Willkommen zur Vorlesung Kunststoffe“ · 16,0% Landwirtschaft 2,0% Möbel 7,0% Haushaltswaren 4,5% Quelle: Consultic Einsatzgebiete von Kunststoffen in Deutschland, 2001 ... PF,

Willkommen zur Vorlesung

„ Kunststoffe“

Dipl. Ing. Alexander Bockenheimer

Abteilung Kunststoffe

• Universalprüfmaschinen

• Schlag-, Biege-, Zug- und Druckversuche im Temperaturbereich von - 50 °C bis + 250 °C

• Feindehnungsmessung, Laserextensometrie

• Spannungsanalyse

• Präzisions-Kraftmessung

• Shore-A und -D-Härte, Kugeleindruckhärte, IRHD

• Kraftmessplattform

• Kriechmodulprüfeinrichtungen

• Servohydraulische Prüfmaschinen

• Wölbbogendehnungsprüfeinrichtung

BiegeversuchBiegeversuch

UniversalUniversal--prprüüfmaschinefmaschine mitmitTemperierkammer Temperierkammer

SchubSchub--versuchversuch



• Rohrprüfanlage (Zeitstand-Innendruckversuche)

• Berstdruckeinrichtungbis 500 bar

• Druckstoßprüfanlage

• Statische und zyklische Beanspruchung von Rohrverbindern

• Sauerstoffdiffusions-Prüfstand

• Schaumstrukturprüfgerät

• Kugelfallprüfgerät

• Durchfluß-Versuchsanlage

• Temperatur-Wechselprüfung

• Durchstoßprüfanlage

• Reifenprüfstand

RohrprRohrprüüfanlagefanlageRohrprRohrprüüfanlagefanlage

PEPE--Rohr: ZeitstandbruchRohr: Zeitstandbruch

BiegeprBiegeprüüff--einrichtungeinrichtung


Schadensanalysen

• Akkreditierung des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA) für die Prüfung von Neureifen und Reifen auf Basis von ECE-Regelungen

• Anerkannte Prüf- und Überwachungsstelle der Güteschutzgemeinschaft Reifenerneuerung, Zürich (GRE)

• Zulassungs-, Überwachungs- und Sonderprüfungen an erneuerten Reifen

ReifenprReifenprüüfstand mit LKWfstand mit LKW--ReifenReifen und PKWund PKW--ReifenReifen


Einfluss der Kräfte im Fahrbetrieb auf die Gestalt des Ventils

50 km/h 180 km/h


An der Montagemaschine werden DMS appliziert um die Belastungen an markanten Stellen während des Montagevorgangs aufzunehmen und zu vergleichen.

Eine höhere Belastung der Maschine lässt auf eine höhere Belastung der Reifen schließen.


Elektro/Elektronik7,5%

Fahrzeug-industrie

9,0%

Bau24,5% Verpackung

29,5%

Sonstiges16,0%

Landwirtschaft2,0%

Möbel7,0%

Haushaltswaren4,5%

Quelle: Consultic

Einsatzgebiete von Kunststoffen in Deutschland, 2001

*) incl. Leime, Lacke, Dispersionen, Fasern, etc.

in Volumen: 1kg Kunststoff = 1 Liter; 8 kg Rohstahl = 1 Liter

180

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

RohstahlRohstahl

20

60

100

140

KunststoffKunststoff

Weltproduktion 2002:

KunststoffRohstahl

194 Mio. t = 194 Mrd. Liter902 Mio. t = 113 Mrd. Liter

Mrd. Liter

Produktion von Rohstahl und Kunststoffen 1950 - 2002

Energiebedarf für die Herstellung im Vergleich zu anderen Werkstoffen

0

5

10

15

20

Mg Al

Cu Fe

Polyst

yrol

PVC

PE-HD

PE-LD PP

Öl-

Äq

uiv

alen

te/L

iter

Wer

ksto

ff

als Energie

als Rohstoff

kg

Energiebedarf

Quelle:/2/

Elektro/Elektronik(770 kt)

24%

16%

33%

5%

22%

Sonstiges

IT/TK

Kabel/Installationstechnik

Braune Ware

Weiße Ware

Kunststoffe in Deutschland 2001

Typische Anwendungen der wichtigsten Einsatzbereiche

Quelle: Consultic

Elektrogeräte Computer-Elektronik Telekommunikation

Energieverteilung VerbindungstechnikVerbindungstechnik Kabel und Wellrohre




Verpackung(3.040 kt)

22,0%

7,0%

5,5%

15,0%

50,5%

Sonstiges

Verschlüsse

Hohlkörper > 5l

Hohlkörper < 5l

Folien



Quelle: Consultic


22,0%

25,0%

24,0%

29,0%

Sonstiges

Dämmung/Isolierung

Profile

Rohre

Bau(2.520 kt)



Quelle: Consultic


11,5%

21,0%

20,5%

47,0%

Elektrik/Licht

"Under thehood"

Außenteile

Innenteile

Quelle: Consultic

Fahrzeugindustrie(930 kt)




Multifuktionsanforderung

Aufgaben:

Kraftübertragung

Design

Schutzfunktion

vorher

nachher

Wettbewerb der Werkstoffe

Kunststoff - Glas

Recycling

Anforderungen

Neue Werkstoffkombinationen und Verarbeitungsverfahren

Lösung


Verfahrenstechnische Lösung


Weltweite Rohölreserven

Laut dieser BP- Studie aus dem Jahre 2002

reichen die bisher bekannten Ölvorkommen noch für ca. 40 Jahre!

Vom Erdöl zum Kunststoff

1.5.4 Wie viel Prozent der Rohölförderung wird zu Kunststoffen verarbeitet

Erdöl

Diesel- und Heizöle Benzine Sonstige

Chemie- RohstoffeVergaserkraftstoffe

Andere ChemieprodukteKunststoffe

100%

20%20%

7%13%

60%

4%3%

~90% der geförderten Erdölmenge werden

sofort zu Energiegewinnung verbrannt!



Erdöl

Propylen

Ethylen/Chlor

Ethylen

Ethylen/Benzol

Benzol

Poly-propylen

Poly-ethylen

PVC

Poly-styrol

Polyamid

Schritte und Produkte bei der Erdölverarbeitung zum Kunststoff

Naphta

Heizöl

Benzin

Polyethylen

Bildungsreaktionen I

Polymerisation • Verknüpfung von Molekülen zu einem größeren Molekül durch „Aktivierung“ der

im monomeren Ausgangsstoff vorhandenen Doppelbindungen.• Die entstehenden Polymerisate besitzen dieselbe elementar-analytische

Zusammensetzung wie das Monomere.• Die Reaktion erfolgt in geschlossener Folge bis zum Endprodukt, ohne Bildung

von Nebenprodukten (s. Beispiel Polyethylen).

Beispiel:

Ethylen: Polyethylen:

Wärme +

Katalysator

Thermoplaste: Polyethylen, Polypropylen, Polymethacrylate usw.Duroplaste: vernetzte ungesättigte Polyesterharze

Bildungsreaktionen II

Polykondensation• Bei der Polykondensation erfolgt die Verbindung der Reaktionspartner unter

Abspaltung von niedrigmolekularen Verbindungen (meist Wasser, seltener Ammoniak)

• Die Bildungsreaktion der hochmolekularen Stoffe kann durch Veränderung der Reaktionsbedingungen unterbrochen werden (z.B. Temperaturabsenkung), die gebildeten Vorkondensate bleiben reaktionsfähig.

Beispiel:

Thermoplaste: lineare gesättigte Polyesterharze, Polyamide, PolycarbonateDuroplaste: Phenolharze, Melaminharze, Harnstoffharze

Phenol + Formaldehyd Phenolharz + Wasser

Bildungsreaktionen III

Polyaddition• Eine Anlagerungsreaktion zweier verschiedenartiger Komponenten ohne

Abspaltung niedrigmolekularer Nebenprodukte bezeichnet man als Polyaddition• Im Gegensatz zur Polymerisation werden keine Kohlenstoff-Doppelbindungen

abgesättigt.

Beispiel:

Diol + Diisocyanat Polyurethan

H–O–R1–O–H + O=C=N–R2–N=C=O [ –C–N–R2–N–C–O–R1–O– ]n|| | | ||O H H O

Thermoplaste: lineare PolyurethaneDuroplaste: Epoxidharze, vernetzte Polyurethane

Bindungen

Hauptvalenz: Bindung in den Kettenmolekülen, jeweils zwei Elektronen tragen zu einer Bindung bei.

Nebenvalenz: Bindung zwischen den Ketten, z. B. Dispersionskräfte, Dipolkräfte;

Konfiguration: Anordnung der Monomere bei der Polymerisation, Taktizität

ataktisches Polypropylen isotaktisches Polypropylen syndiotaktisches Polypropylen

Makromolekülanordnung

Die Molekülketten der Kunststoffe können

• linear

• verzweigt

• räumlich eng oder weit vernetzt

sein

Konformation: Die Ketten können durch Rotation um die Hauptvalenzen abgeknickt oder verknäult sein

Einteilung nach dem Ordnungszustand

Thermoplaste:• Der Kunststoff besteht aus einer Vielzahl von einzelnen

Makromolekülen

• Diese können je nach Verzweigungsgrad räumlich angeordnet sein

• Thermoplaste sind schmelzbar, quellbar, löslich.

Amorphe Thermoplaste: – regellose Anordnung der Molekülketten

Teilkristalline Thermoplaste: – Kettenmoleküle sind in Teilbereichen geordnet.

Einteilung nach dem Ordnungszustand

Elastomere:• Weit vernetzte Makromoleküle, die sich zwischen den

Vernetzungspunkten entschlaufen können, ohne abzugleiten

• Es besteht eine Rückstellkraft in die verschlaufte Ausgangsstellung zurück. ⇒ „Gummielastische Stoffe“

• Elastomere sind quellbar aber nicht schmelzbar oder löslich.

Duroplaste:• Makromoleküle sind engmaschig miteinander vernetzt• Die Formgebung muß vor der Vernetzung stattfinden• Duroplaste sind bis zur Zersetzung bei hoher Temperatur spröde bis

zähelastisch.

Molekülkette

Kristall-Lamelle

SphärolitFormteil oder Halbzeug

Vom Atom zum Formteil

Kristallisation der Thermoplaste

Eigenschaften ABS• hohe Zähigkeit

• Formbeständigkeit bis 100°C

• gute Darstellung Oberfläche

• geringe Wasseraufnahme

• gute Spannungsriss-beständigkeit

• hohe mechanische Dämpfung

AcrylnitrilStyrol Butadien

Technische Kunststoffe

Eigenschaften PMMA• große Härte, Festigkeit und

Steifigkeit

• hohe Kratzfestigkeit

• gute elektrische und dielektrische Eigenschaften

• physiologisch unbedenklich

• Witterungsbeständig

Methyl-methacrylat

Polymethyl-

methacrylat


Eigenschaften POM

• hohe Abriebfestigkeit

• niedriger Reibungskoeffizient

• Hohe Medienbeständigkeit

• geringe Wasseraufnahme

• gute elektrische Eigenschaften

Formaldehyd Polyacetal


Eigenschaften PA66

• hohe Zähigkeit bis -40°C

• hohe chemische Beständigkeit

• hohes Dämpfungsvermögen

• hohe Wärmeformbeständigkeit

• Wasseraufnahme bis 3,5%

• Bei PA 6 bis 7%

Hexamethylendiamin

Adipinsäure


Eigenschaften PC

• hohe Festigkeit, Härte

• Hohe Schlagzähigkeit

• Temperaturbeständigkeit bis +135°C

• hohe Transparenz


Bisphenol A Phosgen

Polycarbonat

Eigenschaften PET• hohe Festigkeit, Härte und

Steifigkeit• Temperaturbeständigkeit bis

+100°C• Im amorphen Zustand glasklar• gute elektrische Eigenschaften• physiologisch unbedenklich


Polyethylenterephthalat

Eigenschaften der Kunststoffe

–Viskoelastizität: Relaxation und Kriechen-Die bisherigen Modellvorstellungen haben gezeigt das, wenn Polymere Werkstoffe einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden, so zeigen sie eine zeitabhängige Verformungszunahme bei vorgegebener Spannung (Kriechen, Retardation) bzw. ein zeitabhängigen Spannungsabbau nach erfolgter Verformung (Relaxation). Dieses Verhalten wird Viskoelastizität bezeichnet. Hierzu zwei anschauliche Beispiele:

F=const.

Retardation/ Kriechen

m

Relaxation

Bsp.: Verschraubung mit einer Kunststoffschraube

t

ε

t0 t1 t

σschraube

t0 t1

εσ

F0>F1


Eigenschaften der Kunststoffe –Viskoelastizität-

Maxwell-Voigt-ModellDas Maxwell-Voigt-Modell beschreibt das viskoelastische Verhalten von Kunststoffkörpern.

t

τγ

t

τγ

t

τγ

t1t0


Bereich I: Energieelastisches Verhalten (Glaszustand)Anwendungsbereich des Kunststoffes

Tg*: GlasübergangstemperaturÜbergang in den thermoelastischen Bereich

Bereich II: Entropieelastisches Verhalten (quasi-gummi-elastisch)Bereich III: Viskoses Fließverhalten, Bereich der Thermoplastizität:

Urformen und Schweißen

Beispiele:PVC, PS, PMMA, PC

amorphe Thermoplaste

Bereich I: Glaszustand, amorphe Bereiche eingefroren, Kunststoff sprödeTg*: Glasübergangstemperatur für die amorphen Anteile Bereich Ia: Amorphe Anteile thermoelastisch, kristalline Anteile starr,

AnwendungsbereichBereich II: Aufschmelzen der Kristallite, Kunststoff wird warmumformbar

(enger Temperaturbereich)TS*: KristallitschmelztemperaturBereich III: Viskoses Fließverhalten, Bereich der Thermoplastizität:

Urformen und Schweißen

Beispiele:PE, PP, PA, POM, PET, PBP, FEP

teilkristalline Thermoplaste

Bereich I: Energieelastisches Verhalten, Anwendungsbereich; Werkstoff ist hart und spröde (kein inneres Gleiten).

Tg*: GlasübergangstemperaturBereich II: Nicht vernetzte Bereiche flexibel; Werkstoff ggf. etwas umformbar, kein

FließenTz: Zersetzungstemperatur

Beispiele:PF, UP, EP

Duroplaste

• Von der Produktidee zum Bauteil sind ein Pflichtenheft des Bauteils und daraus ein Anforderungsprofil des Werkstoffes notwendig

• Über Recherchen und Erkenntnisse aus Praxisversuchen kann man den optimalen Werkstoff festlegen.

• Für die Bauteilauslegung aus Kunststoff sind Informationen bezüglich des mechanischen Verhaltens der in Frage kommenden Werkstoffe bei langfristiger Belastung notwendig.

• Kriechkurven

• Wöhlerkurven

• isochronen Spannungs- Dehnungsdiagrammen

Bauteilauslegung

Zu beachtende Eigenschaften sind:

• die Viskoelastizität

• das Kriechen unter Last

• unzulässige Verformungen

• Anisotropie bei verstärkten Kunststoffen und

• bei Elastomeren die großen elastischen Netzverzerrungen.

Bauteilauslegung

Finite Element Analyse

Strukturanalyse WTA 9-11

• Kunststoffe werden durch verschiedene Prozesse zum Halbzeug bzw. Endprodukt verarbeitet

• Duroplastische Formmassen können durch Pressen, Spritzpressen oder Spritzgießen in ihre endgültige Form gebracht werde

• nach dieser Formgebung bei der auch die Aushärtung (chemischer Prozess) erfolgt, sind sie in der Regel nur noch spanend bearbeitbar.

• Thermoplastische Kunststoffe werden überwiegend durch Spritzgießen, Extrudieren und Extrusionsblasen zum Fertigteil umgeformt

• Sie sind wieder einschmelzbar.

Verarbeitung der Kunststoffe

• Thermoplastische Elastomere sind in der Regel mit den selben Maschinen wie normale Thermoplaste zu verarbeiten, die weitmaschige Vernetzung erfolgt durch reversible Allophanat- und Biuretbindungen.

• Die Naturkautschukprodukte und Derivate müssen vor der endgültigen Vernetzung/Vulkanisation wie die Duroplaste in ihre Form gebracht werden.

• Kalanderverfahren sind zur Erzeugung von Folien geeignet, meist

• kalandrieren und

• extrudieren

Verarbeitung der Kunststoffe

Spritzgussmaschine

Spritzgiessen

Spritzgiessen

Rohrextrusion

Folienblasen

Begriffsdefinition

Kunststoffe künstlich erzeugte, d.h. nicht in der Natur vorkommende Werkstoffe

Makromoleküle sehr große, meist (aber nicht notwendig) organische Moleküle; Beispiel: DNS

Polymere große Moleküle aus vielen chemisch identischen Wiederholungseinheiten

Konformation räumliche Anordnung eines Moleküls, die sich durch Drehung um die C-C-Einfachbindung ergibt

Thermoplaste wiederholt aufschmelzbarer bzw. erweichbarerKunststoff

Elastomer niedrig vernetztes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur < 0°C, bei Raumtemperatur gummielastisch

Duroplaste hoch vernetztes Polymer, kein Erweichungspunkt, spröde

Molekulargewicht Gewicht der Makromoleküle in Atomgewichten

Polymerisationsgrad Anzahl der Wiederholungseinheiten im Polymeren

Polymer-Blends Mehrphasensystem, bestehend aus einer polymeren Grundmatrix und einer eingelagerten dispersen Zweitphase

Hauptvalenz primäre, kovalente Bindungen in den Molekülketten

Nebenvalenz Bindungen zwischen den Molekülketten. Van der Waals, Wasserstoffbrückenbindungen

Begriffsdefinition

a) Werkstofftechnik der Kunststoffe, Dipl.-Ing. A.Bockenheimer jeweils im WS

a) Studien- und DiplomarbeitenInteressenten melden sich bitte für weitere Informationen bei:A. Bockenheimer, Abteilungsleiter Kunststoffe, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt; Telefon: 16-2741H. Haupt, Wissenschaftlicher Angestellter; Telefon: 16-2851

Kunststoffvorlesungen und Studienarbeiten

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