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Erschienen in:
Einführung in Polymer EngineeringBande Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

2020 | OriginalPaper | Buchkapitel

3. Eigenschaften von Kunststoffen in Bauteilen

verfasst von : Peter Eyerer

Erschienen in: Polymer Engineering 1

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Kap. 3 Band 1 ist, neben Kap. 1 Band 2, das umfangreichste Kapitel dieser 3 Bände. Es beginnt mit dem chemischen, gefolgt vom physikalischen Aufbau der Kunststoffe. Die Bindungsarten leiten das Kapitel ein. Der Zusammenhang zwischen Bindekräften und der mechanischen Festigkeit von Polyethylen schließt die Einführung ab. Die chemische Struktur von Kunststoffen wird ingenieurmäßig erläutert bis hin zum Einbau von Fremdatomen (Copolymerisation) und innere/äußere Weichmachung. Die physikalischen Ordnungszustände (amorph, teilkristallin) sowie die anwendungstechnischen Auswirkungen (Schwindung, Dichte) werden beschrieben. Vernetzte Zustände schließen an.
Abschn. 3.2 befasst sich mit der Charakterisierung von Zustandsbereichen in Kunststoffen. Es folgen die Abschn. 3.3 „Mechanische Eigenschaften“, 3.4 „Weitere physikalische Eigenschaften“ und 3.5 „Chemische Eigenschaften“. Abschn. 3.6 dürfte für den Leser wertvoll sein, weil hier Kurzcharakterisierungen von 33 Polymeren abgedruckt sind. Abschn. 3.7 behandelt Zusatzstoffe für Kunststoffe. Abschn. 3.9 behandelt die thermoplastischen Elastomere TPE), gefolgt von den Elastomeren in Abschn. 3.10. Abschn. 3.11 widmet sich den Polysiloxanen. Polymere und Faserverbunde aus natürlichen und synthetischen Rohstoffen (Abschn. 3.15) sowie Duroplaste (Abschn. 3.13) schließen Kap. 3 ab. Kap. 3 wurde umfangreich überarbeitet.

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Vorheriges Kapitel Synthese (Herstellung, Erzeugung) von (petrobasierten) Kunststoffen
Fußnoten
1
Schlagzähigkeit an (Kerbschlagzähigkeit ak) ist die vom ungekerbten (gekerbten) Probekörper verbrauchte Schlagarbeit, bezogen auf den kleinsten Querschnitt des Probekörpers vor dem Versuch.
 
2
Unter Fernordnung versteht man eine über die nächsten Nachbarn hinausgehende Ordnung der Makromoleküle bezüglich ihres Abstands voneinander, ihrer Anordnung und Orientierung. Der Begriff Nahordnung bezeichnet derartige Ordnungszustände, wenn sie sich nur auf die unmittelbaren Nachbarn erstrecken, wobei man davon ausgeht, dass diese Ordnungszustände durch die Wärmebewegung ständig abgebaut und wieder erneuert werden.
 
3
Eine Anzahl von Fachausdrücken und Definitionen zum Thema „Kautschuk und Elastomere“ ist genormt und findet sich in DIN 53 501.
 
4
vgl. die diesbezüglichen Aussagen auf den folgenden Seiten
 
5
s. unter Vulkanisation und Vulkanisationschemikalien
 
6
intermolekular … Schwingungen zwischen Molekülketten
 
7
intramolekular … Schwingungen von Atomen innerhalb eines Moleküls
 
8
hierbei werden die Molekülschwerpunkte beibehalten
 
9
in der Praxis bleibt stets ein kleiner Restbetrag (Verformungsrest, „Hysteresis“).
 
10
Dieses Verhalten ist beispielsweise bei der Bewertung des Verformungsrestes nach Zug- oder Druckbeanspruchung zu berücksichtigen. Da die Erholung bei Entspannung in heißem Zustand schneller verläuft als bei Entspannung nach Abkühlung, sind die Zahlenwerte der Verformungsreste (nach 30 min) entsprechend kleiner
 
11
Näheres zum Aufbau von Kautschukmischungen s. unter Zusammensetzung von Elastomerwerkstoffen.
 
12
Es handelt sich somit um einen Übergang 2. Ordnung.
 
13
Die Geschwindigkeit von Alterungsvorgängen wird wie alle chemischen Reaktionen durch die Gleichung von ARRHENIUS bestimmt, nach der Temperaturänderungen um jeweils 10 K bzw. 10 °C nach oben oder unten in erster Näherung eine Verdoppelung oder Halbierung der Reaktionsgeschwindigkeit bewirken.
 
14
Für die Darstellung in Abb. 3.256 wurde aus persönlicher Vorliebe auf eine ältere Fassung (02‚72) der Norm zurückgegriffen, da die Darstellung der Verhältnisse dort etwas leichter verständlich erscheint als in der Ausgabe (04‚93).
 
15
Verformbarkeit unter Druck ist nicht gleichbedeutend mit Kompressibilität! Gummi zeigt eine Querkontraktion n sehr nahe 0,5. Ein kraftschlüssig gekapseltes Elastomer verhält sich deshalb bei Druck auf die freie Fläche wie ein starrer Körper. Dies muss bei der Gestaltung von Einbauräumen beachtet werden. Kompressibilität ist nur mittels Porenstruktur (durch Treibmittel) oder lufthaltiger Füllstoffe (wie Kork) zu erreichen.
 
16
Eine Kategorisierung der verschiedenen Dichtungsarten wird z. B. in DIN 3760 vorgenommen.
 
17
Beispiel: Abkopplung eines schnelllaufenden Kraftfahrzeugmotors von der Karosserieeigenfrequenz
 
18
Beispiel: Frequenz eines langsamlaufenden Schiffsmotors und Deckeigenfrequenz.
 
19
Beispiel: Silikonelastomere
 
20
„Konjugierte“ Doppelbindungen als Bestandteile von Dienen im engeren Sinn bilden besonders reaktionsfreudige Systeme
 
21
Besonders reaktionsfähige Spielarten; sie vernetzen mit Metalloxiden (Zinkoxid) allein.
 
22
Entsprechendes trans-1,4-Polyisopren ist das thermoplastische Guttapercha (Balata). Dieses Beispiel verdeutlicht den Einfluss der cis-trans-„Isomerie“* (Konfiguration auf das Verarbeitungsverhalten der Polymere sowie die (visko-)elastischen Eigenschaften der daraus hergestellten Werkstoffe (s. auch unter Weitere R-Kautschuke).
 
23
Härtebereich Shore A; die Werte liegen im Allgemeinen zwischen ~ 40 und ~ 90. Bei Spezialkautschuken gibt es sowohl Einschränkungen als auch Erweiterungen dieses Bereichs in die eine oder andere Richtung.
 
24
Kohlenstoffatom, das mit drei anderen C-Atomen verbunden ist.
 
25
Damit werden zwar natürliches und synthetisches Polyisopren (IR) unterscheidbar, doch entstehen anderweitig Mehrdeutigkeiten (vgl. Abb. 3.264).
 
26
Society of Automotive Engineers (USA); s. auch Fußnote 32
 
27
vgl. unter CHLOROPRENKAUTSCHUK und WEICHMACHER
 
28
Verträglichkeit bedeutet hier Mischbarkeit; der Begriff wird also bei Elastomeren umgekehrt gebraucht wie in der Kunststofftechnik, wo Verträglichkeit z. B. bedeutet, dass keine Spannungsrisskontamination (Quellung) auftritt
 
29
Die Art, den „Ungesättigtheitsgrad“ zu bezeichnen, ist unterschiedlich; bei EPDM wird bisweilen die Zahl der C = C- Doppelbindungen je 1000 C-Atome angegeben. Im Rahmen dieser Abhandlung wird dieser Begriff jedoch durchgehend (siehe auch unter HYDRIERTER NITRILKAUTSCHUK sowie BUTYLKAUTSCHUK) als Zahl der C = C je 100 Monomerbausteine verstanden. Im Falle EPDM kann sie bis zu 9,5 betragen.
 
30
Geringe Mengen Chloropren in 1,2- statt in 1,4-Stellung (→ Cl in reaktiver „Allyl“-Stellung; vgl. auch Fußnote 51).
 
31
~5 °C bzw. 15–30 °C.
 
32
Chemische Verbindungen, die mit einem anderen Stoff eine (homöopolare) Bindung eingehen und sich dazu eines freien Elektronenpaares von diesem bedienen.
 
33
Der Ungesätigtheitsgrad von HNBR mit 34 Masse-% Acrylnitril kann bis knapp 6 % betragen.
 
34
unter Mitverwendung eines Aktivators (s. unter Vernetzung mit Peroxiden).
 
35
442 kJ/mol [286]
 
36
K von „(K)arbon“.
 
37
zur Erniedrigung der Glasübergangstemperatur.
 
38
zur Verbesserung der Gummi-Metall-Haftung.
 
39
z. Zt. sind dies ISO/DIS 4632, DIN 78 078, ASTM 2000 und SAE J 200. Alle diese Systeme nehmen in gleicher Weise die Grundeinteilung nach Temperaturbeständigkeit (Typ) und Quellverhalten (Klasse) vor; ISO 4632 und DIN 78 078 unterscheiden außerdem noch nach Eintritt der Kältesprödigkeit (Gruppe).
 
40
Zumindest ISO 4632 nimmt nur darstellbare Qualitäten auf.
 
41
CR-Mischungen, die Werkstoffe mit diesen Eigenschaften ergeben, sind in aller Regel „kurz“ und „scorch“ anfällig, d. h. die Zeitspanne bis zum Erreichen von Fmin+5 (Abb. 3.284) wird für die Verarbeitung zu kurz.
 
42
hier nach ansteigendem cis 1,4-Gehalt in den Polymerisaten geordnet.
 
43
s. auch unter Vorvernetzte Kautschuke.
 
44
Covulkanisation bedeutet gemeinsame Vernetzung der Komponenten zu einer zusammenhängenden Phase. Sie gibt sich unter anderem dadurch zu erkennen, dass im Verlauf des Verlustmoduls Λ über die Temperatur (vgl. Abb. 3.254) ein einziges (Misch-) Maximum auftritt. Voraussetzung ist neben (polarer) Verträglichkeit ein ähnliches Vernetzungsverhalten. Andernfalls fängt die schneller vulkanisierende Komponente den Vernetzer bevorzugt ab; es entstehen zwei Phasen, von denen jede sich mit ihrem typspezifischen Dämpfungsmaximum äußert.
 
45
Die früher zur Unterscheidung gebrauchten Kürzel E-SBR und L-SBR wurden offiziell 1995 abgeschafft.
 
46
SBR-Varianten mit Styrolgehalten bis zu 85 Masse-%, gelegentlich auch als SSBR bezeichnet, werden im Allgemeinen als härtende, aber weitgehend thermoplastische „Verstärkerharze“ (vgl. unter FÜLLSTOFFE) verwendet.
 
47
mit Polymerisationstemperaturen von ≥38 °C bzw. ≤10 °C.
 
48
Pkw- und leichte Lkw-Reifen, bei denen auf die höhere Elastizität von NR verzichtet werden kann.
 
49
<−90 °C
 
50
Je nach Variante 0,5 bis 3 %, entsprechend dem molaren Anteil Isopren; vgl. auch Fußnote 23
 
51
vgl. Fußnote 47
 
52
Der Chlorgehalt in CIIR-Handelsprodukten beträgt 1,2 – 1,3 Masse-%, der Bromgehalt in BIIR-Handelsprodukten 1,8 – 2,4 Masse-%.
 
53
CH2 = CH-CH2-x; ein chemisch aktives x, wie z. B. Halogen, führt zu einem „dienähnlichen“ Zustand.
 
54
Damit lässt sich auch die starke Zunahme der Rückprallelastizität mit der Temperatur (vgl. Abb. 3.261) erklären.
 
55
Sie sind indessen im Unterschied zu NBR und FKM gegen handelsübliche Ottokraftstoffe nicht beständig.
 
56
Oxidierter Ottokraftstoff; hier zeichnen vor allem höhere Olefingehalte verantwortlich. (In Deutschland sind Kraftstoffe mit solchen Gehalten derzeit nicht üblich). Sourgas enthält H2S.
 
57
373 kJ/mol [286]
 
58
~20–80 Shore A.
 
59
Spezifische Oberfläche (s. unter Füllstoffe) bis ca. 300 m2/g.
 
60
Halbwertszeit bei 122 °C: 1 min.
 
61
Silikonkautschuk ist mäßig mineralölbeständig, dabei mikroporös und deshalb besonders gas- und flüssigkeitsdurchlässig. Dies kann zwar einerseits zu lästigem „Durchtropfen“ von Öl führen, andererseits besitzen aber Silikondichtungen an bewegten Flächen gerade dadurch Notlaufeigenschaften.
 
62
Butandiol-1,4 kann sowohl als Kettenverlängerer zur Herstellung von Prepolymeren als auch zur Vernetzung herangezogen werden; die begriffliche Abgrenzung zwischen „Kettenverlängerer“ und „Vernetzer“ erscheint deshalb manchmal nicht eindeutig
 
63
ca. 70 Shore A – ca. 70 Shore D.
 
64
das heißt ca. 55–85 Shore A.
 
65
Diese Vernetzung wird bereits beim Hersteller, z. B. mit Divinylbenzol oder Ethylenglykol/Dimethacrylat, vorgenommen.
 
66
SAE J 200 ordnet beispielsweise EPDM sowohl AA als auch BA, CA und DA zu. Die unterschiedlichen Hitzebeständigkeiten sind auf verschiedenartige Vernetzungssysteme (Schwefel, Peroxid) zurückzuführen. DA schließt somit die niedrigeren Bewertungen automatisch ein.
 
67
Der starke Preisanstieg von AA nach HL sollte bei der Werkstoffwahl jedoch nicht zu einer allgemeinen Überschätzung der Bedeutung von Rohstoffpreisen für ein komplettes Endprodukt führen, da sich z. B. zeigen lässt, dass der Marktwert aller im Nicht-Reifenbereich eines Mittelklasse-Pkw eingesetzten Rohkautschuke auf weniger als 60 EUR zu veranschlagen ist.
 
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Metadaten
Titel
Eigenschaften von Kunststoffen in Bauteilen
verfasst von
Peter Eyerer
Copyright-Jahr
2020
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Buch
Polymer Engineering 1

Print ISBN: 978-3-662-59836-8

Electronic ISBN: 978-3-662-59837-5

Copyright-Jahr: 2020

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59837-5_3

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