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Kunsstoffe Donnerstag, 9. Januar 2025 08:27 Wieso sind Kunststoffe für so viele Anwendungen interessant? Geringe Dichte → geringes Gewicht Sehr breites Eigenschaftsspektrum Können in weiten Grenzen modifiziert werden Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit Vermög...

Kunsstoffe Donnerstag, 9. Januar 2025 08:27 Wieso sind Kunststoffe für so viele Anwendungen interessant? Geringe Dichte → geringes Gewicht Sehr breites Eigenschaftsspektrum Können in weiten Grenzen modifiziert werden Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit Vermögen vielfältigste Anforderungen abzudecken Hohe konstruktive Gestaltungsfreiheit Wirtschaftliche Verarbeitung Sehr gut recyclingfähig Zusammensetzung und Struktur Ausgangstoffe für die Gewinnung sind: ○ Erdöl, Erdgas oder Kohle, in denen sich Kohlenwasserstoffe hoch konzentriert Die Herstellung der künstlichen Werkstoffe, erfolgt durch die zusammen Knüpfung von einer Vielzahl an Monomere Sie werden zu einem faden- und Kettenartigen Makromolekül geknüpft, den Polymeren Zu den wichtigsten Monomeren zählen Ethylen, Propylen, Vinylbenzol (Styrol), Vinylchlorid, Formaldehyd, Tetrafluorethylen, Vi nylacetat und Methylmethacrylat Reaktionsmechanismen Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition Polymerisation: Die Polymerisation bezeichnet den Vorgang der fadenförmigen Aneinanderreihung durch eine aus- gelöste Kettenreaktion zwischen reaktionsfähigen Monomeren und Auflösung der Mehrfachbindung unter Einfluss von Katalysatoren. Dabei können sowohl Monomere gleicher Zusammensetzung als auch zwei oder mehrere Monomere unterschiedlicher Struktur zur Reaktion gebracht werden. Polykondensation: Polykondensation ist die stufenwiese Verbindung einer Vielzahl von Monomeren zweier unterschiedlicher Strukturen Formen zu einem Engmaschig vernetzten Makromolekül unter Abspaltung von Molekülen niederer Komplexität wie beispielsweise Wasser zwei unterschiedliche Moleküle verbinden sich zu Makromolekülen unter Abspaltung von Nebenprodukten (z.B. Wasser). Beispiele für Polykondensate: Polyester, Silicone, Melaminharze. Polyaddition: Bei der Polyaddition werden weit- oder engmaschige Polymerstrukturen durch wechselseitige Anlagerung verschiedener Monomere auf intermolekularer Ebene unter Platzwechsel von Wasserstoffatome erzeugt. Beispielsweise gehen Polyurethane und Epoxidharze auf diesen Reaktionstyp zurück Einteilung der Kunststoffe Die Bezeichnung für eine Kunststoff Gruppe erfolgt durch den bei der Erwärmung erkennbaren Unterschied im mechanischen Verhalten. Eigenschaft Thermoplaste Duroplaste Elastomere Molekularstruktur Fadenförmig verschlungene, unvernetzte Engmaschig und stark vernetzte Polymerstruktur Weitmaschig vernetzte Molekularstruktur Polymerstruktur Verformbarkeit Plastisch verformbar nach Erwärmung; Nicht plastisch verformbar; formbeständig auch bei Elastisch verformbar; kehrt nach Krafteinwirkung in Objektdesign Seite 1 Verformbarkeit Plastisch verformbar nach Erwärmung; Nicht plastisch verformbar; formbeständig auch bei Elastisch verformbar; kehrt nach Krafteinwirkung in verflüssigbar bei starker Wärmezufuhr Erwärmung die ursprüngliche Form zurück Temperaturverhal Hart und spröde bei Raumtemperatur; Formbeständig, kein Schmelzen, kein thermisches Verformen; Bleibt weitgehend unverändert bei Erwärmung; ten schmelzbar und brennbar bei hoher zerspanende Bearbeitung erforderlich nicht schmelzbar Temperatur Bearbeitungsmögl Schweißbar; gut bearbeitbar; geeignet für Nur zerspanend bearbeitbar; Formgebung oft am Einsatzort Schweißen oder thermische Bearbeitung nicht ichkeiten Spritzgießen oder Extrudieren durch chemische Aushärtung (z. B. Epoxide) möglich Typische Polystyrol, Polypropylen, Polyethylen Phenolharze, Aminoplaste, Epoxidharze Silikone, Kautschuk Vertreter Verwendung Herstellung von Halbzeugen und Formteilen in Einsatz als dauerhafte, hitzebeständige Komponenten Verwendung in elastischen Anwendungen wie großen Stückzahlen Dichtungen, Schläuchen oder Gummiartikeln Physikalische Eigenschaften Dichte: Kunststoffe haben eine geringe Dichte (0,9–2,2 g/cm³), niedriger als metallische Leichtwerkstoffe. Geeignet als Leichtbaumaterialien, z. B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Wärme- und Stromleitfähigkeit: Geringe Wärmeleitfähigkeit und stromisolierende Eigenschaften. Besonders geeignet für Kabelummantelungen und elektrische Gerätegehäuse. Gute Wärmedämmung, z. B. in Schaumstoffplatten für das Baugewerbe. Temperaturverhalten: Thermoplaste: schmelzen bei niedrigen Temperaturen, verspröden bei Kälte. Duroplaste: bleiben bei tiefen Temperaturen stabil. Elektrostatische Aufladung: Reibung führt zu elektrostatischer Aufladung. Kann Staub anziehen und bei Funkenbildung Brände oder Explosionen auslösen. Zusätze oder antistatische Beschichtungen nötig. Akustische Eigenschaften: Dichte Kunststoffe fördern Schallausbreitung. Offenporige Schaumstoffe sind schallabsorbierend. Reflexion von Schallwellen aufgrund geringer Masse kaum vorhanden. Oberflächenqualität: Hervorragende Oberflächen durch direkte Übertragung der Struktur von Werkzeugen (z. B. beim Spritzgießen). Oberflächen: von glatt-glänzend bis matt-diffus einstellbar. Transparenz und Farbe: Amorphe Kunststoffe (z. B. PMMA) ermöglichen glasklare Transparenz. Teilkristalline Kunststoffe sind opak oder milchig. Einfärbung möglich: deckend, durchsichtig oder transparent. Eigenschaft Amorphe Kunststoffe Teilkristalline Kunststoffe Molekularstruktur Ungeordnete, regellose Anordnung der Molekülketten Teilweise geordnete Bereiche (Kristallite) in einer ansonsten amorphen Struktur Transparenz Häufig transparent oder durchsichtig Meist opak (milchig oder undurchsichtig) Verhalten bei Erwärmung Schmelzen nicht direkt; haben einen definierten Erweichungsbereich Haben einen definierten Schmelzpunkt Mechanische Eigenschaften Spröder, weniger widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen Zäher, höhere mechanische Belastbarkeit Bearbeitbarkeit Lassen sich gut durch Thermoformen oder Spritzgießen bearbeiten Meist schwieriger zu bearbeiten Typische Anwendung Optische Bauteile, transparente Produkte Technische Bauteile, z. B. Zahnräder oder Gehäuse Beispiele Amorphe Kunststoffe: 1. PMMA (Polymethylmethacrylat): ○ Eigenschaften: Transparent, witterungsbeständig. ○ Anwendungen: Plexiglas, Verglasungen, Leuchten. 2. PC (Polycarbonat): ○ Eigenschaften: Hoch transparent, schlagzäh. ○ Anwendungen: Schutzhelme, Sicherheitsglas. 3. PS (Polystyrol): ○ Eigenschaften: Transparent, spröde. ○ Anwendungen: Verpackungen, CD-Hüllen. Teilkristalline Kunststoffe: 1. PE (Polyethylen): ○ Eigenschaften: Chemikalienbeständig, zäh. ○ Anwendungen: Folien, Behälter, Rohre. 2. PP (Polypropylen): ○ Eigenschaften: Geringe Dichte, hitzebeständig. ○ Anwendungen: Automobilteile, Verpackungen. 3. PA (Polyamid): ○ Eigenschaften: Hohe Festigkeit, gute Verschleißbeständigkeit. ○ Anwendungen: Zahnräder, Schrauben, technische Bauteile. Mechanische Eigenschaften: Vielfalt der Eigenschaften: ○ Mechanische Eigenschaften variieren stark je nach Kunststoffsorte. ○ Eigenschaften können auf den Anwendungsfall abgestimmt werden. Festigkeit: ○ Grundsätzlich geringere Festigkeit als Metalle. ○ Verbessert durch Faserzusätze (z. B. Glas- oder Kohlenstofffasern). ○ Mit Faserverstärkung mechanische Festigkeit, die Stahl übersteigen kann. Gleit- und Antihafteigenschaften: ○ Ideal für bewegliche Bauteile ohne Schmierung. ○ Technische Kunststoffe wie Polyacetal (POM) und Polyamid (PA) eignen sich besonders. Kombination aus selbstschmierenden Eigenschaften, hoher Verschleiß- und Schlagfestigkeit. Objektdesign Seite 2  ○ Kombination aus selbstschmierenden Eigenschaften, hoher Verschleiß- und Schlagfestigkeit. ○ Anwendung bei Zahnrädern wegen geringer Laufgeräusche. Dehnbarkeit und Verarbeitung: ○ Dehnbarkeit thermoplastischer Kunststoffe steigt durch Wärmezufuhr. ○ Gute Fließfähigkeit ermöglicht kostengünstige Verarbeitung und Formgebung. Chemische Eigenschaften: Korrosionsbeständigkeit: ○ Kunststoffe sind korrosionsbeständig und benötigen weniger Schutz als Metalle. ○ Häufig zur Beschichtung von weniger widerstandsfähigen Materialien verwendet. Chemikalienresistenz: ○ Höher als bei Edelstählen bei den meisten Kunststoffsorten. ○ Anfällig gegenüber Lösungsmitteln. Zusätze und Additive zur Verbesserung von Kunststoffeigenschaften: Compoundierung: ○ Verbesserung der Eigenschaften durch Beimischen von Stabilisatoren, Weichmachern, Füllstoffen, Farb- und Treibmitteln sowie Fasermaterialien. Funktion von Additiven: ○ Stabilisatoren: Erhöhen die Witterungsbeständigkeit. ○ Lichtschutzmittel: Reduzieren UV-Einfluss. ○ Treibmittel: Für die Herstellung von Schaumstoff notwendig. ○ Füllstoffe: Verändern Eigenschaften und strecken die Kunststoffmenge. ○ Weichmacher: Gegen Sprödigkeit, verbessern Bruchfestigkeit und Verformbarkeit (z. B. bei weichem PVC). ▪ Diskussion um gesundheitliche Risiken von Phthalaten (Weichmachern). Faserverstärkung von Kunststoffen: Allgemeine Vorteile: ○ Verbesserung der Festigkeit durch Einbettung von Glas-, Kohlenstoff-, oder Aramidfasern. ○ Kombination der Vorteile von Kunststoffen (geringe Dichte, leichte Verarbeitung) und Fasermaterialien (hohe Festigkeit). ○ Faseranteil in Verbundwerkstoffen üblicherweise 30–50 %. Fasertypen: ○ Endlos- und Langfasern: Für duroplastische Reaktionsharze geeignet. ○ Kurzfasern: Zur Verstärkung thermoplastischer Kunststoffe. Glasfasern (GFK): ○ Hohe Zugfestigkeit (bis 2400 N/mm²), geringe Dichte (2,6 g/cm³). ○ Wichtigstes Fasermaterial aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und niedrigen Preises. Aramidfasern (RFK): ○ Zäh, dehnfähig, schwer entflammbar, formbeständig bis 160 °C. ○ Einsatz: Schusssichere Westen, Flugzeugcockpits. ○ Markenname: Kevlar®. Kohlenstofffasern (CFK): ○ Sehr hohe Zugfestigkeit (bis 3600 N/mm²). ○ Einsatz: Flugzeug- und Raumfahrt, Segelflugzeugbau. Pflanzenfasern: ○ Leichter recycelbar, geräusch- und wärmedämmend, atmungsaktiv. ○ Anwendungen: Schutzhelme, Pkw-Innenverkleidungen. Lieferformen von Fasermaterialien: Rovings: ○ Parallel angeordnete Faserstränge (ca. 1 mm Durchmesser). ○ Verwendung: Faserwickeltechnik. Vliese: ○ Ungeordnete Fasern (geringere Festigkeitswerte). Gewebe/Geflecht: ○ Geordnete, verwobene Faserstränge, universell einsetzbar. Gelege: ○ Parallele Faserstränge, die mit dünnen Fäden zusammengehalten werden. Prepregs: ○ Fasermaterialien, die bereits mit Spezialharz imprägniert sind, Aushärtung durch Wärme. Vorstellung von einzelner Kunststoffe Materialtyp Eigenschaften Verwendungszwecke Verarbeitungsbeispiele Thermoplaste Polyethylen (PE) Hohe chemische Beständigkeit, leicht, flexibel Verpackungen, Folien, Rohre, Behälter Spritzgießen, Extrusion, Blasformen Polypropylen (PP) Hohe Steifigkeit, gute Wärmebeständigkeit, Automobilteile, Behälter, Möbel, Spritzgießen, Tiefziehen chemikalienbeständig Textilfasern Polystyrol (PS) Geringe Dichte, spröde, gute Verarbeitbarkeit Verpackungen, Lebensmittelbehälter, CD- Extrusion, Spritzgießen Hüllen Polycarbonat (PC) Schlagzäh, transparent, witterungsbeständig Schutzbrillen, CDs/DVDs, Spritzgießen, Extrusion Fahrzeugkomponenten Polyvinylchlorid (PVC) Hohe chemische Beständigkeit, vielseitig, flammhemmend Rohre, Fensterrahmen, Kabelisolierungen Extrusion, Spritzgießen Polyamid (PA) Hohe Festigkeit, gute Abriebfestigkeit Zahnräder, Gleitlager, Textilien (Nylon) Spritzgießen, Extrusion Polymethylmethacrylat (PMMA) Transparent, witterungsbeständig, steif Fenster, Werbedisplays, Leuchten Spritzgießen, Extrusion Polyoxymethylen/Polyacetal (POM) Hohe Festigkeit, gute Gleiteigenschaften Zahnräder, Gleitlager, technische Teile Spritzgießen Ethylenvinylacetat (EVA) Elastisch, schlagfest, gute Dämpfung Schuhsohlen, Sportgeräte, Folien Extrusion, Spritzgießen Fluorpolymere Chemisch resistent, hohe Temperaturbeständigkeit Dichtungen, Beschichtungen, PTFE-Bänder Extrusion, Spritzgießen Polyester Gute Festigkeit, chemikalienbeständig Textilien, Flaschen, technische Spritzgießen, Extrusion Anwendungen Objektdesign Seite 3  Anwendungen Zelluloseester Transparent, leicht formbar Filme, Lacke, Textilien Extrusion, Beschichtung Polyimide Hohe Wärmebeständigkeit, chemikalienbeständig Elektronik, Isolierungen, Luftfahrt Spritzgießen, Beschichtung Polymerblends Kombinierte Eigenschaften verschiedener Polymere Gehäuse, technische Bauteile Spritzgießen Duroplaste Polyesterharze Hohe Festigkeit, chemische Stabilität GFK-Bauteile, Boote, Tanks Laminieren, Gießen Epoxidharze (EP) Hohe Festigkeit, chemisch beständig Klebstoffe, Beschichtungen, Leiterplatten Gießen, Laminieren Phenolharze (PF) Hitzebeständig, elektrisch isolierend Elektronikbauteile, Bremsbeläge Pressen, Laminieren Aminoplaste Hohe Härte, chemikalienbeständig Melaminharzgeschirr, Elektrogehäuse Pressen Duroplaste/Elastomere – Polyurethan Hohe Elastizität oder Festigkeit (je nach Typ) Matratzen, Lacke, Isolierungen Schäumen, Spritzen (PUR) Elastomere Gummi-Elastomere Elastisch, hitzebeständig Dichtungen, Reifen, Schläuche Vulkanisation Elastomere - Silikone Temperatur- und chemikalienbeständig Dichtungen, Implantate, Backformen Extrusion, Vulkanisation Elastomere - Thermoplastische Elastomere Kombiniert Elastizität und einfache Verarbeitung Griffe, Dichtungen, Spielzeug Spritzgießen, Extrusion (TPE) Polymerschäume Leicht, dämpfend, wärmeisolierend Verpackungen, Dämmstoffe, Matratzen Schäumen, Forme Objektdesign Seite 4