdichte ukgeschwindigkeit der elastischen Wellen lkabstand der Moleküle Allgemeine Aussagen zur Wärmeleitfähigkeit: Teilkristalline K. haben im festen Zustand eine höhere W. als amorphe K. (höhere Dichte) Die W. steigt mit zunehmendem Druck Füllstoffe mit höherer W. verbessern die W. des Gesamtsystems Duroplaste verhalten sich prinzipiell wie amorphe K. Quellen: Menges, G.: Werkstoffkunde; Wortberg, J.: Qualitätssicherung 6.1 Thermische Eigenschaften

4 Wärmeleitfähigkeit Bild 8.1 Menges, S. 191 Bild 8.2 Menges, S. 192 Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit metallischen Werkstoffen Wärmeleitfähigkeit verschiedener Thermoplaste Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

5 Wärmeleitfähigkeit - Einfluß von Modifikationen und Randbedingungen - Bild 8.3 Menges, S. 193 Änderung der Wärmeleitfähigkeit bei steigendem Druck Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

6 6.1 Thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit - Einfluß von Modifikationen und Randbedingungen - Bild 8.5 Menges, S. 193 Einfluß von Füllstoffen auf die Wärmeleitfähigkeit Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde VolumenanteildesFüllstoffes WärmeleitfähigkeitdesFüllstoffes λ WärmeleitfähigkeitderMatrix λ WärmeleitfähigkeitdesGemisches λ ) ( 2 2 ) ( 2 2 F F H M K K K L ϕ λ λ λ ϕ λ λ λ λ ϕ λ λ λ H F H F F H F H F F H M = Mischungsregel nach Knappe:

7 Spezifische Wärme/ Spezifische Wärmekapazität Def.: Die Spezifische Wärme ist die Energie, die einem Kilogramm eines Stoffes zugeführt werden muß, um eine Temperaturerhöhung von 1 C zu erzielen. Einheit: J/ kg K c p c p Δh = ΔT p KWärmekapazität Allgemeine Aussagen zur Spezifischen Wärme: Die S.W. ist temperaturabhängig, sie ändert sich im Gebrauchstemperaturbereich der Kunststoffe aber nur wenig Teilkristalline Werkstoffe besitzen eine Unstetigkeitsstelle im Kristallitschmelzbereich auf Duroplast gleichen im ausgehärteten Zustand den amorphen Thermoplasten; der Aushärtvorgang ist mit Veränderung der S.W. verbunden Mit der S.W. kann die Energie abgeschätzt werden, der für die Erwärmung benötigt wird, bzw. bei der Abkühlung abgeführt werden muß Die S.W. steht in engem Zusammenhang mit der Beweglichkeit der Makromoleküle (unter konstantem Druck) hkenthalpie TKTemperatur Quellen: Menges, G.: Werkstoffkunde; Wortberg, J.: Qualitätssicherung 6.1 Thermische Eigenschaften

8 Spezifische Wärme/ Spezifische Wärmekapazität - Qualitative Darstellung - Bild 6.56 Wortberg, S. 226 Quelle: Wortberg, J.: Qualitätssicherung 6.1 Thermische Eigenschaften

9 Temperaturleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit: Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu Wärmespeicherfähigkeit Von Bedeutung bei instationären Wärmeleitvorgängen b = λ c ρ bkwärmeeindringzahl ba TA + bb TB Tk = ba bb Tk KKontakttemperatur TA,TB KTemperatur von Körper A und B b, b KWärmeeindringzahl von Körper A und B A a = c p ρ KDichte λkwärmeleitfähigkeit B λ ρ KWärmekapazität p c p Bild 8.8 Menges, S. 197 Temperaturleitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur für teilkristalline Werkstoffe Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

10 Temperaturleitfähigkeit Allgemeine Aussagen zur Temperaturleitfähigkeit a: Sie bestimmt den zeitlichen Ablauf von Wärmeausbreitungsvorgängen Sie hat bei teilkristallinen Werkstoffen eine Unstetigkeit am Schmelzpunkt Sie wird durch den Kristallisationsgrad beeinflußt (damit auch von der Abkühlgeschwindigkeit etc.) λ a = b = λ c p ρ ρ c p bkwärmeeindringzahl c p KWärmekapazität ba TA + bb TB Tk = ρkdichte ba bb λkwärmeleitfähigkeit Tk KKontakttemperatur TA,TB KTemperatur von Körper A und B b, b KWärmeeindringzahl von Körper A und B A B Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu Wärmespeicherfähigkeit Bild 8.8 Menges, S. 197 Temperaturleitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur für teilkristalline Werkstoffe Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

11 Effektive Temperaturleitfähigkeit a eff Die Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit ist mit großen Fehlerquellen behaftet. Daher wird oft die effektive Temperaturleitfähigkeit verwendet. Diese wird in praktischen Versuchen (z.b. Spritzgießversuche) ermittelt, so dass Randbedingungen wie der Wärmeübergang zum Werkzeug berücksichtigt werden können. Beipiele für Werte: Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde 6.1 Thermische Eigenschaften

12 Elektrische Eigenschaften von Kunststoffen im Überblick Ohne Füllstoffe/Zusatzstoffe sind Kunststoffe im allgemeinen Nichtleiter ABER: Umgebungseinflüsse, Verarbeitung, Füllstoffe, Verschmutzung etc. können die elektrischen Eigenschaften verändern. Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften sind: Elektrischer Widerstand Elektrostatische Aufladung spezieller Durchgangswiderstand Oberflächenwiderstand Durchschlagfestigkeit Dielektrisches Verhalten relative Dielektrizitätszahl dielektrischer Verlustfaktor 6.2 Elektrische Eigenschaften

13 Elektrischer Widerstand von Kunststoffen U R = I Kunststoffe weisen eine um mehrere 10er-Potenzen geringere Leitfähigkeit als metallische Werkstoffe auf es fehlen die freien Ladungsträger (Ionen/ freie Elektronen); lediglich einige niedermolekulare Gruppen wirken als Ladungsträger Spezifischer Durchgangswiderstand U R = I = ρ d d A d...dicke der Probe A...Fläche der Probe Durchgangswiderstand eines Würfels mit der Kantenlänge 1 cm! Ungünstige elektrostatische Eigenschaften! (Aufladen) Oberflächenwiderstand Widerstand auf der Oberfläche des Werkstücks Wird stark durch Umweltbedingungen wie Verunreinigungen, Feuchtigkeit, etc. beeinflußt Durch Erhöhung der Leitfähigkeit der Oberfläche (z.b. Antistatika) können die elektrostatischen Eigenschaften verbessert werden. 6.2 Elektrische Eigenschaften

14 Spezifischer Widerstand von Kunststoffen und Metallen Der spezifische Widerstand von Kunststoffen ist mehrere 10er Potenzen höher als der von Metallen Er ist stark temperaturabhängig 6.2 Elektrische Eigenschaften

15 Beeinflussung des elektrischen Widerstandes durch Füllstoffe Spezifischer Durchgangswiderstand in Abhängigkeit der Polymer-/Ruß-Mischung 6.2 Elektrische Eigenschaften

16 Beeinflussung des elektrischen Widerstandes durch Füllstoffe Widerstand eines mit Metallpulver gefüllten Kunststoffs 6.2 Elektrische Eigenschaften

17 Durchschlagfestigkeit Die Durchschlagfestigkeit bestimmt die elektrische Belastungsfähigkeit Temperatur Probendichte Probenzustand (z.b. Feuchtigkeit, Alterung) Maximale Durchschlagspannung (Wechselspannung) [V/mm] Durchschlagen des Formteils Belastungsgeschwindigkeiten Frequenz Einwirkdauer Fehlstellen Lunker Poren Verunreinigungen Sphärolitgrenzen Die Durchschlagfestigkeit wird gemessen wenn: entscheidende Größen für die Anwendung des Bauteils (Stecker, etc.) zur allgemeinen Materialcharakterisierung (Verunreinigungen, Feuchtigkeit, etc.) Quelle: Wortberg, J.: Qualitätssicherung 6.2 Elektrische Eigenschaften

18 Elektrostatische Aufladung Ladungsverschiebung (z.b. durch Reibung), die längere Zeit aufrecht erhalten bleibt Grund: niedrige Leitfähigkeit in Probeteil und an der Oberfläche die Ladung kann schlecht an die Luft oder an andere Körper abgegeben werden Faustregel: Durchgangswiderstand > Ω Verwendung von Antistatica Hohe Anfälligkeit für elektrostatische Aufladung Probleme: Verarbeitbarkeit Optische Beeinträchtigung Entzündungsgefahr durch Funkenentladung hydrophile Moleküle, die die Oberflächenfeuchtigkeit erhöhen 6.2 Elektrische Eigenschaften

19 Dielektrisches Verhalten Weil Kunststoffe nur sehr wenige freie Ladungsträger besitzen, haben sie dielektrische Eigenschaften die gebundenen Ladungen werden durch ein elektrisches Feld verschoben oder verdreht daraus entsteht eine Polarisation man unterscheidet Elektronen-, Atom- und Dipolpolarisation

20 Dielektrisches Verhalten Unterschied zwischen freien und gebundenen Ladungen im elektrischen Feld (schematisch) Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde

21 Dielektrisches Verhalten Aufgrund des Relaxationsverhaltens hängt die Polarisation im Wechselfeld von der Frequenz ab (insbesondere Dipolpolarisation) Verlauf von Spannung und Strom im Kondensator Es ergibt sich ein dielektrischer Verlust, weshalb der Verlauf für den Strom um den Verlustwinkel δ verzögert ist. Quelle: Menges, G.: Werkstoffkunde

22 Dielektrischer Verlustfaktor tan δ Dielektrisches Verhalten ε r = ε r + i ε r ε r tanδ = ε r Wärmequellterm ε r... Realteil der Dielektrizitätszahl ε r... Imaginärteil, d.h. Verlustanteil >10-2 -> Verlustfaktor technisch von Bedeutung als Wärmequelle tan δ ist das Verhältnis von Wirk- zu Blindleistung eines Kondensators Einflußgrößen: Feldstärke Werkstoff Temperatur Frequenz

23 Dielektrisches Verhalten Quelle: Ruge, Wohlfahrt: Technologie der Werkstoffe

24 Dielektrisches Verhalten - Einflußgrößen auf das dielektrische Verlustverhaltenε 0 ε ω λ Nach Debye gilt: tanδ = ε + ε ω λ 0 Materialeinfluß Temperatureinfluß Frequenzeinfluß ε 0...Dielektrizitätskonstante bei unendlicher Frequenz ε...dielektrizitätskonstante bei Frequenz 0 λ...relaxationszeit ω...kreisfrequenz ω = 2 π f Hohe Verluste unerwünscht Isolatoren Insbesondere Hochfrequenztechnik ε r tan δ < 10-3 Hohe Verluste erwünscht Schweißen mit HF/MW Zuführung von Energie zur Erwärmung ε r tan δ > Elektrische Eigenschaften

25 Magnetisierbarkeit Die Magnetisierbarkeit eines Stoffes in einem Magnetfeld mit der Felstärke H wird durch die magnetische Suszeptibilität χ vermittelt. Beispiele: Tonband Disketten Kühlschrankmagnet M = χ H M ist sehr klein für Kunststoffe Die Magnetisierbarkeit kann durch magnetische Füllstoffe verbessert werden. 6.2 Elektrische Eigenschaften

26 Lichtbrechung Brechungsindex n = sin α/ sin β n = c 0 / c n = f (T, λ) mit n 1 mit n 2 β α α... Einfallwinkel β... Brechungswinkel c 0... Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c... Lichtgeschwindigkeit in einem dichteren Medium λ... Wellenlänge des Lichtes Lichtausbreitung in zwei Körpern und, n 2 > n 1, d. h. Körper ist optisch dichter als 6.3 Optische Eigenschaften

27 Lichtbrechung - Einfluß der Temperatur auf die Lichtbrechung Optische Eigenschaften

28 Lichtbrechung - Einfluß der Wellenlänge auf die Lichtbrechung - < 400 nm... UV-Bereich > 800 nm... IR-Bereich Anwendung Flintglas Anwendung Quarzglas blau rot 6.3 Optische Eigenschaften Anwendung Acrylglas

29 Reflexion Absorption - Transmission Ein von einem Lichtstrahl getroffener Körper wird einen Teil des Lichtstrahles reflektieren und einen Teil transmittieren. Anm. zum Bild: Senkrechter Lichteinfall und Vielfachreflexion in auseinandergezogener Darstellung. 6.3 Optische Eigenschaften

30 Reflexion Absorption - Transmission Reflexionsgrad ρ = Reflexion/ Einstrahlung Absorptionsgrad α = Absorption/ Einstrahlung Transmissionsgrad τ = Durchstrahlung/ Einstrahlung Lambertsches Absorptionsgesetz: ρ + α + τ = Optische Eigenschaften

31 Reflexion Absorption - Transmission Durch spezielle Pigmentierung oder Zusatzstoffe können die optischen Eigenschaften eingestellt werden. 6.3 Optische Eigenschaften

32 Lichtremission - Glanzeigenschaften Glänzende Oberfläche Matte Oberfläche 6.3 Optische Eigenschaften

33 Farbeigenschaften Objekt Lichtquelle Licht mit bestimmter spektraler Verteilung Das transmittierte oder das reflektierte Licht wird vom Auge als Farbreiz wahrgenommen! Absorption Transmission Reflexion 6.3 Optische Eigenschaften

34 Farbeigenschaften - Problemstellung bei Kunststoffprodukten - Chargenschwankungen Pigmentveränderung durch Scherung/ Temperatureinwirkung Inhomogene Dispergierung der Pigmente Verfärbungen durch Alterung/ UV-Betrahlung Veränderung des Farbeindrucks durch unterschiedliche Beleuchtung Quelle: Wortberg, J.: Qualitätssicherung 6.3 Optische Eigenschaften

35 Schalldämmung und Schalldämpfung Schalldämmung = Reflexion r möglichst groß Z 2 > Z 1 Maximale Reflexion kann durch z. B. eine schwere Wand mit maximalem Wellenwiderstand erreicht werden Medium 1 Medium 2 e d r Schalldämpfung = Absorption r möglichst klein Z 2 Z 1 Umwandlung von Luftschall in Wärme, z. B. Schaumstoff: Z schaum Z luft Dämpfung von Körperschall durch innere Verluste im Dämpfer, z. B. Elastomer e... einfallende Schallwelle d... durchgelassene Schallwelle r... reflektierte Schallwelle Medium 1 besitzt Impedanz Z 1 Medium 2 besitzt Impedanz Z 2 > Z 1 r = Z Z 2 2 Z + Z 1 1 Anm.: Z = Impedanz = Wellenwiderstand (Z in Luft klein, Z einer Betonwand groß) 6.4 Akustische Eigenschaften

36 Schallausbreitung Eine Longitudinalwelle schwingt in Ausbreitungsrichtung. Sie benötigt immer ein Medium, um sich fortzubewegen. Beispiel: Schall in Luft Eine Transversalwelle ist eine Welle, bei der die Schwingung senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung erfolgt. Nicht immer an ein Medium gebunden. Beispiel: Schall im Festkörper Dehnwellen sind eine Kombination aus Transversalwelle und Longitudinalwelle. Beispiel: Schall in Wasser, in Stäben

37 Modul und Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit bei verschiedenen Phasenzuständen Identische Longitudinalwellen für Glaszustand und gummielastischen Zustand Dehn- und Transversalwellengeschwindigkeiten sind im Glaszustand wesentlich größer 6.4 Akustische Eigenschaften

38 Schallgeschwindigkeit in einigen Kunststoffen in Abhängigkeit vom Druck Die Schallgeschwindigkeit ist vergleichbar mit der in Flüssigkeiten. ABER: Aufgrund der Dämpfung nimmt die Amplitude schneller ab! 6.4 Akustische Eigenschaften

39 Schallgeschwindigkeit in einigen Kunststoffen in Abhängigkeit von der Temperatur 6.4 Akustische Eigenschaften

40 Dämpfung verschiedener Werkstoffe 6.4 Akustische Eigenschaften

41 Abgrenzung und Begriffsbestimmungen für Stofftransportvorgänge Adsorption Anlagerung und Aufnahme des diffundierenden Stoffes in die Grenzflächen Diffusion Transport innerhalb eines Stoffes Desorption Abgabe des diffundierenden Stoffes an die Umgebung Chemiesorption Adsorption mit chemischen Verbindungen, nicht reversibel (desorbierte Substanz hat einen anderen chemischen Aufbau als die adsorbierte) Absorption Lösung im Feststoff (eindringende Gase in Flüssigkeiten oder Feststoffe werden dort gelöst, anstatt nur allein an die Oberfläche gebunden zu werden) Permeation Molekularer Stofftransport eines Gases durch eine Membran (Trennwand, die dem Durchtritt verschiedener Stoffe einen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzt) 6.5 Diffusions- und Permeationseigenschaften