Vorlesung Werkstofftechnik 1 PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Copolymere, Blends Unterteilung der Kunststoffe Thermoplast Elastomer Duroplast Copolymere/Blends Copolymer Blend Prof. Dr. Chr. Barth 4 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Homopolymere – eine Monomereinheit Monomerart Nur eine Monomerart Struktur amorph teilkristallin Beispiele PS, PMMA, PC, PVC, PSU, PE, PP, POM, PTFE, PET, BR, IR PBT Prof. Dr. Chr. Barth 5 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Blockcopolymere – mind. zwei Monomerarten in Blöcken in einer Kette Monomerart zwei in Blöcken Struktur Mehrphasen, Phasen durch chemische Vernetzung verbunden Beispiele TPE-S, TPE-O, TPE-U, TPE-E TPE´s: Thermoplastische Elastomere TPE-S (Styrene); TPE-O (Olefin) ; TPE-U (Urethan), TPE-E (Esther) Prof. Dr. Chr. Barth 7 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Copolymere – mind. zwei Monomerarten Monomerart zwei unregelmäßig zwei regelmäßig (statistisch) (alternierend) Struktur amorph amorph oder teilkristallin Beispiele SAN, EVA, SBR (SBC), NBR PA Prof. Dr. Chr. Barth 8 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Blockcopolymer σty = σtb SBC (Styrol-Butadien- Block-Copolymer) reines PS Starker Einfluss auf mechan. Eigenschaften σtb σty SBC Blockcopolymer σty = Streckspannung σtb = Bruchspannung 1 2 3 5 10 20 30 40 50 Prof. Dr. Chr. Barth 9 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) SBC Blockcopolymer: Auswirkung der Monomeranteile Reines Polystyrol 100/0 75/25 50/50 10/90 0/100 Tg BR Tg PS Reines Polybutadien Prof. Dr. Chr. Barth 10 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Pfropfcopolymere Seitliche chemische Vernetzung zwischen den Ketten Monomerart zwei (eine seitlich an die andere) Struktur Mehrphasen, zweite Kettenart durch chemische Vernetzung seitlich mit der Hauptkette verbunden Beispiele ABS, ASA Prof. Dr. Chr. Barth 11 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Pfropfcopolymere, hier am Beispiel des Terpolymers ABS A S A S A B A B A B A B A B A S A=Acrylnitril A B=Butadien S=Styrol Prof. Dr. Chr. Barth 12 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerblends Polymermischungen Monomerart zwei getrennt, physikalisches Mischen im geschmolzenen Zustand Struktur Mehrphasen, Phasen nur durch physikalische Vernetzung verbunden Beispiele PC/ABS, PC/PBT Prof. Dr. Chr. Barth 13 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Homopolymere teilkristallin (PP,PE), amorph (PC,PS) Copolymere zwei Monomere, statistisch (SAN, EVA, NBR) zwei Monomere, alternierend (PA) zwei Monomere in Blöcken (TPE-…) Propfcopolymer seitliche chemische Vernetzung zwischen den Ketten (ABS) Polymerblends zwei Monomere physikalisch vermischt Dr. Lutwin Spix 14 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Copolymere: Vorteile/Nachteile von mehreren ME in der Polymerkette Vorteile Nachteile Eigenschaften kombinierbar teuer Eigenschaften „einstellbar“ Verbindung problematisch, deswegen nicht alle Kombinationen Breiteres Einsatzspektrum (Festigkeiten, möglich Temperaturen) Schwieriger verarbeitbar Leicht verarbeitbar (gegenüber (Schmelztemperaturen) gegenüber Elastomeren + Duroplasten) Standardthermoplasten Recyclingfreundlich (gegenüber Elastomeren + Duroplasten) Prof. Dr. Chr. Barth 15 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 16 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Zeitabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften Kunststoffe verhalten sich bei Belastungen anders als Metalle Ursachen sind: der molekulare Aufbau der Kunststoffe die thermischen Zustandsbereiche (Kapitel 8) Folge: 1) Unter Last können sich (Molekül-)Kettensegmente in Lastrichtung ausrichten 2) Unter Last können sich Molekülketten langsam entschlaufen 3) Unter Last können Molekülketten aneinander abgleiten Dies nennt man: Viskoelastisches Werkstoffverhalten Prof. Dr. Chr. Barth 17 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Entwicklung eines Modells für viskoelastisches Werkstoffverhalten a) Belastungssituation Spannung σ [MPa] 0 F t Start t Ende Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 19 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Rein elastisches Verhalten (Hooke´sches Modell) b) Dehnungsantwort Beispiele: - Stahl - Kunststoffe tiefkalt Dehnung ε [%] ε EH 0 F t Start t Ende Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 20 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Rein viskoses Verhalten (Newton´sches Gesetz) c) Dehnungsantwort Beispiel: - Öl durch eine Bohrung pressen Dehnung ε [%] ε viskose Flüssigkeit 0 F t Start t Ende Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 21 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Elastisch + viskos (Maxwell Modell) d) Dehnungsantwort Beispiel: - Kunststoffschmelze Dehnung ε [%] Ee ε εe ε (t E) εv 0 ηv t Start t Ende F Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 22 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Elastisch gedämpft (Voigt-Kelvin Modell) e) Dehnungsantwort Beispiel: - Elastomer - Federbein Dehnung ε [%] ε Ee ηv ε (t E) 0 F t Start t Ende Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 23 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Viskoelastisches Modell (Burger Modell) für (thermoplastische) Kunststoffe f) Dehnungsantwort Beispiel: - Kunststoffe bei RT Ee Dehnung ε [%] ε ε (t E) Ee ηv 0 ηv t Start t Ende Zeit t [h] F Prof. Dr. Chr. Barth 24 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Entwicklung des Burger Modells zur Veranschaulichung der Viskoelastizität a) Belastungssituation d) Elastische + viskose Dehnungsantwort b) Rein elastische Dehnungsantwort e) Elastisch gedämpfte Dehnungsantwort f) Viskoelastische Dehnungsantwort b) Rein viskose Dehnungsantwort Prof. Dr. Chr. Barth 25 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Viskoelastizität 1) Ausgangszustand Belastung σ [MPa] 2) rein elastisch gedehnt 3) reversibel + irreversibel verformt Zeit t [h] reversible + irreversible 3 Dehnung ε [%] Verformung rein elastische 4) rein elastisch rückgedehnt Rückdehnung 2 4 reversible Rückdeformation 5 5) bleibende Verformung rein elastische irreversible Dehnung 1 Verformung Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth Burger-Modell 26 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Retardation (Kriechen) und Relaxation (Entspannung)  [MPa]  %]  = const  = const Dehnung Spannung Retardation Zeit t [h] Zeit t [h] Relaxation  [MPa]  [%]  (t) Dehnung Spannung  (t) Zeit t [h] Zeit t [h] Prof. Dr. Chr. Barth 27 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Viskoelastisches Werkstoffverhalten: Retardation (Kriechen) und Relaxation (Entspannung) Prof. Dr. Chr. Barth 29 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Zeitabhängiges Werkstoffverhalten Retardation (Kriechen) und Relaxation (Entspannung) Dr. Lutwin Spix Kunststoffwissen für Einsteiger 30 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 31 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Temperaturabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften Die Eigenschaften von Kunststoffen ändern sich mit der Temperatur stark Innerhalb bestimmter Temperaturbereiche (der sog. thermischen Zustandsbereiche) gibt es kaum Änderungen; zwischen den thermischen Zustandsbereichen gibt es aber erhebliche Unterschiede der Eigenschaften! Die einzelnen Kunststoffgruppen (Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste) verhalten sich in diesen thermischen Zustandsbereichen ebenfalls stark unterschiedlich Die thermischen Zustandsbereiche heißen: Energieelastischer Bereich (Glasbereich) Entropieelastischer Bereich (Gummibereich) Fließbereich (Schmelze) Prof. Dr. Chr. Barth 32 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Temperaturabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften Die Grenzen zwischen den thermischen Zustandsbereichen nennt man: Übergangsbereiche Die Übergangsbereiche heißen: Haupterweichungsbereich (Glasübergang) Schmelztemperatur bzw. Schmelzbereich Prof. Dr. Chr. Barth 33 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Thermisches Verhalten Zusammenfassung Tg: Glasübergangstemperatur, bzw. Glasübergangsbereich bei amorphen K Tm: Schmelztemperatur Tz: Zersetzungstemperatur Dr. Lutwin Spix 34 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Achtung Unterschied Zugfestigkeit / E-Modul (logarithmisch) Dr. Lutwin Spix 35 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Zustandsbereich für amorphe Thermoplaste EGEB HEB EPEB FB 104 z.B. Tg °C Tf °C E-Modul [N/mm²] 103 PS ~ + 90 >180 PVC ~ + 80 >150 102 PMMA + 105 >180 Einsatztemperatur PC + 148 >230 101 100 10-1 Tg: Glasübergangstemperatur -100 0 Tg 100 Tf Tf: Fließtemperatur Temperatur [°C] EGEB: Energieelastischer Bereich HEB: Haupterweichungs- Bereich EPEB: Entropieelastischer Bereich FB: Fließbereich Prof. Dr. Chr. Barth 36 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Zustandsbereich für teilkristalline Thermoplaste EGEB EPEB FB 104 HEB z.B. Tg °C Tm °C E-Modul [N/mm²] 103 PE -120 bis -30 110-135 PP um 0 160 102 PA +30 bis 50 230 Einsatztemperatur 101 100 Tg: Glasübergangstemperatur Tm: Schmelztemperatur 10-1 -100 0Tg 100 Tm Temperatur °C EGEB: Energieelastischer Bereich HEB: Haupterweichungs- Bereich EPEB: Entropieelastischer Bereich FB: Fließbereich Prof. Dr. Chr. Barth 37 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Zustandsbereich für Elastomere 104 HEB EPEB z.B. Tg °C Zersetzung E-Modul [N/mm²] 103 VMQ ~ - 100 >250 (Silikonk.) 102 NBR -40 bis -50 >180 Einsatztemperatur FKM -5 >300 101 100 Tg: Glastemperatur 10-1 -100 Tg 0 100 Temperatur °C EGEB: Energieelastischer Bereich HEB: Haupterweichungs- Bereich EPEB: Entropieelastischer Bereich FB: Fließbereich Prof. Dr. Chr. Barth 38 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Zustandsbereich für Duroplaste EGEB HEB EPEB 104 z.B. Tg °C Zersetzung E-Modul [N/mm²] UP ~ + 100 >250 103 EP ~+ 120 >250 102 Einsatztemperatur PF ~+ 150 >250 101 100 Tg: Glastemperatur 10-1 -100 0 100 Tg 200 Temperatur °C EGEB: Energieelastischer Bereich HEB: Haupterweichungs- Bereich EPEB: Entropieelastischer Bereich FB: Fließbereich Prof. Dr. Chr. Barth 39 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten DSC (Differential Scanning Calorimetrie) Gerätedarstellung Prinzip der Meßzelle Referenztiegel Probentiegel Prof. Dr. Chr. Barth 7/185 40 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten Materialidentifikation mittels DSC endotherm exotherm Dr. Lutwin Spix 41 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten DSC Messung (Beispiel PET) exotherm ↑ ^exo PET DSC 0 2. 12. 2 0 2 2 1 1 : 0 5 : 0 9 Wg^-1 -0,4 1. Aufheizfahrt -0,6 Glasumwandlung Onset 72,04 °C Mittelpunkt 80,53 °C -0,8 Integral 97,05 mJ -1,0 normalisiert 15,81 Jg^-1 Onset 130,38 °C Peak 142,58 °C -1,2 -1,4 -1,6 Integral -233,76 mJ normalisiert -38,07 Jg^-1 -1,8 Onset 237,05 °C Peak 250,05 °C -2,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 140,0 150,0 160,0 170,0 180,0 190,0 200,0 210,0 220,0 230,0 240,0 250,0 260,0 270,0 280,0 290,0 °C 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 min FB 7 : H S - O W L S T A R e S W 16. 3 0 Dr. Lutwin Spix 42 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten DSC Messung ^exo PET DSC 0 2. 12. 2 0 2 2 1 1 : 0 5 : 0 9 Wg^-1 !^PET PET, 6,1400 mg 175,0 °C 1,0 0,5 Integral 97,05 mJ normalisiert 15,81 Jg^-1 Glasumwandlung 0,0 Onset 130,38 °C Onset 77,40 °C Peak 142,58 °C Mittelpunkt 82,51 °C -0,5 Glasumwandlung -1,0 Onset 72,04 °C Mittelpunkt 80,53 °C Methode: Praktikum_28.11.13_1 dt 1,00 s Integral -249,96 mJ 25,0-300,0°C 20,00°C/min, N2 50,0 ml/min normalisiert -40,71 Jg^-1 -1,5 Integral -233,76 mJ 300,0-25,0°C -20,00°C/min N2 50,0 ml/min Onset 226,39 °C normalisiert -38,07 Jg^-1 25,0-300,0°C 20,00°C/min N2 50,0 ml/min Peak 245,49 °C Onset 237,05 °C Synchronisation eingeschaltet Peak 250,05 °C -2,0 50 100 150 200 250 300 250 200 150 100 50 50 100 150 200 250 °C 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 min FB 7 : H S - O W L S T A R e S W 16. 3 0 Dr. Lutwin Spix 43 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!