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Vorlesung Werkstofftechnik 1

• Die Folien sind eine Zusammenfassung der Vorlesung und ersetzen nicht den Besuch der Vorlesung und Übungen.
• Die Struktur und der Inhalt wurden von Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet.
• Die Nutzung der Folien ist nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL zulässig.
• Die Folien wurden mit Unterstützung von Herrn Jens Mannel erstellt.

Vorwort

• Die Foliensammlung fasst die behandelten Themen der Vorlesung Werkstofftechnik 1 zusammen.
• Die Folien wurden von Dr. Lutwin Spix erstellt.
• Die Folien wurden im September 2024 erstellt.
• Die Nutzung der Folien zu anderen Lehrzwecken ist wegen Urheberrechts nicht erlaubt.
• Die Literaturhinweise (Bonten, C. und Domininghaus, H.) beinhalten Informationen zu Kunststoffen.

Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge...)

• Monomere: Kunststoffe beginnen mit Kohlenstoff.
• Kohlenstoff: Besitzt vier freie Elektronen zur Bindung.
• Methan: Ein stabiler Kohlenwasserstoff.
• Ethan: Ein stabiler Kohlenwasserstoff.
• Ethylen (Ethen): Gehört zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen, ist mäßig stabil und durch Katalysatoren aufbrechbar.

Unterscheidungsmerkmale Strukturen und Gefüge

• Konstitution: Chemischer Aufbau des Moleküls.
• Konfiguration: Unterschiedliche Anordnung einzelner Atome oder Endgruppen bei gleicher Konstitution.
• Konformation: Räumliche Anordnung drehbarer Bindungen.
• Lineare, verzweigte, vernetzte Ketten: Unterschiedliche Strukturtypen von Kunststoffen.
• Amorphe, teilkristalline Struktur: Zwei Gefügeformen von Kunststoffen.

Konstitution: Molekülmasse und Molekülmassenverteilung

• Es gibt keine einheitliche Molekülmasse, sondern eine Verteilung.
• Die mittlere Molekülmasse bestimmt die Schmelzviskosität und die thermomechanischen Eigenschaften.
• Die Zahlenmittel und das Gewichtsmittel der Molekülmasse werden mit Formeln dargestellt.
• Polydispersität (D) ist das Verhältnis von Gewichtsmittel (Mw) zu Zahlenmittel (Mn).
• Ziegler-Natta-Katalysatoren und Metallolocenen haben einen Einfluss auf die Molekülmasse.

Konstitution: Molekülmasse und Molekülmassenverteilung (fortgesetzt)

• Kleine Molekülmasse → kurze Ketten → gute Fließfähigkeit → geringe Schmelzestabilität
• Hohe Molekülmasse → lange Ketten → schlechte Fließfähigkeit → hohe Schmelzestabilität
• Verarbeitungseigenschaften erfordern oft eine Mischung aus langen und kurzen Ketten.
• Alterung und Wiederverarbeitung/Recycling verkürzen die Ketten irreversibel und verändern die Molekülmassenverteilung.
• Die Zugfestigkeit von Kunststoffen hängt von der Mindestmolekülmasse ab.

Konfiguration (Taktizität, Stereoregularität)

• Taktizität beeinflusst nicht die Glasübergangstemperatur (Tg).
• Ataktisch: Keine regelmäßige Anordnung der Monomere.
• Isotaktisch: Regelmäßige Anordnung der Monomere auf einer Seite der Kette.
• Syndiotaktisch: Regelmäßige Anordnung der Monomere abwechselnd auf beiden Seiten der Kette.
• Die Taktizität beeinflusst, ob ein Kunststoff kristallisieren kann, und ist wichtig für die Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit.

Konformation (fortgesetzt)

• Konformation: Die räumliche Anordnung der Bindungen zueinander.
• Die Konformation ist bei gleicher Konstitution und Konfiguration unterschiedlich.

Unterscheidungsmerkmale

• Konstitution: Chemischer Aufbau des Moleküls.
• Konfiguration: Anordnung der Atome bei gleicher Konstitution.
• Konformation: Räumliche Anordnung der drehbaren Bindungen bei gleicher Konstitution und Konfiguration.

Gefüge: Amorphe Struktur

• Ungeordneter Molekülknäuel: Transparent; keine Kristallisation.
• Breiter Aufschmelzbereich: Ketten zuerst schmelzen.
• Beispiele: PVC, PS, ABS, SAN, PC.

Gefüge: Teilkristalline Struktur

• Amorphe Bereiche: Enthalten neben teilkristallinen Bereichen.
• Isotaktische und syndiotaktische Polymere: Kristallisieren.
• Schmelzpunkt: Kein definierter Wert, sondern ein Bereich.
• Höhere Festigkeitswerte: Höhere Steifigkeiten, dadurch Festigkeit gegenüber Schmelzbereich.
• Beispiele: PA, POM, PET, PP, PE.

Wiederholung Gefüge: Teilkristalline Struktur

• Isotaktisch + Syndiotaktisch: Spröde, plastisch, weich, bzw. harter oder weicher Zustand je nach Temperatur.
• Amorphe Bereiche + Lamellen: Bereiche ohne klare regelmäßige Struktur.
• Beispiele für Isotaktische und Syndiotaktische Polymeren: Teilkristalline Struktur

Video PE-HD PE-LD amorph / teilkristallin

• Video zeigt verschiedene PE-Möglichkeiten

Gefüge: Teilkristalline Struktur (Dichte)

• Tabelle zeigt übliche Dichten und Kristallisationsgrad für verschiedene Kunststoffe.
• Dichten werden durch Kristallisationsgrad und die Amorphe Bereiche beeinflusst

Verzweigungen und Vernetzungen

• Lineare Polymere: Keine Verzweigungen und Vernetzungen.
• Verzweigte Polymere: Keine Vernetzungen.
• Vernetzte Polymere: Hochvernetzt (Duromere), schwachvernetzt (Elastomere).

Linear oder verzweigt?

• Lineares PE: Kann besser kristallisieren, höhere Härte, Steifigkeit und Dichte. Synthese im Niederdruckverfahren.
• Verzweigtes PE: Verzweigungen erschweren die Kristallisation, geringere Härte, Steifigkeit und Dichte. Synthese im Hochdruckverfahren.
• PE-LD (Low Density): Verzweigtes Polyethylen.
• PE-HD (High Density): Lineares Polyethylen.

Änderung der Steifigkeit durch Verzweigungsgrad

• Grafische Darstellung der Änderung des E-Moduls (Steifigkeit) mit der Temperatur in Abhängigkeit vom Verzweigunggrad.

Unterscheidungsmerkmale

• Chemischer Aufbau (Konstitution): Chemischer Aufbau des Moleküls
• Polymerisationsmechanismus: Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition.
• Bauprinzip: Konfiguration und Konformation
• Werkstofftechnische Einteilung: Thermoplaste, Elastomere, Duromere.