Kunststoffchemie für Ingenieure

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Einführung

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Als Werkstoffe werden alle festen Materialien wie Holz, Stahl, NE-Metalle, Leder, Steine, Glas, Keramik, Kunststoffe bezeichnet, die sich zur Herstellung von Werkstücken, beispielsweise Maschinenteilen und Gebrauchsgegenständen eignen.

3. 2. Grundlagen

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Die Bezeichnung Kunststoffe geht auf Dr. Richard Escales, den Begründer einer Zeitschrift zurück, die erstmals im Jahre 1911 unter dem Titel „Kunststoffe“ erschien und sich mit der Erzeugung und Verwendung veredelter oder chemisch hergestellter

4. 3. Technologie der Ver- und Bearbeitung von Kunststoffen

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Der Begriff Technologie wird im wissenschaftlichen Sinne für die beschreibende Lehre von der Gewinnung und/oder Verarbeitung von Roh- und Werkstoffen verwendet.

5. 4. Polyolefine

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Polyethylen ist ein teilkristalliner, unpolarer, durch radikalische oder katalytische Kettenpolymerisation herstellbarer Thermoplast unterschiedlicher Dichte und einer Glasübergangstemperatur von T_g –110 bis –20 °C. Je nach Polymerisationsbedingungen entstehen Makromoleküle, die sich in ihrer mittleren Kettenlänge, mittleren Molmasse, Molmassenverteilung und in ihrem Verzweigungsgrad, sowie im Gehalt oder in der Verteilung von Comonomeren unterscheiden. Daraus lassen sich vier Haupttypen ableiten: PE-LD (PE niedriger Dichte) ist ein vielfach verzweigtes Homopolymer bzw. Copolymer und enthält neben Kurz- auch Langkettenverzweigungen.

6. 5. Halogenierte Kunststoffe I

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Hart-PVC, offizielles Kurzzeichen PVC-U (Unplasticized), ein polarer Thermoplast mit einem Kristallinitätsgrad von rund 2%. Anfangs fest und hart, jedoch ohne zusätzliche Schlagzähmodifizierung spröde und besitzt eine sehr gute Säure- und Basenbeständigkeit.

7. 6. Polystyrol-Kunststoffe

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Polystyrol-Kunststoffe zählen traditionell zu den amorphen und preiswerten Thermoplasten und lassen sich in zwei Gruppen einteilen.

8. 7. Ester-Thermoplaste

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel sind solche Thermoplaste zusammengefasst, bei denen entweder in der Hauptkette regelmäßig Ester-Gruppen anzutreffen sind oder die Ester-Gruppen sich in Seitenketten befinden.

9. 8. Stickstoff-Thermoplaste

   Wolfgang Kaiser

   Zusammenfassung

   Stickstoff-Thermoplaste sind Polymere, deren aliphatische bzw. cyclo-aliphatische oder aromatische Kettenglieder entweder durch die stickstoffhaltigen Amidgruppen (Polyamide, PA), Urethangruppen (Polyurethane, PUR) bzw. Imidgruppen (Polyimide, PI) regelmäßig verknüpft sind oder bei denen sich der Stickstoff in Form von Nitrilgruppen (Polyacrylnitril, PAN), in Seitengruppen angeordnet, befindet.

10. 9. Acetal- und Ether-Thermoplaste

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Acetal- und Ether-Thermoplaste bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen, deren Kettenglieder „Z“ durch einfach gebundene Sauerstoffatome −[Z−O−Z]_n− verknüpft sind. Im Unterschied zu den Ether-Thermoplasten, bei denen „Z“ aliphatischer, cycloaliphatischer oder aromatischer Natur sein kann und es in Verbindung mit Sauerstoff zur klassischen Etherbindung kommt, tritt in den Polyacetalen nur die Methylengruppe, −CH₂−, bzw.

11. 10. Halogenierte Kunststoffe II

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    PTFE ist ein unverzweigter hochkristalliner, durch Kettenpolymerisation herzustellender Kunststoff, vgl. Abschnitt 2.2.1. Da es beim Erwärmen – in der Regel – nicht schmelzbar-flüssig, sondern nur gummiartig weich wird, gehört PTFE zur Gruppe der so genannten Thermoelaste, vgl. Abschnitt 2.6.2. PTFE ist extrem unpolar, daher haftfeindlich (antiadhäsiv) und kaum benetzbar. Sehr groß ist sein Temperaturanwendungsbereich.

12. 11. Duroplaste

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Die Duroplaste, präziser wäre der Begriff Thermodure, bestehen im ausgehärteten Endzustand aus engmaschig chemisch vernetzten Makromolekülen, vgl. Abschnitt 2.1.2. Sie sind unlöslich, nicht mehr schmelzbar und bis zur Zersetzung fest, weisen jedoch beim Erwärmen eine geringe Erweichung auf, vgl. Abschnitt 2.6.2.2. Aus den niedermolekularen Ausgangsstoffen (Monomere) werden daher zunächst unvernetzte bzw. nur wenig vernetzte, noch plastisch formbare und ebenfalls noch relativ niedermolekulare Zwischenstufen/Vorprodukte hergestellt, die – als Harze bezeichnet – für die eigentliche Vernetzung zum Duroplast dienen.

13. 12. Hochleistungspolymere

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und die Erhöhung der Temperatureinsetzbarkeit sind wichtige Ziele bei der Entwicklung neuer Polymere. Seit Anfang der sechziger Jahre des letzten Jahrhunderts waren vor allem die Fortschritte in der Flugzeug-, Flugkörper-, Raumfahrt- und Kerntechnik Anlass für intensive Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Hochleistungspolymere.

14. 13. Elastomere

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Elastomere sind Polymere mit weich-elastischen („gummielastischen“) Eigenschaften bei Gebrauchstemperatur. Das bedeutet, dass diese Polymere bei Belastung hohe Dehnbarkeit zeigen und bei Entlastung mehr oder weniger vollständig wieder in ihre Ausgangsform zurückspringen. Ursache dieses Verhaltens sind weitmaschige dreidimensionale chemische oder physikalische Vernetzungen zwischen beweglichen benachbarten Kettenmolekülen, vgl. Bild 13.1. Meist weit unter 0 °C „frieren“ diese Polymere ein und werden hart, fest und unbeweglich, d. h. sie verlieren dabei ihre gummielastischen Eigenschaften („Verglasung“), vgl. Abschnitt 2.6.2.2.

15. 14. Schaumstoffe

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Grundsätzlich ist (fast) jedes Polymer zur Schaumstoffherstellung geeignet. Vor allem aus Gründen der Verfahrens- und Anwendungstechnik, aber auch aus wirtschaftlichen Aspekten kennt die Praxis jedoch nur rund ein Dutzend Polymere, die dafür in Frage kommen. Die Eigenschaften werden zur Hauptsache durch das Polymer (als Gerüstbildner), das Raumgewicht RG, die Geometrie und Anzahl der Poren sowie durch die Zellstruktur (z. B. offenzellig) bestimmt. Einzelheiten zur Verfahrenstechnik finden sich im Abschnitt 3.5.8 Schäumen. Die größte Bedeutung haben Schaumstoffe auf der Basis von Styrolpolymeren und Polyolefinen sowie insbesondere Polyurethanen gewonnen. Der Anteil der geschäumten Kunststoffe am Gesamtverbrauch aller Kunststoffe beträgt etwa 8%. Fast 2/3 davon entfallen auf die PUR-Schaumstoffe.

16. 15. Kunststoffe als Sonderwerkstoffe

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Der vielfach verwendete Ausdruck „Werkstoffe nach Maß“ fußt im Grundsatz auf den in Kapitel 2 besprochenen Möglichkeiten, wie sich ein Kunststoff durch chemische und/oder physikalische Maßnahmen in seinen Eigenschaften „verbessern“ lässt.

17. 16. Gesundheits-, Sicherheits- und Nachhaltigkeitsaspekte

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Als Einleitung zu diesem Kapitel eignet sich vortrefflich der Hauptsatz der Kunststofftechnik, der einen Kunststoff als („komplexe“) Mischung definiert; vgl. Abschnitt 2.5.3. Daraus lässt sich ableiten, dass für die ersten zwei Themen vor allem Additive und der Umgang mit ihnen im Fokus stehen, z. B. Glasfasern, Härter, Flammschutzmittel und dergleichen. Es lohnt sich daher in jedem Fall, Abschnitt 16.2.1 bis Abschnitt 16.2.4 sorgsam zu lesen. Denn jeder Unfall ist einer zu viel!

18. 17. Recycling und Umweltschutz

    Wolfgang Kaiser

    Zusammenfassung

    Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt auf einer objektiven Betrachtung der aktuellen Möglichkeiten des Kunststoffrecyclings. Als Einstieg empfiehlt es sich, dafür Abschnitt 1.2 Bedeutung der Kunststoffe in Erinnerung zu rufen.

19. Backmatter