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! 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 8 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Was sind Kunststoffe? Definition laut DIN: „Kunststoffe sind makromolekulare Verbindungen, die synthetisch oder durch Umwandlung von Naturprodukten entstehen“ Die vier Charakteristika von Kunststoffen (ausschließend): a) Makromolekular (Kunststoff, Öl, Holz, menschl. DNA) b) Hochpolymer (Kunststoff, Öl, Holz) c) Synthetisch ( Kunststoff, Öl) d) Organisch = besteht zumeist aus C, H, O, N ( Kunststoff, Öl) Prof. Dr. Chr. Barth 9 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Vom Erdöl zum Kunststoff Erdöl Erdöl 100 % Destillation Naphtha Diesel- und Heizöle Benzine Sonstige 70 % 20 % 10 % Cracken Ethylen Kraftstoffe Chemierohstoffe Propylen 13 % 7% Buten und andere Polymerisation Polykondensation Kunststoffgranulate andere Produkte Polyaddition 4% 3% Kunststoffe Prof. Dr. Chr. Barth 10 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Herstellung von Makromolekülen 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 Dr. Lutwin Spix 11 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Monomere: Mit Kohlenstoff fängt es an Kohlenstoff Methan Ethan Ethylen 4 freie ↓ ↓ ↓ Elektronen stabil stabil mässig stabil, zur Bindung Doppelbindung durch Einsatz von Katalysatoren aufbrechbar Prof. Dr. Chr. Barth 13 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Chemische und physikalische Bindungskräfte Innermolekulare chemische Bindungskräfte H H („Hauptvalenzbindungen“) C C Übliche Schreibweise: Intermolekulare physikalische Bindungskräfte („Nebenvalenzbindungen“): H H „Dispersionskräfte“, „Dipolkräfte“ und H H „Wasserstoffbrückenbindungen“ C C Chemische Bindungskräfte sind sehr stark, physikalische lassen sich leicht durch Wärme oder Lösungsmittel aufheben H H Prof. Dr. Chr. Barth 14 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation Kettenreaktion gleichartiger Monomere zu einem Polymer ohne Abspaltung von Reaktionsprodukten H H H H H H …+ + + +… … C C C C C C … H H H H H H Ethylen Ethylen Ethylen Polyethylen-Makromolekül Beispiele: PE, PP, PVC, PS, PMMA Prof. Dr. Chr. Barth 15 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation Dr. Lutwin Spix 16 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation Dr. Lutwin Spix 17 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation Synthesereaktion mit sich wiederholenden Reaktionsschritten 1. Initiation (Kettenstart) durch ein Starterradikal 2. Propagation (Kettenwachstum) 3. Termination (Kettenabbruch) Dr. Lutwin Spix 18 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation Termination (Kettenabbruch) durch o zwei Starterradikale o ein Starterradikal und die wachsende Kette o zwei wachsende Ketten Dr. Lutwin Spix 19 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation I Vor Ziegler Natta: Start der Reaktion durch hohen Druck und hohe Temperatur Ziegler – Natta – Katalysatoren Industriell genutzt seit 1955 Aktivität uneinheitlich Beispiel PP = CH3-Gruppe Sehr preiswert z.B.: Triethylaluminium und Titantetrachlorid Polyolefine (PE, PP) Räumliche Struktur nicht einstellbar Kettenlänge uneinheitlich Prof. Dr. Chr. Barth 20 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polymerisation II Metallocen – Katalysatoren Industriell genutzt seit 1995 Aktivität einheitlich hoch Teuer z.B.: Diphenylmethylencyclo- pentadienylidenyl- zirkoniumdichloridBeispiel PP = CH3-Gruppe Polyolefine (PE, PP) Räumliche Struktur weitestgehend definiert Kettenlänge gut einstellbar Prof. Dr. Chr. Barth 21 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polykondensation Kettenreaktion unterschiedlicher Monomere zu einem Polymer (Polykondensat) unter Abspaltung von Reaktionsprodukten (Wasser, Alkohol, Säuren) Beispiel: PA, PC, PET Prof. Dr. Chr. Barth 22 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polykondensation Dr. Lutwin Spix 23 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polyaddition Kettenreaktion unterschiedlicher Monomere zu einem Polymer ohne Abspaltung von Reaktionsprodukten Beispiel: Polyurethan (Schaumstoff), EP, POM Prof. Dr. Chr. Barth 24 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Polyaddition Dr. Lutwin Spix 25 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Makromoleküle Die Einzelkette unterscheidet sich durch chemischen Aufbau der Kette: Kettenkonfiguration räumlich geometrischen Aufbau der Kette die chemischen Bausteine werden als Konstitution bezeichnet Dr. Lutwin Spix 26 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Eigenschaften und Grundbausteine Glasübergangstemperatur Tg ist die Temperatur unterhalb derer ein zäher Kunststoff glasartig spröde wird. Bei Raumtemperatur sind PE und PP zäh und flexibel PS und PVC hart und spröde Die Glasübergangstemperatur ist bei der Werkstoffauswahl von Kunststoffen ein entscheidender Parameter, weil sich die mechanischen Werkstoffkennwerte ober- bzw. unterhalb deutlich unterscheiden! Oberhalb von Tg erweichen die amorphen Bereiche Dr. Lutwin Spix 27 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Eigenschaften und Grundbausteine Monomere sind Niedermolekulare, reaktionsfreudige Moleküle, die sich zu Makromolekülen zusammenschließen können (Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation) Die chemischen Grundbausteine werden als „Konstitution“ bezeichnet Die hier gezeigten vier Kunststoffe haben eine reine Kohlenstoffkette und vorrangig Wasserstoffatome als Bindungspartner. Die unterschiedlichen Eigenschaften können nur aus den unterschiedlichen Seitengruppen bestehen. Die Größe der Seitengruppe spielt eine entscheidende Rolle. (PE: Makromolekül schlank => Tg niedrig) Dr. Lutwin Spix 28 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Eigenschaften und Grundbausteine PE (schlank) PP PS (große Seitengruppen) Dr. Lutwin Spix 29 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!