9 Kunststoffe. Inhaltsverzeichnis. 9.1 Literaturempfehlungen Kunststoffe 9.1

Kunststoffe 9.1 9 Kunststoffe Inhaltsverzeichnis 9 Kunststoffe ......................................................................................
Author: Gertrud Busch
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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 Herstellung 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

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Literaturempfehlungen Kunststoffe • • • • • •

M.D. Lechner, K. Gehrke, E.H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie, Birkhäuser Verlag, Basel, ISBN 3-7643-6952-3 B. Tieke: Makromolekulare Chemie, Wiley-VCH, ISBN 3-527-31379-6 G. Menges, E. Haberstroh, W. Michaeli, E. Schmachtenberg: Werkstoffkunke Kunststoffe, 5. Auflage, Hanser Verlag 2002 H. Domininghaus: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6. Auflage, Springer Verlag 2005 G. W. Ehrenstein: Faserverbund-Kunststoffe, 2006 H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, 2005

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9.2

Kunststoffe

9.2

Einführung

9.2.1 Eigenschaften: Vorteile - Nachteile Kunststoffe haben sich aufgrund ihrer einzigartigen Kombination von Eigenschaften durchgesetzt: VORTEILE NACHTEILE ☺ leichte Formbarkeit  niedriger E-Modul (E=100–10000MPa) ☺ leicht durch geringe Dichte  ausgeprägte Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Verformung ρ = 0,8 – 2,2 g/cm3 ☺ gute chemische Korrosions-Beständigkeit  große Wärmeausdehnung 6 αT ≤ 200·10 1/K, ca. 10-20-Fache von ☺ relativ hohe Zugfestigkeit Beton ☺ i.A. hohe Bruchdehnung ☺ nicht toxisch  Gefahr der Versprödung bei tiefen T  i.d.R. nicht formbeständig bei hohenT ☺ wirtschaftlich (preiswert und  brennbar energiesparend in der Herstellung)  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: C, H, O, N, S, Si, F, Cl, Ti, Hauptelemente: C und H (Kohlenwasserstoffe), Bindungsart: • stabile, lange Ketten der C-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) • THERMOPLASTE (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

Herstellung 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 Hochpolymeren) Ankoppeln nach Aufbrechen von C=C-Doppelbindungen (ungesättigt) ohne Abspaltung von Nebenprodukten • Polykondensation Reaktion von 2 Monomeren unter Abspaltung einfacher Nebenprodukte, z.B. H2O oder NH3.) • Polyaddition Reaktion von 2 Monomeren ohne Bildung von Nebenprodukten

9.2

9.3

Kunststoffe

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 C=C-Doppelbindungen) Beispiel Ethylen – Polyethylen PE

H

H

H

n· C

C

 C

H

H

H

H C  H

Aufspaltung der der C=C-Doppelbindungen in Radikale

H

H

H

H

n· C

C

C

C

H

H

H

H

Ethylen (Monomer)

H2C

n =(Polymerisationsgrad) Anzahl der Moleküle

n

hier ist nicht die Anzahl gemeint, sondern vielmehr ein Schwerpunkt oder Mittelwert einer Verteilung von Molekülgrößen

Polyethylen PE (Polymer) Polymerisat

=

CH2

Quelle: /DOM86/, /IlS02/

Lage der CH3-Seitengruppe =Taktizität Isotaktisches PP: CH3-Gruppe immer auf derselben Seite der Molekülkette Syndiotaktisches PP CH3-Gruppe in regelmäßigem Wechsel auf beiden Seiten der Molekülkette Ataktisches PP regellose Verteilung auf beide Seiten der Molekülkette Es werden unterschieden: Homöopolymerisation: Coplymerisation:

Anlagerung gleicher Monomere (Grundmoleküle) Zusammenlagern unterschiedlicher Monomere zu Ketten in mehr oder weniger regelmäßigem Wechsel Weg: Vermischen verschiedener Stoffe vor der Polymerisation Produkt: Copolymerisat

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-Copolymerisat Periodische Anordnung A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B z.B.: Styrol/Acrylnitril-Copolymerisat

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, PVC, PMMA (Plexiglas)

9.4

9.5

Kunststoffe

9.4.2 (Teil-)Kristalline Thermoplaste (verzweigt) Kristallisation: Unter bestimmten Bedingungen: Zusammenlagern von Teilen der Makromolekülen zu Lamellen oder sphärolithischen MolekülfadenAbschnitten (Strukturen) → Teilkristallinität, da die Reaktion fast nie vollständig abläuft → auch bei Teilkristallinität (mittlerer Kristallisationsgrad 40-60%, PE: ca. 95%): Günstig wirken: - langsame Abkühlung aus dem Schmelzzustand - Polymerisation bei relativ niedrigen T - nachträgliches Erwärmen des Kunststoffes Beispiele: PP, PE, PA, PTFE Eigenschaften kristalliner Thermoplaste • Erhöhung: Steifigkeit, Elastizitätsmodul, Härte, 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 NICHT 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: /SCH05/

9.4.4 Duroplaste (stark vernetzt) Struktur

- amorph, da Anordnung der Molekülketten ungeordnet - engmaschige Vernetzung - Vernetzung erfolgt während der Herstellung

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: /SCH05/

9.5

9.6

Kunststoffe

Die Vernetzung heißt bei Duroplasten: Aushärtung, bei Elastomeren: Vulkanisation Beispiele

9.5

Wichtigstes Beispiel: - Ungesättigter Polyester UP „Uhu plus“ Quelle /WES08/, ILS02/ - PF (Phenol-Formaldehyd, Phenolharze) - EP Epoxidharze - UF/MF Harnstoff und Melaminharz

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.

σk

verzögert elastisch

verzögert elastisch rein elastisch Quelle /SEI05/

t0

t1

t

9.5.2 Mechanisch-thermisches Verhalten amorpher Thermoplaste

9.6

Kunststoffe

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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, PVC, PMMA (Polymethylmethacrylat, Plexiglas) 9.5.3 Mechanisch-thermisches Verhalten von Duromeren (vernetzter Polymer)

Spannungs-Dehnungsdiagramm typischer Kunststoffgruppen

9.7

9.8

Kunststoffe

9.6

Wichtigste Kunststoffe

Einsatzbeispiele für Kunststoffe nach verschiedenen Anwendungsgebieten: Textilfasern PA, thermoplastische Polyester, Polyacrynitril, PUR Klebstoffe Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, ungesättigte Polyester- und Epoxidharze Lacke Silikonharze, PA, Polyesterharze, Akrylharze, Epoxidharze, PUR Hochbeanmeist faserverstärkte Thermoplaste oder Duroplaste, PA, PP, Phenolharze, spruchte Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze Bauteile Bsp.: Tragseile, Pkw-Luftansaugrohre aus glasfaserverstärktem PA Vakuumpunpen aus PPS (Polyphenylensulfid), Stoßfänger

9.6.1 Thermoplaste 9.6.1.1 Teilkristalline Thermoplaste Polyethylen Name Kurzbezeichung PE Makromolekül teilkristalliner Thermoplast Herstellung Makromolekül Dichte Merkmale Eigenschaften

Herstellung

Anwendung

Handelsname

Struktur

Polymerisation ρ = 0,91-0,96 g/cm3 - Eigenfarbe: milchig weiß und in allen Farben einfärbar. - Oberfläche: wachsartig, fettig, wenig kratzfest. - chemisch widerstandsfähig (merke: Angriff durch starke Säuren), - hohe Gasdurchlässigkeit, (merke: Durchlässigkeit für Wasserdampf sehr gering) - Spritzgiessen für hohe Stückzahlen (Fa. DuPont), - Extrudieren aus Formmassen oder - druckloses Rotationgießen für kleine Stückzahlen - Beschichten von Verpackungspapieren und -kartons HD-PE (Polyethylen hart) Flaschen für Reinigungsmittel höherwertige Massenware für Haushalt 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. LD-PE Baylon HD-PE Vestolen, Scolefin

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Kunststoffe

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9.6.1.2 Amorphe Thermoplaste Name Polyvinylchlorid Struktur Kurzbezeichung PVC PVC U (unplastinized) hart PVC P (plastinized) weich Makromolekül amorpher Thermoplast Herstellung Polymerisation Makromolekül Dichte PVC U ρ = 1,38-1,40 g/cm³ PVC P ρ = 1,20-1,35g/cm³ Merkmale PVC hart: klarer, durchsichtiger Kunststoff PVC weich -gummiartig, flexibler kratzfester Kunststoff - +gute Weichmacher auch bei tiefen T nicht spröde Eigenschaften PVC U hart - hart und in der Kälte spröde - Einsatztemperaturen bis zu 65ºC - lösbar in Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel - beständig gegenüber Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen PVC P weich - lösbar in Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel - beständig gegenüber Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen - schweißbar - klebbar Herstellung - Kalandrieren - Spritzguss - Extrusionsblasverfahren Anwendung PVC U hart Rohre+Profile, Dachrinnen, Rolladen, Getränkeflaschen, KS-bechern PVC P weich Schläuche, Stecker, Schuhsohlen, Spielbälle, Spieltiere, Bodenbeläge Folien zum Beschichten von Geweben und Oberflächen, Schutzhandschuhe durch Tauchen von Textilien in PVC-Paste Handelsname Hostalit, Mipolam

9.9

9.10

Kunststoffe

9.6.2 Duroplaste Phenolharz (Phenolformaldehyd) Kurzbezeichung PF Makromolekül Vernetzter Duroplast Herstellung Makromolekül Dichte ρ = 1,40g/cm³ Name

Merkmale

Eigenschaften

Herstellung Anwendung

Handelsname

Struktur

Phenolharze sind Polykondensate aus Aldehyden und Phenolen. Beteiligung von Katalysatoren an Zwischenreaktionen, Ausgangsstoff: Formaldehyd - nur dunkle Farben - ET: Gebrauchstemperatur 60-100 °C  empfindlich gegenüber starken Säuren und Basen  beständig gegenüber Säuren, Basen, Benzin und Ölen, chlorierten Kohlenwasserstoffen  Spritzgießen  Pressen  hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen für Töpfe und Bügeleisen  Herstellung von Aschenbecher, Knöpfe, Hartpapier Bakelit (Pressmassen)

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Kunststoffe

9.6.3 Elastomere

Name Kurzbezeichung Makromolekül Herstellung Makromolekül Dichte

Polyurethan PUR Vernetzte Struktur Polyaddition

Merkmale

- bilden (steuerbare) vernetzte Strukturen aus Elastomer, - Vernetzung ist steuerbar von hart bis gummielastisch - Schaum und Schaumstoff, von hart bis weich - ET: Gebrauchstemperatur 80-100 ºC  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

Eigenschaften

Herstellung Anwendung

Struktur

ρ = 1,26g/cm³

Handelsname

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