Kunststoffe 9.1 9 Kunststoffe Inhaltsverzeichnis 9 Kunststoffe...9.1 9.1 Literaturempfehlungen Kunststoffe...9.1 9.2 Einführung...9.2 9.2.1 Eigenschaften: Vorteile - Nachteile...9.2 9.2.2 Definition Kunststoff:...9.2 9.2.3 Normung (siehe Kapitel 1)...9.2 9.3 erstellung von Makromolekülen...9.2 9.3.1 Polymerisation (im engeren Sinne)...9.3 9.4 Einteilung der Kunststoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere...9.4 9.4.1 amorphe Thermoplaste (linear)...9.4 9.4.2 (Teil-)Kristalline Thermoplaste (verzweigt)...9.5 9.4.3 Elastomere (schwach vernetzt)...9.5 9.4.4 Duroplaste (stark vernetzt)...9.5 9.5 Eigenschaften...9.6 9.5.1 Festigkeit...9.6 9.5.2 Mechanisch-thermisches Verhalten amorpher Thermoplaste...9.6 9.5.3 Mechanisch-thermisches Verhalten von Duromeren (vernetzter Polymer)...9.7 9.6 Wichtigste Kunststoffe...9.8 9.6.1 Thermoplaste...9.8 9.6.1.1 Teilkristalline Thermoplaste...9.8 9.6.1.2 Amorphe Thermoplaste...9.9 9.6.2 Duroplaste...9.10 9.6.3 Elastomere...9.11 9.1 Literaturempfehlungen Kunststoffe M.D. Lechner, K. Gehrke, E.. Nordmeier: Makromolekulare hemie, Birkhäuser Verlag, Basel, ISBN 3-7643-6952-3 B. Tieke: Makromolekulare hemie, Wiley-V, ISBN 3-527-31379-6 G. Menges, E. aberstroh, W. Michaeli, E. Schmachtenberg: Werkstoffkunke Kunststoffe, 5. Auflage, anser Verlag 2002. Domininghaus: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6. Auflage, Springer Verlag 2005 G. W. Ehrenstein: Faserverbund-Kunststoffe, 2006. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, 2005 9.1
Kunststoffe 9.2 9.2 Einführung 9.2.1 Eigenschaften: Vorteile - Nachteile Kunststoffe haben sich aufgrund ihrer einzigartigen Kombination von Eigenschaften durchgesetzt: VORTEILE NATEILE leichte Formbarkeit niedriger E-Modul (E=100 10000MPa) leicht durch geringe Dichte ausgeprägte Zeit- und Temperaturρ = 0,8 2,2 g/cm 3 abhängigkeit der Verformung gute chemische Korrosions-Beständigkeit große Wärmeausdehnung - relativ hohe Zugfestigkeit α T 200 10 6 1/K, ca. 10-20-Fache von i.a. hohe Bruchdehnung Beton nicht toxisch Gefahr der Versprödung bei tiefen T wirtschaftlich (preiswert und i.d.r. nicht formbeständig bei hohent energiesparend in der erstellung) brennbar einfach zu verarbeiten, zu färben und in jede Form zu bringen extrem anpassungsfähig an neue Anforderungen 9.2.2 Definition Kunststoff: Definition: Festkörper aus synthetisch oder halbsynthetisch hergestellten Polymeren mit organischen Gruppen Polymere: Sehr lange, ineinander verschlungene Molekülketten (Makromoleküle), die sich aus immer wiederholenden Grundeinheiten (Monomeren) aufgebaut sind Beteiligte Elemente am Aufbau des Kunststoffs:,, O, N, S, Si, F, l, Ti, auptelemente: und (Kohlenwasserstoffe), Bindungsart: stabile, lange Ketten der -Atome der Kohlenwasserstoffe Bindung innerhalb der Ketten über kovalente Bindung (homöopolare Bdg., starke Atombdg.) Seitengruppen der Moleküle: auch Ionenbindung bei Anwesenheit von Metallionen Einteilung nach dem Verhalten DUROPLASTE (Duromere) TERMOPLASTE (Plastomere) ELASTOMERE Die Unterscheidung erfolgt nach den entstehenden Bindungen zwischen den Makromolekülen. Diese unterscheiden sich deutlich in ihrem Temperatur- und Festigkeitsverhalten. 9.2.3 Normung (siehe Kapitel 1) 9.3 erstellung von Makromolekülen Unterschiedliche Arten der Verknüpfung der Monomere zu Makromolekülen (Bildungsart kann auch als Aushärtung bezeichnet werden): Polymerisation* im engeren Sinne, *(eigentlich: alle Bildungsprinzipien von ochpolymeren) Ankoppeln nach Aufbrechen von =-Doppelbindungen (ungesättigt) ohne Abspaltung von Nebenprodukten Polykondensation Reaktion von 2 Monomeren unter Abspaltung einfacher Nebenprodukte, z.b. 2 O oder N 3.) Polyaddition Reaktion von 2 Monomeren ohne Bildung von Nebenprodukten 9.2
Kunststoffe 9.3 9.3.1 Polymerisation (im engeren Sinne) Additionspolymerisation als Kettenreaktion Verknüpfung gleichartiger Monomere, indem Kohlenstoff-Doppelbindungen unter Energiegewinn aufgespalten werden. Initiatoren: z.b.: Licht, UV-Strahlung, Druck, Wärme, Katalysatoren Vorraussetzung: ungesättigte Monomere (meist mit =-Doppelbindungen) Beispiel Ethylen Polyethylen PE n Aufspaltung der der =-Doppelbindungen in Radikale n Ethylen (Monomer) Polyethylen PE (Polymer) Polymerisat 2 = 2 Quelle: /DOM86/, /IlS02/ n n =(Polymerisationsgrad) Anzahl der Moleküle hier ist nicht die Anzahl gemeint, sondern vielmehr ein Schwerpunkt oder Mittelwert einer Verteilung von Molekülgrößen Lage der 3 -Seitengruppe =Taktizität Isotaktisches PP: 3 -Gruppe immer auf derselben Seite der Molekülkette Syndiotaktisches PP 3 -Gruppe in regelmäßigem Wechsel auf beiden Seiten der Molekülkette Ataktisches PP regellose Verteilung auf beide Seiten der Molekülkette Es werden unterschieden: omöopolymerisation: oplymerisation: Anlagerung gleicher Monomere (Grundmoleküle) Zusammenlagern unterschiedlicher Monomere zu Ketten in mehr oder weniger regelmäßigem Wechsel Weg: Vermischen verschiedener Stoffe vor der Polymerisation Produkt: opolymerisat Unterscheidung: nach Anordnung der Monomere im Makromolekül Statistische (zufällige) Anordnung A-A-B-A-B-B-B-A-B-A-B-A-A-B-B-A z.b.: Butadien/Styrol-opolymerisat Periodische Anordnung A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B z.b.: Styrol/Acrylnitril-opolymerisat 9.3
Kunststoffe 9.4 9.4 Einteilung der Kunststoffe Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Übersicht über die wichtigsten Eigenschaften 9.4.1 amorphe Thermoplaste (linear) (Ausgangsstruktur): lineare Fadenmoleküle gerade oder verzweigte kettenförmige Polymermoleküle Anordnung der Kettenmoleküle völlig ungeordnet Parallelisierung Anisotropie der Eigenschaften Beispiele: PS, PV, PMMA (Plexiglas) 9.4
Kunststoffe 9.5 9.4.2 (Teil-)Kristalline Thermoplaste (verzweigt) Kristallisation: Unter bestimmten Bedingungen: Zusammenlagern von Teilen der Makromolekülen zu Lamellen oder sphärolithischen Molekülfaden- Abschnitten (Strukturen) Teilkristallinität, da die Reaktion fast nie vollständig abläuft auch bei Teilkristallinität (mittlerer Kristallisationsgrad 40-60%, PE: ca. 95%): Günstig wirken: Beispiele: PP, PE, PA, PTFE - langsame Abkühlung aus dem Schmelzzustand - Polymerisation bei relativ niedrigen T - nachträgliches Erwärmen des Kunststoffes Eigenschaften kristalliner Thermoplaste Erhöhung: Steifigkeit, Elastizitätsmodul, ärte, Zugfestigkeit, Schmelztemperatur Abnahme der Schlagzähigkeit und Transparenz Schmelzbereich aufgrund inhomogenen Kristallaufbaus Vorteil: - verschweißbar und durch Aufschmelzen leicht recycelbar Nachteil: - höhere Kriechneigung als Duroplaste. Um Faktor 100 bis 200 höhere Viskosität 9.4.3 Elastomere (schwach vernetzt) Struktur: - amorph - weitmaschige Vernetzung thermische Zersetzung Aufquillen (Vulkanisieren) viskoses Fließen (Abgleiten der Moleküle aneinander) und damit Neuverarbeitung NIT möglich Beispiele Wichtigstes Bsp.: Polyurethan PUR Vullocan Eigenschaft: - formfest, aber elastisch verformbar - Gummielastizität innerhalb eines Temperaturintervalls Entropieelastizität: Unter äußerer Krafteinwirkung: Orientierung der Moleküle in Beanspruchungsrichtung Rückstellung in Ausgangszustand bei - Temperaturerhöhung - Wegnehmen der Spannung Grund: Entropie Quelle: /S05/ 9.4.4 Duroplaste (stark vernetzt) Struktur - amorph, da Anordnung der Molekülketten ungeordnet - engmaschige Vernetzung - Vernetzung erfolgt während der erstellung Eigenschaften- bei RT: hart, glasartig - bei Temperaturerhöhung:zwar Erweichen, aber kein Fließen; - kein Schmelzen, eher Zersetzung - in Lösungsmitteln nicht löslich u. nur schwach quellbar - hoher Elastizitätsmodul, - eine sehr gute thermische und chemische Beständigkeit Quelle: /S05/ 9.5
Kunststoffe 9.6 Die Vernetzung heißt bei Duroplasten: Aushärtung, bei Elastomeren: Vulkanisation Beispiele Wichtigstes Beispiel: - Ungesättigter Polyester UP Uhu plus - PF (Phenol-Formaldehyd, Phenolharze) - EP Epoxidharze - UF/MF arnstoff und Melaminharz Quelle /WES08/, ILS02/ 9.5 Eigenschaften Anisotropie Thermoplaste Orientierter Zustand: Streckung des Molekülknäuel beim Walzen oder Ziehen von Thermoplasten Einfreieren bei Abkühlung in texturähnlichem anisotropen Zustand 9.5.1 Festigkeit Festigkeit und Steifigkeit (E-Modul) von Kunststoffen i. a. < Stähle und Al-Legierungen Eine wirkende mechanische Spannung ruft nicht zeitgleich eine entsprechende Formänderung hervor. Die Formänderung nimmt bei konstanter Spannung mit der Zeit zu. σ k verzögert elastisch verzögert elastisch rein elastisch Quelle /SEI05/ t 0 t 1 t 9.5.2 Mechanisch-thermisches Verhalten amorpher Thermoplaste 9.6
Kunststoffe 9.7 Schmelz- und Abkühlverhalten: Typisch: reversibles Erweichen bei T-Erhöhung und Erstarren bei T-Erniedrigung (durch Veränderung der schwachen Vernetzung, nicht aber der Molekülgrundstruktur wiederverwendbar ET: Einfrier-, bzw. Erweichungs-Temperatur: < ET: glasig spröde > ET: zähflüssige Schmelzen - T Vergrößerung des Abstands der Makromolekülketten plastische Verformung. - T physikalische Bindungen werden überwunden Thermoplast schmilzt. Beispiele: PS, PV, PMMA (Polymethylmethacrylat, Plexiglas) 9.5.3 Mechanisch-thermisches Verhalten von Duromeren (vernetzter Polymer) Spannungs-Dehnungsdiagramm typischer Kunststoffgruppen 9.7
Kunststoffe 9.8 9.6 Wichtigste Kunststoffe Einsatzbeispiele für Kunststoffe nach verschiedenen Anwendungsgebieten: Textilfasern PA, thermoplastische Polyester, Polyacrynitril, PUR Klebstoffe Phenol-, arnstoff-, Melamin-, ungesättigte Polyester- und Epoxidharze Lacke Silikonharze, PA, Polyesterharze, Akrylharze, Epoxidharze, PUR ochbeanspruchte Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze meist faserverstärkte Thermoplaste oder Duroplaste, PA, PP, Phenolharze, Bauteile Bsp.: Tragseile, Pkw-Luftansaugrohre aus glasfaserverstärktem PA Vakuumpunpen aus PPS (Polyphenylensulfid), Stoßfänger 9.6.1 Thermoplaste 9.6.1.1 Teilkristalline Thermoplaste Name Polyethylen Struktur Kurzbezeichung PE Makromolekül teilkristalliner Thermoplast erstellung Polymerisation Makromolekül Dichte ρ = 0,91-0,96 g/cm 3 Merkmale - Eigenfarbe: milchig weiß und in allen Farben einfärbar. - Oberfläche: wachsartig, fettig, wenig kratzfest. Eigenschaften - chemisch widerstandsfähig (merke: Angriff durch starke Säuren), - hohe Gasdurchlässigkeit, (merke: Durchlässigkeit für Wasserdampf sehr gering) erstellung - Spritzgiessen für hohe Stückzahlen (Fa. DuPont), - Extrudieren aus Formmassen oder - druckloses Rotationgießen für kleine Stückzahlen - Beschichten von Verpackungspapieren und -kartons Anwendung D-PE (Polyethylen hart) Flaschen für Reinigungsmittel höherwertige Massenware für aushalt und Technik: Flaschenkästen, Lagertanks, Kanister sowie Folien, Rohre LD-PE (Polyethylen weich) Massenwaren wie Eimer, Schüsseln, Kunststoff-Tragetaschen Elektroteile Folien für Bau und Landwirtschaft hergestellt. andelsname LD-PE Baylon D-PE Vestolen, Scolefin 9.8
Kunststoffe 9.9 9.6.1.2 Amorphe Thermoplaste Name Polyvinylchlorid Struktur Kurzbezeichung PV PV U (unplastinized) hart PV P (plastinized) weich Makromolekül amorpher Thermoplast erstellung Polymerisation Makromolekül Dichte PV U ρ = 1,38-1,40 g/cm³ PV P ρ = 1,20-1,35g/cm³ Merkmale PV hart: klarer, durchsichtiger Kunststoff PV weich -gummiartig, flexibler kratzfester Kunststoff - +gute Weichmacher auch bei tiefen T nicht spröde Eigenschaften PV U hart - hart und in der Kälte spröde - Einsatztemperaturen bis zu 65º - lösbar in Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel - beständig gegenüber Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen PV P weich - lösbar in Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel - beständig gegenüber Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen - schweißbar - klebbar erstellung - Kalandrieren - Spritzguss - Extrusionsblasverfahren Anwendung PV U hart Rohre+Profile, Dachrinnen, Rolladen, Getränkeflaschen, KS-bechern PV P weich Schläuche, Stecker, Schuhsohlen, Spielbälle, Spieltiere, Bodenbeläge Folien zum Beschichten von Geweben und Oberflächen, Schutzhandschuhe durch Tauchen von Textilien in PV-Paste andelsname ostalit, Mipolam 9.9
Kunststoffe 9.10 9.6.2 Duroplaste Name Phenolharz (Phenolformaldehyd) Kurzbezeichung PF Makromolekül Vernetzter Duroplast erstellung Makromolekül Dichte ρ = 1,40g/cm³ Struktur Merkmale Phenolharze sind Polykondensate aus Aldehyden und Phenolen. Beteiligung von Katalysatoren an Zwischenreaktionen, Ausgangsstoff: Formaldehyd - nur dunkle Farben - E T : Gebrauchstemperatur 60-100 Eigenschaften empfindlich gegenüber starken Säuren und Basen beständig gegenüber Säuren, Basen, Benzin und Ölen, chlorierten Kohlenwasserstoffen erstellung Spritzgießen Pressen Anwendung hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen für Töpfe und Bügeleisen erstellung von Aschenbecher, Knöpfe, artpapier andelsname Bakelit (Pressmassen) 9.10
Kunststoffe 9.11 9.6.3 Elastomere Name Polyurethan Struktur Kurzbezeichung PUR Makromolekül Vernetzte Struktur erstellung Polyaddition Makromolekül Dichte ρ = 1,26g/cm³ Merkmale Eigenschaften erstellung Anwendung andelsname - bilden (steuerbare) vernetzte Strukturen aus Elastomer, - Vernetzung ist steuerbar von hart bis gummielastisch - Schaum und Schaumstoff, von hart bis weich - E T : Gebrauchstemperatur 80-100 º je nach Vernetzung gelb bis dunkelbraun, nur dunkel, deckend einfärbbar gummielastisch kratzfest beständig gegenüber Benzin, Öl, schwachen Säuren sowie Laugen lösbar in starken Laugen und Säuren sowie in heißem Wasser Gießen der Urethan-Komponenten-gemische RIM (Reaction Injection Moulding Federnde Maschinenteile, Faltenbeläge Sportplätze Skistiefel 9.11