Technologie der Kunststoffe

Frontmatter

Hinweise Arbeiten mit dem Lernund Arbeitsbuch

Zusammenfassung

Das vorliegende Buch „Technologie der Kunststoffe“ führt in die Welt der Kunststoffe ein. Die Verwendung des Plurals „Kunststoffe“ statt der singulären Form „Kunststoff“ zeigt schon, dass wir es mit einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe zu tun haben, die sich in ihrem Verhalten unter Wärmeeinfluss oder in ihrer Verarbeitbarkeit deutlich voneinander unterscheiden können. Sie werden aber alle der Werkstoffklasse der Kunststoffe zugeordnet, weil sie synthetisch hergestellt sind, was so viel heißt wie neu zusammengesetzt und somit in dieser Form nicht in der Natur vorkommen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

Hinweise Kurzzeichen und Abkürzungen

Zusammenfassung

Physikalische Größen

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

Einführung Kunststoff – ein künstlicher Stoff?

Zusammenfassung

In unserer Umgebung haben sich Kunststoffe im täglichen Gebrauch als völlig selbstverständlich durchgesetzt. Man macht sich weder bei der Verwendung von Gefrierbeuteln noch bei der Benutzung von Handys Gedanken darüber, warum diese Produkte aus Kunststoff sind.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

1. Lektion1: Grundlagen der Kunststoffe

Zusammenfassung

Der Name „Kunststoff“ steht nicht allein für ein Material. So wie man etwa mit „Metall“ nicht nur Eisen oder Aluminium bezeichnet, ist der Name „Kunststoff“ der Oberbegriff für viele in Aufbau, Eigenschaften und Zusammensetzung verschiedene Stoffe. Die Eigenschaften der Kunststoffe sind so vielfältig, dass diese oft an die Stelle von herkömmlichen Werkstoffen wie Holz oder Metall treten oder diese ergänzen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

2. Lektion 2: Rohstoffe und Polymersynthese

Zusammenfassung

Rohstoffe für die Kunststofferzeugung sind Naturstoffe wie Zellulose, Kohle, Erdöl und Erdgas. Den Molekülen dieser Rohstoffe ist gemeinsam, dass sie Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) enthalten. Es können auch Sauerstoff (O), Stickstoff (N) oder Schwefel (S) beteiligt sein. Der wichtigste Rohstoff für die Kunststoffe ist das Erdöl.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

3. Lektion 3: Einteilung der Kunststoffe

Zusammenfassung

Die Atome der Monomermoleküle, aus denen die Makromoleküle entstehen, sind durch Atombindungen, auch kovalente Bindungen genannt, miteinander verknüpft. Man kann diese Bindungen als Kräfte verstehen, die zwei Atome zusammenhalten. Allgemein werden in Bildern, die Moleküle zeigen, die Bindungen durch Striche dargestellt. Ein Beispiel ist das Monomer Ethylen (Bild 3.1).

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

4. Lektion 4: Formänderungsverhalten von Kunststoffen

Zusammenfassung

Unter Formänderungsverhalten versteht man, dass sich die Form eines Bauteils unter Last (Kraft) und Temperatur verändert. Mithilfe des Formänderungsverhaltens lässt sich der Unterschied zwischen einem teilkristallinen und einem amorphen Thermoplasten beschreiben.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

5. Lektion 5: Zeitabhängiges Verhalten von Kunststoffen

Zusammenfassung

In einem Zugversuch belasten wir gleichzeitig eine Kunststoff- und eine Metallprobe mit der gleichen Kraft. Die Proben dehnen sich – wie in Bild 5.1 gezeigt – aus. Würde man die Proben sofort wieder entlasten, würden sie wieder ihre ursprüngliche Länge einnehmen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

6. Lektion 6: Physikalische Eigenschaften

Zusammenfassung

Kunststoffe zeichnen sich im Vergleich zu anderen Werkstoffen durch eine recht geringe Dichte aus (Tabelle 6.1). Der Dichtebereich von Kunststoffen erstreckt sich von ungefähr 0,9 g/cm³ bis 2,3 g/cm³. Zu den Kunststoffen geringerer Dichte gehören z. B. die Massenkunststoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Beide Materialien besitzen eine geringere Dichte als Wasser.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

7. Lektion 7: Grundlagen der Rheologie

Zusammenfassung

Die Rheologie (griechisch) ist ein Teilgebiet der Physik und beschreibt allgemein das Fließverhalten von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig) unter dem Einfluss äußerer Kräfte.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

8. Lektion 8: Kunststoffanwendungen

Zusammenfassung

In dieser Lektion geht es darum, ein grundsätzliches Verständnis zu entwickeln für den Zusammenhang von Anforderungsprofilen, die sich aus der Verwendung der Produkte in ihrer typischen Umgebung ergeben und einer Lösungsfindung dafür mittels geeigneter Kunststoffe.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

9. Lektion 9: Aufbereitung von Kunststoffen

Zusammenfassung

Bisher wurde beschrieben, wie aus dem Rohstoff ein Kunststoff wird. Um eine gute Verarbeitung und entsprechende Eigenschaften im späteren Gebrauch dieses Kunststoffs zu gewährleisten, muss man ihn aufbereiten. Durch die Aufbereitung erlangt der Kunststoff also die nötigen Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften. Bild 9.1 gibt eine Übersicht der verschiedenen Aufbereitungsarten.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

10. Lektion 10: Extrusion

Zusammenfassung

Extrusion ist das kontinuierliche Herstellen von Endlos-Halbzeug aus Kunststoff. Die Produktpalette erstreckt sich von einfachen Halbzeugen wie Rohren, Tafeln und Folien bis hin zu komplizierten Profilen. Auch eine direkte Weiterverarbeitung des noch warmen Halbzeugs z. B. durch Blasformen oder Kalandrieren ist möglich. Da der Kunststoff bei der Extrusion völlig aufgeschmolzen wird und eine ganz neue Form erhält, zählt dieses Verfahren zu den Urformverfahren.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

11. Lektion 11: Spritzgießen

Zusammenfassung

Das Spritzgießen stellt das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff dar. Mit ihnen können Formteile von einigen Milligramm bis 100 kg hergestellt werden. Das Spritzgießen zählt zu den Urformverfahren. In Bild 11.1 ist der Spritzgießprozess schematisch dargestellt.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

12. Lektion 12: Faserverstärkte Kunststoffe (FVK)

Zusammenfassung

Bei faserverstärkten Kunststoffen (FVK) werden Fasern in thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe eingebettet. Den Kunststoff, der die Fasern trägt, bezeichnet man als Matrix. Als Fasern kommen z. B. Glas oder Kohlefasern (Carbonfasern) in Frage, wobei alle Fasern einen höheren E-Modul haben als der Kunststoff, in den sie eingebettet werden. Da hierdurch die Festigkeit des Kunststoffs erhöht wird, nennt man diese Gruppe von Kunststoffen „faserverstärkt“.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

13. Lektion 13: Kunststoffschaumstoffe

Zusammenfassung

Unter Kunststoffschaumstoffen versteht man Kunststoffe, in denen Gasblasen eingeschlossen sind. Der Raum, den die Gasblasen in solch einem Schaum einnehmen, beträgt bis zu 95 %, während der eigentliche Kunststoff nur ca. 5 % ausmacht. Als Beispiel soll ein Würfel mit dem Volumen von einem dm3 dienen. Dieser Würfel aus kompaktem Polystyrol wiegt ca. 1 Kilogramm. Der gleiche Würfel aus verschäumtem Polystyrol wiegt nur 20 Gramm.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

14. Lektion 14: Thermoformen

Zusammenfassung

Unter Thermoformen versteht man das Umformen von Kunststoffen unter Einfluss von Wärme und Kraft. Hierbei gibt es eine Vielzahl von Verfahrenstechniken. Zum Umformen thermoplastischer Kunststoffe hat sich die Krafteinbringung durch Druckluft und/oder Vakuum durchgesetzt.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

15. Lektion 15: Additive Fertigungsverfahren

Zusammenfassung

Die additive Fertigung (AF), die auch als generative Fertigung bezeichnet wird, ist ein Fertigungsverfahren, mit dem ein Formteil/Bauteil oder auch ein Halbzeug schichtweise aufgebaut wird, ohne dass ein formgebendes Werkzeuge zum Einsatz kommt. Die additive Fertigung unterscheidet sich somit von den Fertigungsverfahren, durch die Formteile/Bauteile mittels spanenden Abtrags oder durch urformende Verfahren wie z. B. Gießen, Pressen, Spritzgießen, Extrusion oder Umformen entstehen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

16. Lektion 16: Schweißen von Kunststoffen

Zusammenfassung

Unter dem Schweißen von Kunststoffen versteht man das Verbinden zweier Teile aus dem gleichen oder sehr ähnlichen Kunststoff unter Wärme und Druck. Die Verbindungsflächen, auch Fügeflächen genannt, werden zum Verschweißen in einen thermoplastischen, d. h. schmelzflüssigen Zustand gebracht. Dann werden die Flächen unter Druck aufeinander gefügt und die Verbindung abgekühlt bis sie formstabil ist.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

17. Lektion 17: Spanende Bearbeitung von Kunststoffen

Zusammenfassung

Zu den spanenden Verfahren der Kunststoffbearbeitung gehören: Sägen, Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen und Polieren.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

18. Lektion 18: Kleben von Kunststoffen

Zusammenfassung

Das Kleben von Kunststoffen dient als ganzflächige Verbindungstechnik. Im Gegensatz zur Schweißtechnik lassen sich alle Kunststoffarten, also auch Elastomere und Duroplaste kleben. Außerdem können auch sehr unterschiedliche Kunststoffe miteinander und mit anderen Materialien geklebt werden.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

19. Lektion 19: Kunststoffabfälle

Zusammenfassung

In den letzten Jahren sind Kunststoffabfälle zunehmend in den Mittelpunkt der Kritik gerückt. Die Problematik von Kunststoffabfällen lässt sich hauptsächlich an vier Punkten festmachen:

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

20. Lektion 20: Recycling von Kunststoffen

Zusammenfassung

Die Schlagworte sind bekannt: „Klimawandel“, „Verschmutzung der Meere“, „Endlichkeit der Rohstoffe“. An vielen dieser Zustände sind Kunststoffe direkt oder indirekt betroffen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

21. Lektion 21: Qualifizierung in der Kunststoffverarbeitung

Zusammenfassung

In 2019 arbeiteten mehr als 1,6 Millionen Menschen in der Kunststoffindustrie in ca. 60 000 Unternehmen in Europa. Die Beschäftigten erwirtschafteten einen Umsatz von über 350 Milliarden Euro. Die Kunststoffindustrie setzt sich aus den Kunststofferzeugern (Chemieindustrie), den Kunststoffmaschinenherstellern (Maschinenbau) und den Kunststoffverarbeitern (Verarbeitendes Gewerbe) zusammen.

Christian Hopmann, Helmut Greif, Leo Wolters

Backmatter