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2019 | Buch

Werkstoff-Führer Kunststoffe

Eigenschaften - Prüfungen - Kennwerte

verfasst von: Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke

Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Aufbau und Verhalten von Kunststoffen

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1. Grundlagen

Kunststoffe sind hochmolekulare Werkstoffe (Polymere), die heute noch überwiegend auf Erdölbasis hergestellt werden. Biopolymere (s. Abschnitt 16.3) auf der Basis nachwachsender Rohstoffe, auch als technische Kunststoffe, finden immer mehr Anwendung.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
2. Bildung von Makromolekülen

Polymerisation (nach IUPAC: Additionspolymerisation als Kettenreaktion APK) ist die Verkoppelung von reaktionsfreudigen Monomeren durch Aufbrechen der Doppelbindungen und damit ein „Aneinanderhängen“ von Einzelbausteinen zu Ketten ohne Abspaltung von Nebenprodukten.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
3. Strukturen von thermoplastischen Kunststoffen

Im normalen Zustand liegen die Ketten- oder Makromoleküle von amorphen Thermoplasten im ungeordneten, verknäuelten Zustand (Bild 1.1) vor, z. B. bei PS, PMMA, PC.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
4. Polymerkombinationen

Bei vielen Kunststoffen erfolgt der Aufbau aus nur einer Monomerart, man spricht dann von einem Homopolymerisat, z. B. PE und PS.Zur gezielten Beeinflussung von Kunststoffeigenschaften (Modifizierung) in eine bestimmte Richtung oder zur Kombination verschiedener Eigenschaften von Grundkunststoffen, stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, die erst die große Vielfalt der Kunststoffe als „Werkstoffe nach Maß“ ermöglichen.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
5. Zusatzstoffe

In Kunststoffen sind bereits durch die Herstellung Stoffe, wie z. B. Emulgatoren und Katalysatoren in kleinen Mengen enthalten. Bei der Konfektionierung (Compoundierung) der Kunststoffe zu verarbeitungsfähigen Formmassen und Granulaten werden üblicherweise Zusatzstoffe in bestimmten Mengen als Verarbeitungshilfen und zur Eigenschaftsänderung zugegeben: Füll- und Verstärkungsstoffe zur gezielten Eigenschaftsverbesserung Stabilisatoren gegen thermische Schädigungen bei der Verarbeitung und als Alterungs-und UV-Schutz im Gebrauch Gleitmittel als Verarbeitungshilfen bei Thermo- und Duroplasten Farbmittel zur Einfärbung Nukleierungsmittel zur Verbesserung der Kristallisation bei teilkristallinen Thermoplasten und dadurch zur Verkürzung der Zykluszeit Weichmacher und Flexibilisatoren zur Erhöhung der Schlagzähigkeit Flammschutzmittel zur Reduzierung der Entflammbarkeit leitfähige Zusatzstoffe, z. B. Ruße zur Verminderung der Widerstandswerte Antistatika gegen elektrostatische Aufladung Festschmierstoffe zur Verbesserung der Gleiteigenschaften Treibmittel zur Schaumstoffherstellung Haftvermittler zur Verbesserung der Haftung zwischen Kunststoff und Verstärkungsstoffen Antibakterielle und antifungizide Zusätze Sauerstoffabsorber für Lebensmittelverpackungen.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
6. Verhalten von Kunststoffen

Die grundlegenden Eigenschaften der Kunststoffe können aus ihrem inneren Aufbau hergeleitet werden. So leiten die Kunststoffe elektrische und Wärmeenergie schlecht, d. h. sie sind Isolatoren, da sie infolge der Elektronenpaarbindungen keine freien Elektronen besitzen. Die Dichte der Kunststoffe ist gegenüber anderen Werkstoffen verhältnismäßig niedrig infolge eines relativ „lockeren“ Aufbaus. Die thermische Beständigkeit ist eingeschränkt, da bei diesen organischen Werkstoffen schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen Erweichung bzw. Zersetzung eintritt.

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7. Verarbeiten von Kunststoffen

Bei Kunststoffen sind Fertigungsverfahren möglich, die besonders für die Herstellung von Massenteilen bzw. Endlosprofilen geeignet sind. Eine Nacharbeit ist meist nicht erforderlich (siehe Abschnitt 7.1). Zur Verarbeitung von Kunststoffen werden spezielle Verarbeitungsmaschinen verwendet.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
8. Kunststoffe – Umwelt und Recycling

Kunststoffe sind aus unserer heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Ihr Verbrauch wächst weiter, wenn auch langsamer als früher. Durch grundlegend neue Werkstoff-Entwicklungen und neue Verarbeitungstechniken ergeben sich immer weitere Anwendungsfelder, aber auch immer mehr Umstände, bei denen die Verwendung von Kunststoffen Beeinträchtigungen der Gesundheit oder der Umwelt zur Folge haben können.

Georg Clauss

Kunststoffe als Werkstoffe

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9. Kennzeichnung und Normung von Kunststoffen

Im vorliegenden Werkstoff-Führer Kunststoffe wurde bei der Angabe von Kurzzeichen für Kunststoffe und Polymerblends auf DIN EN ISO 1043 zurückgegriffen. Im Inhaltsverzeichnis sind die im Werkstoff-Führer Kunststoffe behandelten Kunststoffe aufgeführt. Von den einzelnen Kunststoffen gibt es zahlreiche Modifikationen als Copolymerisate, Polymerisatmischungen, Polymerblends, Compounds, Rezyklate usw. mit unterschiedlichen Abwandlungen der Grundeigenschaften. Die Begriffe Polymerisatmischung, Polymerblend und der ältere, aus der Metallkunde entlehnte Begriff, Polymerlegierung bezeichnen dabei alle Mischungen von Polymeren. In Tabelle 9.1 sind die wichtigsten Kunststoffe aufgeführt.

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10. Thermoplaste

Polyolefine sind teilkristalline Thermoplaste, die sich durch eine gute chemische Beständigkeit und gute elektrische Isoliereigenschaften auszeichnen. Da sie sich nach fast allen üblichen Verfahren leicht verarbeiten lassen und preiswert sind, finden sie eine so breite Anwendung, dass sie heute zur wichtigsten Kunststoffgruppe geworden sind.

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11. Spezielle Kunststoffe zum Einsatz bei höheren Temperaturen (Hochleistungskunststoffe)

Üblicherweise wird bei thermoplastischen Kunststoffen durch den Einbau von Benzolringen in die Molekülkette eine Wärmebeständigkeit bis ca. 130 °C erreicht, z. B. bei PC, PET/PBT. Die Grenztemperaturen für den Einsatz von duroplastischen Kunststoffen liegen bei ca. 150 °C. Fluorhaltige Kunststoffe können zwar bei viel höheren Temperaturen beansprucht werden, eignen sich jedoch wegen der niedrigen Festigkeit und Steifigkeit und des starken Kriechens unter Belastung nicht als Konstruktionskunststoffe. Eine weitere Erhöhung der Temperatureinsatzgrenzen von Kunststoffen wird erreicht durch enge Verknüpfung von Benzolringen über Sauerstoffatome, Sulfongruppen oder Schwefelatome.

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12. Duroplaste

Duroplaste werden in sehr unterschiedlichen Formen angeboten, als Harze R, rieselfähige Formmassen PMC, Prepregs in Form von SMC (Sheet moulding compounds), BMC (Bulk moulding compounds) und DMC (Dough moulding compounds).

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1. Verbundsysteme

Zur Verbesserung der Eigenschaften von Kunststoffen gibt es eine Vielzahl von Kunststoff-Verbundsystemen. Große Bedeutung haben, wegen der erhöhten Festigkeitseigenschaften und Steifigkeiten, die Faser-Verbundsysteme mit duroplastischer Matrix (GFK), und die Verstärkung thermoplastischer Kunststoffe mit unterschiedlichen Fasern (GF, CF, AF, NF), Pulvern (MD) und Kunststoff-Nanoröhrchen (CNT). Durch die Blendtechnik lassen sich die thermoplastischen Kunststoffe in einem weiten Bereich in ihren Eigenschaften beeinflussen. Möglich ist dabei z. B. eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit, der Lackier- und Galvanisierbarkeit; Erhöhung der Schlagzähigkeit auch bei tiefen Temperaturen, Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit, Verringerung der Spannungsrissbildung und Brennbarkeit.

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14. Elastomere

Elastomere sind natürliche oder synthetische Stoffe mit hoher Elastizität, niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Dehnbarkeit. Das viskoelastische Verhalten folgt teilweise dem Hookeschen Gesetz idealer fester Körper als auch dem Newtonschen Gesetz idealer Flüssigkeiten. Die Gummielastizität (Entropieelastizität) wird bei den klassischen Elastomeren durch eine mehr oder weniger weitmaschige Vernetzung der Makromoleküle erreicht, bei den thermoplastischen Elastomeren durch den entsprechenden molekularen Aufbau. Die GlasübergangstemperaturenTg der Elastomere liegen meist weit unterhalb 0 °C.

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15. Schaumstoffe, geschäumte Kunststoffe

Allgemein versteht man unter Schaumstoffen nach DIN 7726 „Werkstoffe mit über die gesamte Masse verteilten Zellen (offen, geschlossen oder beides) und einer Rohdichte, die niedriger ist als die Dichte der Gerüstsubstanz“. Schaumstoffe werden aus Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren hergestellt. Theoretisch können alle Kunststoffe geschäumt werden, in der Praxis werden aber nur wenige Kunststoffe in geschäumter Form, d. h. mit zelligem Aufbau eingesetzt.

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16. Sonderpolymere

Es handelt sich um sog. Liquid-Crystal-Polymere, LCP oder flüssig-kristalline Kunststoffe.Ein neuer Weg, die Festigkeit von thermoplastischen Kunststoffen in spritzgegossenen Formteilen oder extrudierten Halbzeugen zu erhöhen, besteht in der Möglichkeit, kristalline Strukturen, die bereits im Kunststoff vorhanden sind, bei der Verarbeitung zu orientieren. Es handelt sich dabei um steife, stäbchenförmige Makromoleküle, die bei der Verarbeitung als feste Phase erhalten bleiben und gewissermaßen in einer geschmolzenen, amorphen Phase „schwimmen“. Dadurch wird die gute Verarbeitbarkeit (Schmelze als flüssige Phase) gewährleistet und ein günstiges Fließverhalten im Werkzeug erreicht. Bei der Erstarrung werden die „Molekülstäbchen“, insbesondere in den Randzonen stark orientiert und so eingefroren. Diese hochorientierten Bereiche wirken bei Zug- oder Biegebeanspruchung ähnlich wie Faserverstärkungen, jedoch mit wesentlich höherem Verstärkungseffekt.

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Prüfung von Kunststoffen, Kennwerte

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17. Auswertung von Prüfergebnissen

In Prüfberichten sollten bei statistischer Auswertung von Prüfergebnissen folgende Punkte enthalten sein: Hinweis auf die entsprechende Prüfnorm Angabe der Prüfbedingungen vollständige Kennzeichnung des geprüften Kunststoffs, einschl. Art, Herkunft, Produktbezeichnung des Herstellers, Güteklasse, Vorgeschichte usw. Probekörperform mit genauen Abmessungen

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18. Einfache Methoden zur Erkennung der Kunststoffart

Bei den im Folgenden beschriebenen einfachen Methoden zur Erkennung der Kunststoffart handelt es sich um eine Auswahl von Erkennungsmöglichkeiten, die ohne chemisches Laboratorium mit einfachen Mitteln durchgeführt werden können. Es muss jedoch auf die Grenzen der Verfahren hingewiesen werden: Bei Copolymerisaten, Polymerisatmischungen und bei Kombinationen von Duroplasten sind – wenn überhaupt – allenfalls die Komponenten, nicht aber deren mengenmäßige Anteile bestimmbar. Weichmacher, Stabilisatoren, Emulgatoren und andere Beimengungen können mit diesen einfachen Methoden nicht erkannt werden. Genaue Untersuchungen sind möglich u. a. durch thermische Analysen (DSC, TGA), Infrarotspektroskopie (FT-IR), Verfahren die in Kap. 19 beschrieben sind.

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19. Physikalische Untersuchungsmethoden zum Erkennen der Kunststoffart

DIN EN ISO 845 Schaumstoffe aus Kautschuk und Kunststoffen – Bestimmung der Rohdichte DIN EN ISO 1183 Kunststoffe – Verfahren zur Bestimmung der Dichte von nicht verschäumten Kunststoffen

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20. Datenkatalog für Prüfungen, Herstellungsbedingungen für Probekörper, Prüfverfahren zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten

Bei der Ermittlung von Kunststoffdaten üben die Verarbeitungs- und Prüfbedingungen einen wesentlichen Einfluss auf die ermittelten Kennwerte aus. Daher war es notwendig, internationale Vereinbarungen zu treffen, um die Prüfergebnisse vergleichbar zu machen und sie für die Aufnahme in Datenbanken vergleichbar zur Verfügung zu stellen.

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21. Mechanische Prüfungen

Die angegebenen Dehnungswerte werden mit einem Feindehnungsmessgerät an der Messlänge L0 gemessen. BruchdehnungεB und Dehnung bei ZugfestigkeitεM werden ermittelt, wenn der Bruch vor Erreichen eines Streckpunktes oder im Streckpunkt erfolgt; es wird auf die Messlänge L0 bezogen.

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22. Thermische Prüfungen

Für den Einsatz von technischen Formteilen aus Kunststoffen ist die Formbeständigkeit in der Wärme besonders wichtig. Die durch verschiedene Prüfverfahren ermittelten Kennwerte der Formbeständigkeit in der Wärme lassen jedoch keine Aussage zu über die maximale Gebrauchstemperatur der Kunststoffe. Kennwerte für Kunststoffe sind nur dann vergleichbar, wenn sie nach dem gleichen Verfahren ermittelt wurden. Art der Temperatureinwirkung (Bäder, Wirbelbett oder Gase), Form der Kunststoffteile und Herstellungsbedingungen haben großen Einfluss. Keinesfalls kann deshalb aus dem Kennwert eines Verfahrens auf Kennwerte nach einem anderen Verfahren umgerechnet werden, da die Beanspruchungsarten zu verschieden sind.

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23. Brennverhalten von Kunststoffen

In den Normen heißt es teilweise „Brandprüfung bzw. Brandverhalten“ und teilweise „Brennverhalten“; es besteht (noch) keine einheitliche Bezeichnung.

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24. Elektrische Prüfungen

Kunststoffe als organische Werkstoffe haben meist gute elektrische Isoliereigenschaften und werden daher oft als Isoliermaterialien eingesetzt. In solchen Fällen sind die elektrischen Eigenschaften von großem Interesse. Durch gezielte Beeinflussung kann jedoch auch bei Kunststoffen die elektrische Leitfähigkeit erhöht werden (vgl. Abschnitt 16.2). Durch internationale Vereinheitlichung wurden viele DIN-Normen und VDE-Richtlinien durch internationale Normen ersetzt. Viele VDE-Richtlinien entsprechen den IEC-Normen.

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25. Optische Prüfungen

Durch die Brechzahl (Brechungsindex) können Kunststoffe differenziert werden. Man kann mit dieser einfachen Methode auf die Zusammensetzung eines Kunststoffs schließen und insbesondere die Polymerisation überprüfen. Aus dem Temperaturkoeffizienten der Brechzahl kann auch das Erweichungsintervall bestimmt werden.

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26. Wasseraufnahme und Permeation

Bei Einwirkung von Wasser oder feuchter Luft nehmen Kunststoff-Formteile Wasser auf, wobei die aufgenommene Wassermenge stark vom chemischen Aufbau und der Zusammensetzung des Formstoffs abhängig ist. Polare Kunststoffe, wie PA, PUR und Celluloseester, nehmen viel Feuchte auf, unpolare Kunststoffe, wie PE, PP, PS und PTFE, dagegen sehr wenig. Besonders saugfähige Zusatzstoffe und hydrophile Bestandteile, wie Holzmehl, Papier und organische Gewebe sowie Emulgatoren, erhöhen naturgemäß die Neigung zur Wasseraufnahme.

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27. Schwindung, Schrumpfung

Eine der wichtigsten Aufgaben in der Kunststoffverarbeitung ist die Minimierung von Maß- und Geometriefehlern an Spritzguss- und Pressteilen. Die gemessenen linearen Schwindungswerte hängen auch vom Formteilverzug ab.

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28. Chemische Beständigkeit von Kunststoffen

Siehe auch Normen über Spannungsrissbildung (Abschnitt 31.2.2) und DIN EN ISO 22088:Beständigkeitstabellen sind auch in CAMPUS 4.5 enthalten. Siehe auch Normen über Spannungsrissbildung (Abschnitt 3.1.2.2).

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29. Viskositätsmessungen

Die Viskosität (Fließfähigkeit) ist in erster Linie ein Maß für die mittlere molare Masse (Molekulargewichtsverteilung). Die Viskositätsprüfungen dienen zur Wareneingangsprüfung von thermoplastischen Formmassen, zur Überwachung der Gleichmäßigkeit der Chargen und zur Beurteilung der Verarbeitungsmöglichkeit z. B. durch Spritzgießen und Extrudieren. Bei den verschiedenen Verarbeitungsprozessen von thermoplastischen Formmassen treten Veränderungen im Aufbau auf, z. B. Kettenabbau, thermische Schädigungen usw., die sich als Änderung der Viskosität im Formstoff äußern.

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30. Materialeingangsprüfungen

Zur Herstellung von Präzisions-Formteilen oder sonstigen technisch hochwertigen Produkten sind bestimmte Eingangskontrollen unumgänglich. Die Formteilhersteller (Verarbeiter) haben sich auch Gewissheit zu verschaffen, dass die eingehenden Kunststoff-Rohstoffe den Herstellerangaben entsprechen und mit den Normen übereinstimmen. Prüfzertifikate der Rohstoffhersteller können den Prüfaufwand entsprechend verringern. In vielen Fällen genügen folgende einfache betriebsnahe Materialeingangsprüfungen:

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31. Prüfung von Kunststoff-Formteilen

Das Verhalten von Kunststoff-Formteilen ist abhängig von den Herstellungsbedingungen und von der konstruktiven Gestaltung des Formteils. Deshalb können Kennwerte des Kunststoffs, die an speziellen Probekörpern ermittelt wurden, meist nur als Anhaltswerte für das Verhalten der Formteile herangezogen werden. Um ein Versagen der Formteile im praktischen Einsatz zu vermeiden, sollen vor der Freigabe Prüfungen an Formteilen durchgeführt werden. Die Prüfverfahren sind meist umfangreich und teuer; eine sinnvolle Planung der Prüfverfahren ist daher zweckmäßig.

Erwin Baur, Günther Harsch, Martin Moneke
Backmatter
Metadaten
Titel
Werkstoff-Führer Kunststoffe
verfasst von
Erwin Baur
Günther Harsch
Martin Moneke
Copyright-Jahr
2019
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-46067-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-46067-6