Werkstofftechnik 1 Vorlesung (TH OWL) 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…) Monomere: Mit Kohlenstoff fängt es an Kohlenstoff Methan Ethan Ethylen / Ethen 4 freie ↓ ↓ ↓ Elektronen stabil stabil mässig stabil, zur Bindung Doppelbindung durch Einsatz von Ethen und Ethylen sind synonyme Begriffe. Erklärungsversuch: Katalysatoren Ethen wird benutzt, um es durch die Endung „..en“ den ungesättigten Kohlenwasserstoffen aufbrechbar zuzuordnen (in Abgrenzung zum „…an“, den gesättigten Kohlenwasserstoffen). Ethylen wird benutzt, da der daraus polymerisierte Kunststoff „Polyethylen“ heißt. Prof. Dr. Chr. Barth 36 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Unterscheidungsmerkmale Strukturen und Gefüge Konstitution Konfiguration Konformation Lineare, verzweigte, vernetzte Ketten amorphe, teilkristalline Struktur Dr. Lutwin Spix 40 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konstitution: Chemischer Aufbau des Moleküls, Polymerisationsgrad n und damit Molekülmasse Mw (Molekulargewicht) Polyethylen Polypropylen Polystyrol Polyamid 6 Prof. Dr. Chr. Barth 41 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konstitution: Molekülmasse und Molekülmassenverteilung: Es gibt keine einheitliche Molekülmasse, sondern eine Verteilung Die mittlere Molekülmasse bestimmt die Schmelzviskosität und die thermomechanischen Eigenschaften Dr. Lutwin Spix Quelle: M. Bonnet; Kunststofftechnik; 42 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! SpringerVieweg 2016 S.12 Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konstitution: Molekülmasse und Molekülmassenverteilung: Kleine Molekülmasse kurze Ketten gute Fließfähigkeit geringe Schmelzestabilität gut z.B. bei der Faserherstellung / Vliesstoff Hohe Molekülmasse lange Ketten schlechte Fließfähigkeit hohe Schmelzestabilität gut bei der Profilextrusion Für gute Verarbeitungseigenschaften wird oft eine Mischung von langen und kurzen Ketten gebraucht. (was bei der Einführung der „Metallocen“ Produkte ein Problem war) Durch Alterung und/oder Wiederverarbeitung/Recycling werden die Ketten irreversibel immer kürzer. Es verschiebt sich die Molekülmasseverteilung. Dr. Lutwin Spix 43 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konstitution: Molekülmasse und Molekülmassenverteilung: Für die 100 Zugfestigkeit ist Polyamid 6 Zugfestigkeit σB [MPa] ein Mindestwert 80 der Mw erforderlich 60 Danach keine signifikante 40 Steigerung mehr 20 0 400 000 200 000 600 000 1 000 000 800 000 1 200 000 0 1 600 000 2 000 000 1 800 000 1 400 000 Molekülmasse MW Prof. Dr. Chr. Barth 44 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konfiguration (Taktizität, Stereoregularität): Unterschiedliche Anordnung einzelner Atome oder Endgruppen bei gleicher Konstitution, z.B. bei Polystyrol: a) Isotaktisch b) Syndiotaktisch c) Ataktisch Prof. Dr. Chr. Barth 45 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konfiguration (Taktizität, Stereoregularität): Taktizität hat keinen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur Tg bestimmt, ob ein Kunststoff in der Lage ist zu „kristallisieren“ ataktische Anordnung kann nicht „kristallisieren“, weil die für eine Kristallisation notwendige Periodizität in alle Raumrichtungen fehlt. isotaktische und syndiotaktische Kunststoffe können teilkristalline Strukturen bilden und haben dadurch erheblich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten Dr. Lutwin Spix 46 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Konformation: Räumliche Anordnung der drehbaren Bindungen zueinander bei gleicher Konstitution + Konfiguration Prof. Dr. Chr. Barth 47 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Unterscheidungsmerkmale Konstitution Chemischer Aufbau des Moleküls Konfiguration Unterschiedliche Anordnung einzelner Atome oder Endgruppen bei gleicher Konstitution Konformation Räumliche Anordnung der drehbaren Bindungen zueinander bei gleicher Konstitution + Konfiguration Dr. Lutwin Spix 48 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Gefüge: amorphe Struktur Ungeordneter Molekülknäuel (Spaghettitopf), transparent Kristallisation wurde durch Verzweigungen oder Ataktizität verhindert Breiter Aufschmelzbereich (kurze Ketten zuerst) Beispiele: PVC, PS, ABS, SAN, PC Prof. Dr. Chr. Barth 49 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wiederholung Gefüge: amorphe Struktur Ataktisch Kettenmoleküle können verzweigt sein: Dr. Lutwin Spix 50 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Gefüge: teilkristalline Struktur Es sind auch amorphe Bereiche enthalten! Nur iso- und syndiotaktische Polymere können kristallisieren Schmelzpunkt (kein Bereich), höhere Festigkeiten, höherer E- Modul nicht transparent, sondern opak (Licht bricht an den Kristallgrenzen) Beispiele: PA, POM, PET, PP, PE Prof. Dr. Chr. Barth 51 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Wiederholung Gefüge: teilkristalline Struktur Isotaktisch Syndiotaktisch Dr. Lutwin Spix 52 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Video PE-HD PE-LD amorph / teilkristallin Dr. Lutwin Spix 53 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, …) Gefüge: teilkristalline Struktur Kunststoff Üblicher Dichte g/cm3 Kristalli- sationsgrad % kristallin amorph üblich Polyamid (PA 6) 20 - 45 1,22 1,07 1,14 Polyamid (PA 6.6) 35 - 60 1,24 1,09 1,15 Polyethylenterephthalat (PET) 30 - 40 1,455 1,335 1,38 Isotaktisches (Metallocen-katalysiertes) 50 - 70 0,943 0,852 0,91 Polypropylen (iPP) Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) 65 - 80 1,0 0,866 0,95 Polyethylen niedr. Dichte (PE-LD) 40 - 65 1,0 0,860 0,92 Die Dichten in der Tabelle sind theoretische Werte, die entstehen würden, wenn die Polymere entweder 100% „kristallin“ oder 100% „amorph“ vorliegen würden. Der Kristallisationsgrad wird insbesondere durch die Abkühlgeschwindigkeit aus der Schmelze in den Feststoff beeinflusst: nah zur Werkzeugwand weniger Kristallisation als im Kern „Nachkristallisation“ führt zu inneren Spannungen im Bauteil Dr. Lutwin Spix Quelle: W. Ehrenstein; Massenanalyse 54 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Hanser Verlag 2020; S.27 Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Verzweigungen und Vernetzungen lineare Polymere keine Verzweigungen und Vernetzungen verzweigte Polymere keine Vernetzung vernetze Polymere hochvernetzt = Duromer schwachvernetzt = Elastomer Dr. Lutwin Spix 55 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Linear oder verzweigt? Kettenmoleküle können (überwiegend) linear sein: Kettenmoleküle können verzweigt sein: Beispiel: PE-LD Verzweigte Kunststoffe sind nicht chemisch vernetzt! Verzweigungen behindern die Kristallisation Folge: Andere mechanische und thermische Eigenschaften als bei linearen Kettenmolekülen PE-LD: verzweigt Prof. Dr. Chr. Barth 56 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Linear oder verzweigt? Lineares PE: kann besser kristallisieren o hohe Härte o hohe Steifigkeit o hohe Dichte, weil kristalline Bereiche eine höhere Dichte als amorphe haben o PE-HD (High Density) o Synthese im Niederdruckverfahren Verzweigtes PE: Verzeigungen erschweren eine Kristallisation o geringe Härte o geringe Steifigkeit o niedrigere Dichte o PE-LD (Low Density) o Synthese im Hochdruckverfahren Dr. Lutwin Spix 57 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Änderung der Steifigkeit durch zunehmenden Verzweigungsgrad Linear oder schwach verzweigt Stark verzweigt Prof. Dr. Chr. Barth 58 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge…) Unterscheidungsmerkmale Chemischer Aufbau Konstitution o Chemischer Aufbau des Moleküls Polymerisationsmechanismus o Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition Bauprinzip Konfiguration (Taktizität, Stereoregularität) o Unterschiedliche Anordnung einzelner Atome oder Endgruppen bei gleicher Konstitution – ataktische Anordnung kann nicht „kristallisieren“, weil die für eine Kristallisation notwendige Periodizität in alle Raumrichtungen fehlt – isotaktische und syndiotaktische Kunststoffe können teilkristalline Strukturen bilden und haben dadurch erheblich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten Konformation o Räumliche Anordnung der drehbaren Bindungen zueinander bei gleicher Konstitution + Konfiguration Werkstofftechnische Einteilung nach Eigenschaften o Thermoplaste, Elastomere, Duromere Dr. Lutwin Spix 59 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!