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WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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10. KUNSTSTOFFE
10.1. GRUNDLAGEN
10.2. VOM ERDL ZUM MONOMER
10.3. POLYMERISATIONSMECHANISMEN
10.4. KUNSTSTOFFVERARBEITUNG
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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10.5. POLYMERADDITIVE
10.6. KUNSTSTOFFPRFUNG
10.7. TYPISCHE VERTRETER
10.8. SONDERTHEMEN
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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empfehlenswerte Zusatzliteratur:
KUNSTSTOFFKUNDE, SCHWARZ/EBELING (Hrsg., 2007), Vogel
Fachbuch, 9.Aufl., ISBN 978-3-8343-3105-2, 29,80
KUNSTSTOFFVERARBEITUNG, SCHWARZ/EBELING/FURTH (2005),
Vogel Fachbuch, ISBN 978-3-8343-3037-6, 29,80
KUNSTSTOFFTECHNIK FACHKUNDE, Arbeits-
kreis Kunststofftechnik (2009), Europa-Lehr-
mittel, 1. Aufl., ISBN 978-3-8085-1380-4
46,00
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ein Blick zurck
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Kunststoffe (KS) gehren aufgrund ihrer
Vielseitigkeit zu den wichtigsten Werkstoffen
unserer Zeit ( Kunststoff-Zeitalter)
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Produktion: ca. 11,2 Mill. Tonnen (Stahlproduktion: 48,5 Mill. Tonnen)
Produktion nach Kunststoffarten:
Kennzahlen (2007)
etwa 1/4
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Verarbeitung: ca. 12,5 Mill. Tonnen
Verarbeitung nach Branchen:
Kennzahlen (2007)
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Verarbeitung nach Kunststoffarten:
Kennzahlen (2007)
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Verarbeitung nach Branchen & Kunststoffarten:
Kennzahlen (2007)
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Kunststoffverbrauch:
Kennzahlen (2007)
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Einordnung der Kunststoffe in die Werkstoffsystematik:
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Styropor in Ethylacetat
Vergleich
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Vergleich
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Grundlagen
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Grund-lagen
Kunststoffe sind organische Verbindungen, die aus Makro-
moleklen aufgebaut sind. Ausgangsstoffe sind Erdl/Erdgas,
Kohle/Koks und Sand ( Silicone).
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halbsynthetische Kunststoffe
Bildung durch Modifikation makromolekularer Naturstoffe
vollsynthetische Kunststoffe
Bildung aus niedermolekularen Verbindungen (Monomeren)
Unterteilung nach Herkunft der Edukte:
Grund-lagen
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halbsynthetische Kunststoffe
Bildung durch Modifikation makromolekularer Naturstoffe
Celluloid (1867)
Ebonit (1859)
Galalith (1897)
Gummi (1839)
Grund-lagen
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vollsynthetische Kunststoffe
Bildung aus niedermolekularen Verbindungen (Monomeren)
Prinzip: Monomere Polymer
Bsp.: H2C=CH2 [ CH2-CH2 ]
Ethylen (Ethen) Polyethylen (PE)
Polymerisationsgrad : groer Einflu auf Eigenschaften eines Polymers
Polyreaktion
Polymerisation
Grund-lagen
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KS sind keine einheitlichen Verbindungen, sondern besitzen eine Molekl-
massen-Verteilung:
Polymer 1 ist einheitlicher als Polymer 2
Polymer 1 ist qualitativ hochwertiger
Grund-lagen
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Monomere knnen bifunktionell oder trifunktionell sein:
kettenfrmiges Polymer
verzweigtes/vernetztes Polymer
Grund-lagen
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Beispiele:
bifunktionelle Monomere trifunktionelle Monomere
Terephtalsure
Ethandiol (Ethylenglykol)
Maleinsure
Phloroglucin
Grund-lagen
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Unterscheidung nach Polymeraufbau:
Homopolymere eine einzige Monomer-Einheit, z.B. Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polyoxymethylen (POM)
Copolymere versch. Monomer-Einheiten, z.B.
Polyethylenterephtalat (PET), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
Grund-lagen
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Copolymere versch. Monomer-Einheiten, z.B.
Polyethylenterephtalat (PET), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
Grund-lagen
Mglichkeiten der
Copolymerisation
statistische
Anordnung
alternierende
Anordnung
Block-
Copolymer
Pfropf-
Copolymer
A B A
A
A
A
A A
A A
A A A
A B B B
B
B B B
B
B
B
B
B
B B B
B
B
B
B A
A A
A
A
A
A
A A A A
A
A
A
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wiederkehrende Anordnung von Seitenketten in einem Polymer
beeinflut den rumlichen Aufbau und damit die Eigenschaften
Grund-lagen
Taktizitt
gleichmiger
Aufbau
bevorzugte Ausbildung
einer Kristallstruktur
Mglichkeiten
von Taktizitt isotaktisch ataktisch syndiotaktisch
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alle Seitenketten auf derselben Seite der Polymerkette
mit R = CH3: isotaktisches Polypropylen (PP-I/PP-H)
Grund-lagen
isotaktisch
Taktizitt
ataktisch statistische Anordnung der Seitenketten
mit R = CH3: ataktisches Polypropylen (PP-R)
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alternierende Anordnung der Seitenketten
Grund-lagen
syndiotaktisch
Taktizitt
mit R = CH3: syndiotaktisches Polypropylen (PP-S)
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technologische Einteilung
Einteilung nach Aufbau und Eigenschaften
chemische Einteilung
Einteilung nach chem. Her-kunft bzw. Reaktionstyp
Grund-lagen
Einteilung der KS-Typen
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technologische Einteilung
Thermo-plaste
Duro- plaste
Elasto-mere
thermoplastische Elastomere
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lineare/wenig verzweigte Polymere aus bifunktionellen Monomeren
lslich in bestimmten Lsemitteln
schmelzbar:
hart elastisch plastisch flssig
reversible Prozesse
technologische Einteilung
Grund-lagen
Thermo-plaste
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keine geordneten Strukturen der Polymerketten
transparente Werkstoffe
berwiegend hart, sprde
Bsp.: PS, PVC, PMMA, PC
Grund-lagen
technologische Einteilung Thermo-
plaste
amorphe Thermoplaste
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Grund-lagen
technologische Einteilung Thermo-
plaste
amorphe Thermoplaste thermisches Verhalten
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partielle parallele Anordnung der Polymerketten
transluzente/opake Werkstoffe
vorwiegend schlagzh
Bsp.: PE, PP, POM, PTFE
auch: KS mit geringer Kristallisa-
tionsneigung (PET)
Grund-lagen
technologische Einteilung Thermo-
plaste
teilkristalline Thermoplaste
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Grund-lagen
technologische Einteilung Thermo-
plaste
teilkristalline Thermoplaste thermisches Verhalten
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durus, lat.: hart
engmaschig vernetzte Polymere aus mehrfunktionellen Monomeren
nicht schmelzbar
Erhalt der Festigkeit beim Erhitzen ( Form-
gebung erfolgt mit Vernetzung: Urformung)
Bsp.: Epoxidharze, PE-Harze, MF
Grund-lagen
technologische Einteilung Duro-plaste
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Grund-lagen
technologische Einteilung Duro-plaste
thermisches Verhalten
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umgangssprachlich: Gummi
lineare, stark miteinander verknuelte Polymere mit geringem Verzwei-
gungsgrad
bei Krafteinwirkung: gummi-elastisches Ver-
halten
wenig Vernderung beim Erhitzen
Bsp.: NR, BR, SBR, NBR
Grund-lagen
technologische Einteilung Elasto-mere
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Sommerreifen: ET + 5 C
Winterreifen: ET < - 25 C
Grund-lagen
technologische Einteilung
thermisches Verhalten
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Vernetzung von ungesttigten thermoplastischen Polymeren
mit elementarem Schwefel oder Dischwefeldichlorid, S2Cl2
Exkurs: Vulkanisation
Latex bzw. Kautschuk (von Hevea brasiliensis) Naturgummi (NR)
Grund-lagen
GOODYEAR 1839
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chemische Formulierung:
Disulfid-Brcken
Monomer: Isopren
Grund-lagen
Exkurs: Vulkanisation
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realistischere Darstellung:
Grund-lagen
Exkurs: Vulkanisation
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KS mit mechanischen Eigenschaften von vulkanisierten Elastomeren bei
Raumtemperatur mit der Verarbeitbarkeit von Thermoplasten
Grund-lagen
Polyolefin-Elastomere
(Elastomerblends)
physikalische Mischung aus harter kohrenter PO-Matrix (PE,
PP) mit weichen Elastomerpartikeln (z.B. EPDM) in fein-dis-
perser Phase Herstellung durch intensive Vermischung
Zweiphasenwerkstoffe
Blockcopolymere
harte thermoplastische Sequenzen (Domnen aus z.B. PS)
alternierend mit weichen elastomerartigen Abschnitten (z.B.
BR)
technologische Einteilung thermoplastische Elastomere
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Bsp.: thermoplastische Styrol-Butadien-Elastomere (SBS-TE)
Vernetzung von SB-Copolymeren mit PS-Endblcken (Netzwerke ohne Vulka-
nisation)
elastisches Verhalten fr PS < 40%
PS bildet kleine Aggregate ( 30 nm), in BR-
Matrix eingebettet
keine Streuung Transparenz
Grund-lagen
technologische Einteilung thermoplastische Elastomere
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Anwendungen:
Heischmelz-, Lsungs- und Kontaktklebstoffe
Modifikation von Thermoplasten (PS, PE, )
Grund-lagen
technologische Einteilung thermoplastische Elastomere
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chemische Einteilung
Poly-merisate
Poly-kondensate
Poly-addukte
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chemische Einteilung
Polymerisation: Aneinanderreihung reaktionsfhiger Monomerer mit Dop-
pelbindungen (unter Einsatz spezifischer Katalysatoren)
technischer Einsatz ab 1913 durch KLATTE (Vinylchlorid PVC)
Schema Bildung von Homopolymerisaten:
Grund-lagen
Poly-merisate
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chemische Einteilung
Schema Bildung von Copolymerisaten:
Bsp.:
Homopolymerisate: PE, PP, PS, PTFE,
Copolymerisate: ABS, SAN,
Grund-lagen
Poly-merisate
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Polykondensation: Aneinanderreihung gleicher oder verschiedenartiger Mo-
nomere unter Abspaltung kleiner Molekle (z.B. H2O)
technischer Einsatz ab 1909 durch BAEKELAND (Synthese von Bakelit aus Phe-
nol und Formaldehyd)
Schema:
Bsp.: PA, PET, Phenoplaste
Grund-lagen
chemische Einteilung Poly-
kondensate
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Polyaddition: Aneinanderreihung gleicher oder verschiedenartiger Monome-
re ohne Abspaltung eines Nebenproduktes
industrielle Produktion ab 1940 durch BAYER (Polyurethane)
Schema:
Bsp.: PUR
Grund-lagen
chemische Einteilung Poly-
addukte
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Hochleistungskunststoffe ([high] performance plastics)
PSU, PES, PI, PEI, PPS, PEEK
Konstruktionskunststoffe (engineering plastics)
PC, PA, ABS, POM, PMMA
Gebrauchskunststoffe (commodity plastics)
PE, PP, PS, PVC
Used in high volume & wide range of applica-
tions (mechanical properties & service environ-
ments are not critical).
Exhibit superior mechanical & thermal proper-
ties in a wide range of conditions (over & above
more commonly used commodity plastics).
Used in specialized applications that require a
combination of extraordinary properties (e.g.
temperature resistance).
Dauerg
ebra
uchs-
tem
pera
tur
& K
ost
en
100 C
150 C
400 C
Grund-lagen
Einteilung nach Leistungsfhigkeit
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Vom Erdl zum Monomer
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Erdl besitzt nicht nur fr die Polymerindustrie eine herausragende Stellung
als Edukt.
Verbrennung von Erdl zur
Energiegewinnung ist die
seine denkbar ungnstigste
Verwendung!
Vom Erdl zum Monomer
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Erdlsorten
Erdl:
anaerobes Zersetzungsprodukt von abgestorbenen Mikroorganismen
Zusammensetzung: Hunderte verschiedener organischer Verbindungen, je
nach Herkunft unterschiedlich
Vom Erdl zum Monomer
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Definition Erdl:
Die Bezeichnung Erdl wurde 1913 von VON HFER fr alle der Erde ent-
stammenden, flssigen, organischen, brennbaren Naturprodukte vorge-
schlagen; sie hat sich im deutschen Sprachgebiet gegenber Petroleum
durchgesetzt. Das unmittelbar aus der Erde kommende, nicht gereinigte
Erdl wird auch als Rohl bezeichnet. Die Rohle sind hellgelb bis fast
schwarz gefrbt; sie fluoreszieren gelb bis grnblau und dunkeln im Licht
bei Sauerstoff-Zutritt unter Bildung asphalthnlicher Stoffe allmhlich nach.
Vom Erdl zum Monomer
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Verschiedene Erdle haben einen aromatischen, angenehmen Geruch;
der unangenehme, oft knoblauchartige Erdl-Geruch ist auf Schwefel-
Verbindungen oder ungesttigte Verbindungen zurckzufhren. Petro-
leum: Kompositum aus petra, lat. Stein, und oleum, lat. l.
RMPP Chemie-Lexikon, 9. Aufl. 1995
Vom Erdl zum Monomer
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Paraffine (gesttigte KWs, linear/verzweigt):
Naphtene (Cycloalkane):
Aromaten:
Heteroverbindungen:
Vom Erdl zum Monomer
Erdl: Inhaltsstoffe
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Vom Erdl zum Monomer
Erdl: Zusammensetzung
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fraktionierende Destillation
Raffination Derivatisierung
Auftrennung des Roh-Erdls nach Siedebereichen
Veredelung der Destillations-
fraktionen
Umwandlung der Primrprodukte
Vom Erdl zum Monomer
Erdl: industrielle Weiterverarbeitung
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fraktionierende Destillation
Auftrennung nach Siedebereichen:
Vom Erdl zum Monomer
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Veredelung der Destillationsfraktionen
Hydrotreating: Umwandlung und Entfernung von u.a. S-
Verbindungen
Prinzip: R-SH + H2 R-H + H2S
2 H2S + O2 2 S + 2 H2O (CLAUS-Verfahren)
R-OH + H2 R-H + H2O
R-NH2 + H2 R-H + NH3
Vom Erdl zum Monomer
Raffination
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Cracking: Spaltung langkettiger KWs in kurzkettige KWs
thermisches Cracken (Pyrolyse bei 500-900C) katalytisches Cracken
Prinzip: Radikal-Reaktion
Start: + CH3
+ CH2CH3
Folge: CH3CH2 + CH3 CH3CH2CH3
CH3CH2 H2C=CH2 + H
CH3 + H CH4
+ CH2CH3 + H3CCH3
Vom Erdl zum Monomer
Raffination
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Reforming: Erzeugung aromatischer KW, Bildung von H2 ( Hydrotreating)
mit Pt-Kat: Platforming
typische Reaktionen:
1. Cyclisierung (Ringschlu): Alkan Cycloalkan
+ H2
2. Dehydrierung: Cycloalkan Aromat
+ 3 H2
Vom Erdl zum Monomer
Raffination
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3. Isomerisierung: Alkan iso-Alkan
4. Hydrocracken: langkettige KWs kurzkettige KWs
+ H2 +
Vom Erdl zum Monomer
Raffination
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Vom Erdl zum Monomer
Raffination
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Umwandlung der Primrprodukte (sog. petrochemische Grundstoffe)
Ethen (Ethylen): H2C=CH2
Darstellung von PVC ber Vinylchlorid:
Darstellung von PS ber Styrol:
Derivat: Abkmmling (derivare, lat.: ableiten) einer Grundstruktur
Vom Erdl zum Monomer
Derivatisierung
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Propen (Propylen):H2C=CH-CH3
Darstellung von PAN ber Acrylnitril:
Darstellung von Polyacrylsure:
- 3 H2
Vom Erdl zum Monomer
Derivatisierung
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Polymerisations-mechanismen
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Polymerisations-mechanismen
Reaktionsmechanismus: Abfolge elementarer Schritte innerhalb einer che-
mischen Reaktion
Darstellung von Polymeren - allgemeine Reaktion:
MONOMER POLYMER
POLYREAKTION POLYMERISATION
POLYKONDENSATION POLYADDITION
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Polymerisation
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Polymerisation
eigentlich Kettenpolymerisation (Polymerisation i.e.S.)
Elementarschritte einer Kettenreaktion:
geeignete Monomere:
ungesttigte Verbindungen cyclische Verbindungen
(mit Mehrfachbindungen) (unter Ringffnung)
Polymerisations-mechanismen
Kettenstart Kettenwachstum/ -fortpflanzung
Kettenabbruch
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radikalische Polymerisation
anionische Polymerisation
koordinative Polymerisation
kationische Polymerisation
UNTERTYPEN
Polymerisations-mechanismen
Polymerisation
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radikalische Polymerisation
Schritt 0: Initiierung homolytische Spaltung eines sog. Initiator-Molekls in
zwei Radikale
allg.: II 2 I thermisch oder photochemisch induziert
Bsp.: AIBN (2,2-Azodiisobutyronitril)
BPO (Dibenzoylperoxid)
Radikal: Teilchen mit ungepaarten Elektronen, hufig sehr reaktiv
Polymerisations-mechanismen
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Schritt 1: Kettenstart Anlagerung eines Initiator-Radikals an ein Monomer-
Molekl
allg.: I + M IM
Schritt 2: Kettenwachstum Anlagerung weiterer Monomer-Einheiten
allg.: IM + M IMM
IMnM + M IMn+1M
Nebenreaktionen mglich, z.B. mit LM oder Kettenbertragung auf bislang
inaktive Monomere: IMnM + MH IMnMH + M
Polymerisations-mechanismen
radikalische Polymerisation
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Schritt 3: Kettenabbruch Rekombination: Vereinigung von zwei Monomer-
Ketten
allg.: IMnM + MMmI IMm+nI
Andere Abbruchreaktionen sind mglich Diese Reaktionen sorgen fr Mo-
leklmassen-Verteilung!
Polymerisations-mechanismen
radikalische Polymerisation
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Schritt 0: Initiierung heterolytische Spaltung eines Initiator-Molekls (me-
tallorganische Verbindungen) in Ionen
allg.: RMe R- + Me+
Bsp.: BuLi (n-Butyllithium)
CH3CH2CH2CH2Li CH3CH2CH2CH2- + Li+
GRIGNARD-Verbindungen (Organomagnesiumbromide)
CH3CH2CH2CH2MgBr CH3CH2CH2CH2- + MgBr+
Polymerisations-mechanismen
anionische Polymerisation
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Schritt 1: Kettenstart Anlagerung eines Initiator-Anions an ein Monomer-
Molekl
allg.: R- + M RM-
Schritt 2: Kettenwachstum Anlagerung weiterer Monomer-Einheiten
allg.: RM- + M RMM-
RMnM- + M RMn+1M
-
kaum Nebenreaktionen (allerdings: Synthese unter Wasser- und Sauerstoff-
ausschlu!)
Polymerisations-mechanismen
anionische Polymerisation
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Schritt 3: Kettenabbruch:
zwangslufiger Abbruch z.B. durch Rekombination wegen elektrostatischer
Abstoung nicht mglich Reaktion kann durch Zugabe von Monomer im-
mer wieder neu gestartet werden (living polymerization)
gezielter Abbruch durch Zugabe eines Inhibitors, z.B. Suren, O2 oder CO2,
z.B.:
RMn+1M- + H+ RMn+1MH
Polymerisations-mechanismen
anionische Polymerisation
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koordinative Verbindungen: Anlagerungsverbindungen
ZIEGLER-NATTA-Verfahren:
Verfahren zur Herstellung von Polyolefinen
ber koordinative Insertionspolymerisation
mit metallorganischen Katalysatoren
Entwicklung des Verfahrens durch KARL ZIEGLER
am MPI fr Kohlenforschung Mlheim/Ruhr
Nobelpreis 1963 an ZIEGLER und NATTA KARL ZIEGLER GIULIO NATTA
Polymerisations-mechanismen
koordinative Polymerisation
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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grotechnische Anwendung bei der Herstellung von PE und PP
2007: 45,1 Mio. Tonnen PP, 30 Mio. Tonnen HDPE
Polymerisations-mechanismen
koordinative Polymerisation
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Mechanismus in einer vereinfachten Darstellung:
Bildung von HDPE oder isotaktischem PP
usw.
Umsatz: bis 150000 kg pro g Titan
Polymerisations-mechanismen
koordinative Polymerisation
InsertionKat.
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Unterschiede im Kettenwachstum:
Initiator-Polymerisation:
Katalysator-Polymerisation:
Anlagerung eines neuen Monomers
Einschieben eines neuen Monomers
Polymerisations-mechanismen
koordinative Polymerisation
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Vorteile:
sehr regelmiger Kettenaufbau
hohe Stereospezifitt sehr gleichmige rumliche Struktur hoher
Kristallinittsgrad
Polymerisations-mechanismen
koordinative Polymerisation
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Polykondensation
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
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Grundlage: Aneinanderreihung gleicher oder verschiedenartiger Monomere
unter Abspaltung kleiner Molekle (z.B. H2O)
Edukte: bifunktionelle Monomere mit typischen funktionellen Gruppen
-OH: Alkohole -COOH: Carbonsuren -NH2: Amine
Autokondensation: intramolekulare Bifunktionalitt (X-A-Y)
Schema: X-A-Y [A]n
- n X-Y
Polymerisations-mechanismen
Polykondensation
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85
Bsp.: Polykondensation von -Aminocarbonsuren zu PA (Typ PA 6)
n H2N(CH2)xCOOH HNH(CH2)xCOOH PA x+1
x=5 PA 6 (Perlon) x=10 PA 11 x=11 PA 12
- (n-1) H2O [ ]n
Polymerisations-mechanismen
Polykondensation
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86
Cokondensation: intermolekulare Bifunktionalitt (X-A-X & Y-B-Y)
Schema: X-A-X + Y-B-Y [AB]n
Bsp.: Polykondensation v. Dicarbonsuren & Diaminen zu PA (Typ PA 66)
n H2N(CH2)xNH2 + HOOC(CH2)yCOOH
HNH(CH2)xNHCO(CH2)yCOOH
x=6; y=4 PA 66 (Nylon) x=6; y=10 PA 612 x=4; y=4 PA 46
- 2n X-Y
[ ]n
Dicarbonsure Diamin - 2n H2O
Polymerisations-mechanismen
Polykondensation
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87
Bsp.: Polykondensation von aromatischen Dicarbonsuren und Diolen zu
Polyestern (z.B. PET)
+
andere Polyester: PBT (Polybutylenterephtalat), Polycarbonate (PC)
[ ]n
Terephtalsure Ethylenglykol
- (2n-1) H2O
Polyethylenterephtalat
(PET)
Polymerisations-mechanismen
Polykondensation
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88
trifunktionelle Monomere vernetzte Polymere
Bsp.: Phenoplaste (Phenol-Formaldehyd-Harze, z.B. Bakelit)
Aminoplaste werden hnlich hergestellt
(aus Formaldeheyd und Harnstoff)
Polymerisations-mechanismen
Polykondensation
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89
Polyaddition
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90
Grundlage: Aneinanderreihung gleicher oder verschiedenartiger Monomere
ohne Abspaltung eines Nebenproduktes
Edukte: bifunktionelle Monomere mit typischen funktionellen Gruppen
-OH: Alkohole -NH2: Amine -NCO: Isocyanate
Schema: HX-A-YH + Y-B-Y HX-A-X[YH-B-HY-X-A-X]nYH-B-Y
Polymerisations-mechanismen
Polyaddition
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91
Bsp.: Bildung v. Polyurethanen aus Diolen & Diisocyanaten (lineare PU)
n HO(CH2)xOH + n O=C=N(CH2)xN=C=O
HO(CH2)xOCONH(CH2)yNHCO(CH2)xOCONH(CH2)yN=C=O
Einsatz von Triisocyanaten bzw. Triolen fhrt zu
vernetzten PU
[ ]n
Diol Diisocyanat
Polymerisations-mechanismen
Polyaddition
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92
Thermoplaste Duroplaste Elastomere
Polymerisation PE, PP, PS, PVC, PTFE, POM, PAN, PMMA, ABS
IR, BR, SBR
Polykondensation PET, PA, PC Harze (PF, UF, MF, EP), PI
Polyaddition PUR, PI
Polymerisations-mechanismen
bersicht
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93
Kunststoff-verarbeitung
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94
Kunststoffverarbeitung: Fertigung von Formteilen, Halbzeugen (Bleche,
Stangen, Rohre, Coils), Fasern und Folien aus Granulat, Pulver, Folien, Plat-
ten
Kunststoff-verarbeitung
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95
Kunststoff-verarbeitung
Vorprodukte, Form- und Zusatzstoffe
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96
Kunststofferzeugnisse werden aus Vorprodukten hergestellt, die in pulveri-
sierter, gekrnter oder flssiger Form bezogen werden
verbrauchsfertige Lieferung: chemische Industrie Kunststoffverarbeiter
Kunststoff-verarbeitung
Vorprodukte, Form- und Zusatzstoffe
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97
Ausgangsstoffe: Pulver oder Granulat Form-
massen
bleibende Formung durch Pressen, Extrudieren
oder Spritzgieen Formstoff (eigentlicher Werk-
stoff)
Fllstoffe: Zusatz zu Formmassen aus wirtschaft-
lichen/technischen Grnden ( Polymeradditive),
auch Zusatz von Verstrkungsmaterial ( natur-
oder glasfaserverstrkte Kunststoffe, NFK bzw. GFK)
Kunststoff-verarbeitung
Formmassen
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98
Rohstoffe, die ihre makromolekularen Endzustand
erst durch chemische Reaktionen whrend der Ver-
arbeitung erreichen
Aushrtung ohne Nebenprodukte
Gieharze
flssig bzw. leicht aufschmelzbar
in offenen Formen vergiebar, in denen sie ohne
Druckanwendung zum Formstoff aushrten
Kunststoff-verarbeitung
Reaktionsharze
Kunstharze
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99
Zugabe von Hrtern und Beschleunigern bei Verarbeitung zum Ablauf der
chemischen Reaktion erforderlich
Laminierharze
zur Herstellung flchiger Bauteile
zwischen schichtweise angeordnetem Verstrkungsmaterial werden die
zhflssigen Kunstharze aufgebracht Laminate
Kunststoff-verarbeitung
Kunstharze
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100
Kunststoff-verarbeitung
duroplastische Formmassen, die unter Wrmezufuhr
und Abgabe von flchtigen Nebenprodukten (Was-
serdampf) aushrten
Verformung nur unter Druck
hrtbare Harze
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101
Fertigungsverfahren
Urf
orm
en
(Z
usa
mm
en
hal
t sc
haf
fen
)
Um
form
en
(Z
usa
mm
en
hal
t b
eib
eh
alte
n)
F
gen
(Z
usa
mm
en
hal
t ve
rme
hre
n)
8580
Kunststoff-verarbeitung
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102
Urformen
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
103
Hauptgruppe 1 der Fertigungsverfahren nach 8580
Herstellung fester geometrischer Krper (Formteilen)
aus formlosen Krpern (Schmelzen, Granulaten, Pulvern)
wichtigste Art der Formgebung fr Thermoplaste und einzige Art der Form-
gebung fr Duroplaste (wegen Vernetzung)
Kunststoff-verarbeitung
Urformen
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104
Urformen
Spritzgieen
Extrudieren
Kalandrieren
Rotationsformen
Schumen
Blasformen
Kunststoff-verarbeitung
Urformen Unterteilung
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105
Spritzgieen
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106
Spritzgieen
wichtigstes Verarbeitungsverfahren zur vollautomatischen Herstellung
Einsatz fr Massenartikel wie auch fr technische Formteile
Herstellung kleiner Teile (z.B. Zahnrder fr Uhren) als auch groe Teile
(z.B. Mlltonnen oder Stostangen)
Prinzip: Plastifizierung des KS in der Spritz-
einheit einer Spritzgumaschine und Injek-
tion in ein Spritzguwerkzeug
engl.: injection molding (AE)/moulding (BE)
Kunststoff-verarbeitung
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107
Spritzgieen
diskontinuierliches Verfahren
Kunststoff-verarbeitung
Arbeitsschritte
Plastifizierung von pulverfrmiger
oder granulierter Formmasse
berfhrung mit hoher Geschwindig-keit/hohem Druck in
das Werkzeug
Erstarrung durch Abkhlen/Vernet-zen Entformen
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108
Kunststoff-verarbeitung
Spritzgieen Arbeitsschritte
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109
Kunststoff-verarbeitung
Schlieeinheit Spritzeinheit
(Maschinenbett mit Antrieb/Steuerung)
Spritzgieen
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110
zustzliche Informationen zum Verfahren:
Schliekraft bis 15000 kN, Schluvolumen bis zu mehr als 5000 cm3
wichtig: homogene Fllung (durch mehrere Injektionsdsen), gleichmige
Abkhlung
keine Nacharbeit (z.B. Entgraten) ntig
besonders geeignete Polymere: PS und seine Copolymerisate, PE, PP, PC,
POM, PMMA
Kunststoff-verarbeitung
Spritzgieen
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111
typische Produkte:
Stodmpfer
Zahnrder
CDs
Kunststoff-verarbeitung
Spritzgieen
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112
Extrudieren
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113
grundlegendes Fertigungsverfahren in der Kunststoffverarbeitung
Herstellung von Rohren, Planen, Folien und komplizierteren Profilen
Prinzip: Fertigung eines endlos geformten Kunststoffstrangs, ausgehend von
pulver- oder granulatfrmiger Formmasse
Arbeitsdruck: 10-300 bar, Arbeitstemperatur: 60-300 C
eingesetzte Polymere: u.a. PE, PP, PVC, PA, ABS, PC, SB,
PMMA, PET, PUR
extrudere, lat.: hinausstoen, hinaustreiben; engl.: extrusion
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren
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Plastifizierung von pulverfrmiger
oder granulierter Formmasse
Transport durch einen Schnecken-
frderer (Extruder)
Austritt aus form-gebender Dse Abkhlung
114
extrudere, lat.: hinausstoen, hinaustreiben; engl.: extrusion
kontinuierliches Verfahren
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren
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115
Kunststoff-verarbeitung
(Trichter) Zylinder (mit Schnecke)
Werkzeug - Khlung
Extrudieren
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116
plastifiziertes Material wird nicht zu einem Profil, sondern zu einer hauch-
dnnen Folienblase aufgeblasen
Umlenkung der Schmelze in vertikale Richtung; spezielle Werkzeuge er-
stellen Schlauch
anschlieende Verstreckung (und Abkhlung) durch Einblasen von Luft
Foliendicken von mehreren Hundertstel Millimeter
Blasfolien zeichnen sich durch auerordentlich starke Haltekraft sowie
hohe Reifestigkeit aus; mehrschichtige Folien mglich
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren Blasfolienextrusion
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117
Aufbau von Maschine
& Werkzeug
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren Blasfolienextrusion
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118
Kunststoff-verarbeitung
Blaskopf einer Dreischichtschlauchfolienanlage
Dreischichtschlauchfolienwerkzeug
Extrudieren Blasfolienextrusion
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119
hufig verwendete Kunststoffe im Extrusionsbereich:
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren
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120
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren
hufig verwendete Kunststoffe im Extrusionsbereich:
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121
typische Produkte:
Profile z.B. fr Fensterrahmen
Profile fr Verbundwerkstoffe
Folien (Blasfolienextrusion)
Erdnu-Flips!
Kunststoff-verarbeitung
Extrudieren
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122
Kalandrieren
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123
bedeutendes Verfahren fr die (PVC-)Folienherstellung
Herstellung von (dicken) Folien, Platten, Bodenbelgen
Prinzip: Ausformen thermoplastischer Massen zwischen zwei bzw. mehreren
Walzen zu einem endlosen Band
eingesetzte Polymere: PVC-P/U, SB, ABS, Celluloseester
besondere Eignung von PVC ist auf den ausgebildeten zhplastischen
Schmelzbereich zurckzufhren
calandrer, frz.: rollen, mangeln; engl.: calendering
Kunststoff-verarbeitung
Kalandrieren
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Vorplastifizierung + Homogenisierung z.B. im Extruder
Formgebung in der Kalandereinheit
Nachbehandlung: Tempern, Bedrucken
usw.
124
kontinuierliches Verfahren
Kunststoff-verarbeitung
Kalandrieren
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125
F-Kalander
Kunststoff-verarbeitung
I-Kalander
Kalandrieren
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126
Aufbau einer Kalanderstrae fr PVC-P:
Kunststoff-verarbeitung
Kalandrieren
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127
Aufbau einer Kalanderstrae fr PVC-U:
Kunststoff-verarbeitung
Kalandrieren
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128
Rotationsformen
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129
Herstellung von groen hohlen nahtlosen KS-Teilen
Prinzip: biaxiale Rotation und Erwrmung in dnnwandi-
gen Hohlkrperformen
Ablagerung pulverfrmiger Formmassen an den Forminnen-
flchen
Vorteile gegenber Spritzgieen und Blasformen: preisgn-
stig, Volumina bis 15000 Liter, komplizierte Formgebung
mglich bei gleichmiger Wandstrke
engl.: rotational molding (AE)/moulding (BE)
Kunststoff-verarbeitung
Rotationsformen
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130
eingesetzte Polymere: PE, PP, (PA, PC, PS)
Anwendungen: Tanks aller Art, Maschinengehuse,
Transportbehlter usw.
Bauteil einer Ballwurfmaschine
Kunststoff-verarbeitung
Rotationsformen
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131
Schumen
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132
charakteristische Eigenschaften:
niedrige Dichte (z.B. EPS 20-90 kg/m3)
gute Isoliereigenschaften
geringe Eigenspannungen
vielseitige Mglichkeiten der Formgebung: geschumte Spritzguteile/Fo-
lien/ Extrudate
einfache Nachbearbeitung
engl.: foaming
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
Schaumstoffe sind knstlich hergestellte Werkstoffe mit Zellstruktur und geringer Rohdichte.
7726
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133
nahezu alle KS knnen geschumt (expandiert E) werden Marktanteil
engl.: foaming
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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134
Unterscheidung nach Zellstruktur:
geschlossenzellig Hohlrume der Zellen stehen
nicht in Verbindung miteinan-
der
offenzellig freie Zirkulation von Gas zwi-
schen den Zellen; Aufnahme
von Flssigkeit mglich
gemischtzellig Schaumstoff besitzt sowohl of-
fene als auch geschlossene
Zellen
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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135
Schaumstoffe mit einem zelligen Kern & geschlosse-
ner Auenhaut
Weiterentwicklung der Sandwich-Konstruktion (nie-
drige Dichte im Innern, hohe Dichte auen)
hohe Steifigkeit, gute Druckfestigkeit & Abrieb-
festigkeit
Darstellung mittels Reaktionsschaumgieen
Verdichtung des Gemisches in den Randzonen des
Werkzeuges durch Kollabieren der Zellen
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Struktur- bzw. Integralschaumstoffe
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136
Unterscheidung nach Herstellungsverfahren:
Schume aus Thermoplastschmelzen
(PS, PE, PVC)
Schume aus blhfhigen Einzelteilchen
(PS)
Schume aus flssigen Edukten
(PUR, PF, UF)
Schume blhfhige Einzelteilchen
Thermoplastschmelzen
reaktive flssige Edukte
Treibmittel physikalische TM
chemische TM
mechanische TM
Schumproze Schaumstoffhalbzeug
Schaumstoffnormteil
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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137
Unterscheidung nach Dichte & Zellgre:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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138
mikroskopische Zellstruktur:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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139
Treibmittel (engl. blowing agents):
physikalische TM: Aufblhung der KS-Schmelze durch Phasenbergang des
TM (flssig gasfrmig) Volumenvergrerung
Pentan, C5H12 (Kp.760: 36 C): niedriger Siedepunkt ermglicht frhes
Aufblhen gleichmige niedrige Dichte
chemische TM: Gasbildung bei hheren Temperaturen durch Zersetzung des
TM
Azodicarbonamid, H2NCON=NCONH2 N2 + CO + NH3 + HNCO, gesund-
heitlich bedenklich
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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140
Gemisch aus Natriumhydrogencarbonat, NaHCO3, und Citronensure
liefert CO2
mechanische TM: Einrhren von Luft (geringe Bedeutung)
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
141
Einteilung der Verfahren und wichtiger schaumfhiger Formmassen:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
142
Einsatz von Schumen in Abhngigkeit von der Dichte:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
143
polymertechnische Bezeichnung: PS-E oder EPS
Erfindung durch FRITZ STASTNY (1949): PS-Scheibe im Trocken-
schrank vergessen Aufschumen des PS
Diese Scheibe [] verwandelte sich []
zu einem kleinen Schaummonster.
geschlossenzellige Struktur:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Styropor (BASF 1951)
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
144
Styroporherstellung:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Styropor (BASF 1951)
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
145
Herstellung: Styroporverfahren
Edukt: blhfhige Einzelteilchen (Perlgranulat) mit 5% Pentan als physikali-
schem Treibmittel
Beaufschlagung mit Wasserdampf Verdampfung des
Pentans, Perlen blhen sich zu kleinen Kugeln auf (40
bis 60fache Volumenvergrerung)
Trocknung, Zwischenlagerung (ca. 3% Restpentan)
Fertigschumen in Blockwerkzeugen mit perforierten
Wnden
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Styropor (BASF 1951)
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
146
Beaufschlagung mit Wasserdampf, der die Luft in den Kgelchen vollstndig
verdrngt Bildung eines kompakten, homogenen Schaumteils
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Styropor (BASF 1951)
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
147
Kunststoff-verarbeitung
Schumen Styropor (BASF 1951)
physikalische Eigenschaften:
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148
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
Neu- bzw. Weiterentwicklung: Neopor (BASF 1996)
Graphit als Additiv: Strung der Wrmestrahlung Re-
duktion des Wrmetransports innerhalb des Materials
Rohstoffeinsparung
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149
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
Neu- bzw. Weiterentwicklung: E-por (BASF 2009)
zh-elastischer
Schaumstoff mit
PE-Anteilen
Verarbeitung &
Recycling wie
EPS
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150
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
Laborherstellung:
Lehrerfortbildung BASF, Oktober 2012
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151
PUR-Schume aus reaktiven flssigen Ausgangskomponenten:
Schaumstoffe nach Ma:
Weichschaum (Polstermbel, Matratzen usw.)
Hartschaum (Isolation und Hohlraumfllung im Bau da schwer entznd-
bar und gutes Dmmvermgen)
Treibmittel CO2 entsteht bei der Reaktion von Kom-
ponente A (ein Polyol) mit Komponente B (ein Diiso-
cyanat) in Gegenwart von Wasser (Polyaddition, sie-
he dort)
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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152
vielfltige Variationen in den Eigenschaften der PUR-Schume beruhen auf
Kombinationsmglichkeiten von Polyol und Diisocyanat
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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153
PUR-Schume aus reaktiven flssigen Ausgangskomponenten im Labor:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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154
Hintergrnde der Labordarstellung:
Komponente A: Desmophen (Polyol bzw. Polyhydroxyester)
Komponente B: Desmodur (Diisocyanat)
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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155
Melaminharzschaumstoff (BASOTECT):
Neuentwicklung der BASF AG
Eigenschaftsprofil:
schwer entflammbar
hochtemperaturbestndig
tieftemperaturelastisch
schallabsorbierend
extrem leicht (Rohdichte 8-11 kg/m3)
chemikalienbestndig
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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156
hohe Hrte hohe Abrasivitt idealer Putz- und Reinigungsschwamm
(Schmutzradierer, ohne Zusatz von Reinigungsmitteln)
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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157
Entwicklungen in der Schaumtechnik:
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
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158
Kunststoff-verarbeitung
Schumen
Entwicklungen in der Schaumtechnik:
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159
Blasformen
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160
Herstellung von Hohlkrpern und Blasfolien aus Thermoplasten
hufigstes Verfahren zur Herstellung von Formteilen (neben Spritzgieen)
Zwei-Stufen-Proze:
Herstellung des blasfhigen Vorformlings
durch Extrudieren (Schlauch)
Aufblasen des Vorformlings in einer
Form Abkhlung
verwendete KS: PE, PP, PMMA, PC, PA
engl.: blow molding (AE)/moulding (BE)
kontinuierliches Verfahren
Kunststoff-verarbeitung
Blasformen
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161
Aufbau einer Blasmaschine:
Kunststoff-verarbeitung
Blasformen
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162
typische Produkte:
Flaschen, Kanister, Fsser (bis 10000 Liter)
Kofferschalen, Dachgepcktrger, Rutschfahrzeuge
Kunststoff-verarbeitung
Blasformen
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163
Umformen
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164
Hauptgruppe 2 der Fertigungsverfahren nach 8580
Fertigung von Werkstcken aus festen Rohteilen oder Halbzeugen
durch bleibende Formnderung; VRohteil = VFertigteil
Halbzeug: vorgeformte Produkte wie Rohre, Pro-
file oder Folien, die durch Extrudieren, Kalandrie-
ren, Schumen usw. hergestellt wurden
KS-Halbzeuge
Kunststoff-verarbeitung
Umformen
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165
KS zeigen Rckstellbestreben (Memory-Effekt) bei Wiedererwrmung
Kunststoff-verarbeitung
Umformen
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166
Kunststoff-verarbeitung
Umformen Unterteilung
Umformen
Druckumformen
Zugdruckumformen
Zugumformen
Biegeumformen
Schubumformen
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167
Thermoformen
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168
plastische Verformung durch uere Krafteinwirkung im warmen (thermo-
elastischen) Zustand Thermoformen nur bei Thermoplasten
Thermoformen von der Rolle:
Kunststoff-verarbeitung
Thermoformen Warmformen/Tiefziehen
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169
Thermoformen von Platten:
eingesetzte KS: PS, PET, PVC, PE usw.
Anwendung in der Verpackungsindustrie, aber auch Alternative zum Spritz-
gu
Kunststoff-verarbeitung
Blasformen Warmformen/Tiefziehen
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170
Fgen
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171
Hauptgruppe 4 der Fertigungsverfahren nach 8580
dauerhaftes Verbinden/Zusammenbringen mehrerer Werkstcke
fester Form oder von Werkstcken mit formlosem Stoff
kunststofftechnisch interessant: Schweien und Kleben
Kunststoff-verarbeitung
Fgen
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172
Kunststoff-verarbeitung
Fgen Unterteilung
Fgen
Schweien
Kleben
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173
Schweien
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174
Kunststoffschweien ist das Verbinden von thermopla-
stischen KS unter Anwendung von Wrme und Kraft
Plastifizierung der KS notwendig unter gleichen Bedin-
gungen nur gleiche Thermoplaste lassen sich mitein-
ander verbinden
Kunststoff-verarbeitung
Schweien
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175
Schweivorgang:
Plastifizieren Fgen Verfestigen
Kunststoff-verarbeitung
Schweien
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
176
Kleben
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177
unlsbares Fgeverfahren: Trennung nur ber Zerstrung (Klebstoff/Bauteil)
stoffschlssige Verbindung mit Zusatzwerkstoff: Klebstoff
Prinzip: starke Adhsion zwischen
Klebstoff und Fgeteil und starke Ko-
hsion und hohe Eigenfestigkeit des
Klebstoffes
Kunststoff-verarbeitung
Kleben
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178
Voraussetzungen: KS sollte polar, gut benetzbar oder lslich sein
Vorteile: groflchige Verbindungen leicht realisierbar, gleichmige
Spannungsverteilung, unvernderte Oberflche, Gewichtsersparnis
Nachteile: anspruchsvolle Umsetzung, Alterung des Klebstoffs
Kunststoff-verarbeitung
Kleben
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179
Eigenschaften und Klebbarkeit wichtiger KS:
Kunststoff-verarbeitung
Kleben
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
180
physikalisch abbindende Klebstoffe:
Aushrten beruht auf
physikalischen Vorgn-
gen, z.B. Abkhlung
der Klebmasse oder
der Verdunstung von
Lsemitteln
Kunststoff-verarbeitung
Kleben
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181
chemisch abbindende Klebstoffe (Reaktionsklebstoffe):
Aushrten durch Polyreaktionen (Polymerisation, Polykondensation, Po-
lyaddition)
Kunststoff-verarbeitung
Kleben
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
182
Kunststoff-verarbeitung
Zusammenfassung
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
183
Polymeradditive
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184
Zusatz- und Hilfsstoffe Verbesserung von Verarbeitbarkeit und spezi-
ellen Eigenschaften
Thermoplaste/Duroplaste: EN ISO 1043
Polymer-Rohstoff(e)
Zusatz- und Hilfsstoffe
KUNSTSTOFF Aufbereiten (Compoundieren) +
Polymer-additive
Hauptsatz der Kunststofftechnik
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185
Unterteilung der Polymeradditive:
Polymer-additive
Verarbeitungs-hilfsstoffe
eigenschafts-verndernde Zusatzstoffe
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186
Ansprche an einen Zusatzstoff:
hohe Thermo-stabilitt
gute Licht-stabilitt
Farbneutralitt
Vertrglichkeit mit anderen Zustzen
geringe Flchtigkeit
Migrations-bestndigkeit
Geruchs-/Geschmacks-neutralitt
physiologische Unbedenklichkeit
Polymer-additive
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187
Typen von Additiven
Flam
msc
hu
tz-
mit
tel
We
ich
mac
he
r
Stab
ilisa
tore
n
Flls
toff
e,
Ve
rst
rku
ngs
sto
ffe
An
tist
atik
a
Farb
mit
tel
Trie
bm
itte
l
Nu
kle
ieru
ngs
-m
itte
l
Polymer-additive
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188
Flammschutzmittel
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
189
Flammschutzmittel engl.: flame retardants
Grundlage: EN ISO 1043-4
KS sind als Kohlenstoff-Verbindungen prinzipiell brenn-
bar (Ausnahmen u.a. selbstverlschende KS)
Flammschutzmittel: Verhinderung, Verlangsamung &
Einschrnkung der Ausbreitung von Brnden
Jahresweltverbrauch: > 1,5 Mio. Tonnen (2006)
viele Flammschutzmittel sind gesundheitlich und/oder
kologisch bedenklich
Polymer-additive
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190
Kunststoffe schmelzen oder zersetzen sich bei einem Brand an der Ober-
flche freigesetzte Zersetzungsprodukte sind eigentlicher Brennstoff
Polymer-additive
Flammschutzmittel Kunststoffbrnde
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191
Eingriff ins Brandgeschehen:
Unterbrechung des Radikalkettenmechanismus des Verbrennungsprozes-
ses in der Gasphase chemische Wirkung
Energieverbrauch durch endotherme Zersetzungsreaktionen (z.B. Abspal-
tung von H2O) physikalische Wirkung
Erniedrigung der notwendigen O2-Konzentration bzw. des Anteils brenn-
barer Gase durch Erzeugung nicht brennbarer Gase (N2, CO2, H2O) phy-
sikalische Wirkung
Polymer-additive
Flammschutzmittel Wirkung
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192
Entstehung einer Schutzschicht (Hitzeschild/O2-Barriere) durch Verkoh-
lung physikalische Wirkung
Polymer-additive
Flammschutzmittel Wirkung
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193
bedeutendste FSM (Additive oder Comonomer, z.B. Dibromstyrol)
Wirkprinzip - Mechanismus:
1. Freisetzung von Halogenradikalen
(Br/Cl) aus dem FSM:
R-X R + X
2. Bildung von Halogenwasserstoffen:
X + R-H HX + R
3. Bindung des Sauerstoffs ber Zwischenstufen:
X + O2 X-O + O bzw. X + O X-O O + HX H-O + X und X-O + HX 2 X + H-O
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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194
4. Neutralisation energiereicher Radikale bzw. Rekombination:
HX + H-O H2O + X R + H-O ROH R + R R-R
Reaktion von X und HX mit O2 und dessen Reaktionsprodukten sind endo-
therme Schritte Verlangsamung der Verbrennung
HX dient als verdnnendes Gas in Flammennhe Herabsetzung des O2-An-
teils
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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195
Zugabe von Antimontrioxid (Sb2O3) steigert Effizienz: Bildung von SbOCl/
SbCl3/SbCl5 als schwere Dmpfe, die die Oberflche bedecken
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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196
Vertreter:
polybromierte Diphenylether (PBDE): Anwendungsverbot seit 2008 wegen
Toxizitt bzw. Umweltbedenklichkeit
PentaBDE
(BDE-99 u.a.)
OctaBDE
(BDE-196 u.a.)
DecaBDE
(BDE-209)
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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197
Tetrabrombisphenol A (TBBPA): Einsatz auch als reaktives FSM (Einbau in die
Polymermatrix) - langjhrige Risikobewertung zeigt keine Gesundheitsgefah-
ren
Hexabromcyclododecan (HBCD) seit 2008 verboten
TBBPA HBCD
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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198
Verwendung:
Polymer Gehalt in % FSM
ABS, ASA usw. 12 15 OctaBDE, bromiertes PS
EP 19 33 TBBPA
EPS 0,8 4 HBCD
PA 13 16 DecaBDE, bro-miertes PS
PC 4 6 bromiertes PS, TBBPA-Derivat
Polymer Gehalt in % FSM
PE, PP usw. 5 8 DecaBDE, Di-bromstyrol
PET 8 11 bromiertes PS, TBBPA-Derivat
PUR 10 18 PentaBDE, TBBPA-Ester
SB 11 15 DecaBDE, bro-miertes PS
UP 13 28 TBBPA
Polymer-additive
Flammschutzmittel Halogenverbindungen
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199
bedeutende FSM, die aber in groen Men-
gen (bis 60%!) zugesetzt werden mssen
Vertreter: Aluminiumhydroxid, Al(OH)3
(Aluminiumtrihydrat, ATH) und Magne-
siumhydroxid, Mg(OH)2 (Magnesiumdihy-
drat, MDH)
Wirkprinzip - Mechanismus:
thermische Zersetzung unter Abspaltung von Wasser:
2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O (bei 500 C)/Mg(OH)2 MgO + 2 H2O (bei 300 C)
Polymer-additive
Flammschutzmittel Metallhydroxide
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200
Wirkprinzip Mechanismus:
1. Phosphorsureester bzw. anorganische
Phosphate setzen sich in der Hitze zu
Polyphosphorsuren um, z.B.:
x (NH4)2HPO4 (HPO3)x
2. Ausbildung einer Schutzschicht durch die gebildete Polyphosphorsure
und durch Verkohlung, z.B. durch Wasserabspaltung:
(HPO3)x + Cx(H2O)m x C + (HPO3)x m H2O
-2x NH3,
-x H2O
Polymer-additive
Flammschutzmittel Phosphorverbindungen
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201
Vertreter:
TCEP, Tris(2-chlorethyl)phosphat bzw. TCPP, Tris(2-chlorisopropyl)phosphat:
teratogen, mglicherweise cancerogen
TPP, Triphenylphosphat
RDP, Resorcindiphosphorsuretetraphenylester
APP, Ammoniumpolyphosphat
TCEP TCPP RDP
APP
Polymer-additive
Flammschutzmittel Phosphorverbindungen
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202
Intumeszenz: lat. intumescencia, An-
schwellen; hier: Ausbildung einer volumi-
nsen, isolierenden Schutzschicht durch
Verkohlung und gleichzeitiges Aufschu-
men
Polymer-additive
Flammschutzmittel Intumeszenz
Zusammensetzung eines
Intumeszenz-Flammschutzsystems
Kohlenstoff-Lieferant
(z.B. Pentaerythrit)
Polyphosphat
(z.B. APP)
Treibmittel
(z.B. Melamin)
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203
Wirkprinzip Mechanismus:
1. Erweichen der Polymermatrix
2. Freisetzen von Polyphosphorsure aus APP (ab 250 C):
(NH4PO3)x (HPO3)x
3. Wasserentzug aus C-Lieferant Verkohlung:
(HPO3)x + Cx(H2O)m x C + (HPO3)x m H2O
-x NH3
Dipentaerythrit
Polymer-additive
Flammschutzmittel Intumeszenz
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
204
4. Gasbildung durch das Treibmittel, z.B. Melamin:
NH3 N2 + H2O
5. Aufschumen des Gemisches
6. Verfestigung durch Vernetzungsreaktionen
hochviskose Schutzschicht
Nachteil: hohe Mengen (bis 40 Gew.-%) notwendig
+ O2
1 mm 100 mm
Polymer-additive
Flammschutzmittel Intumeszenz
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205
Kennzeichnung von Flammschutzmitteln nach EN ISO 1043-4:
Code-Nr. Gruppe
1x Halogen-Verbindungen
2x
3x Stickstoff-Verbindungen
4x organische Phosphor-Verbindungen
5x anorganische Phosphor-Verbindungen
6x Metalloxide/-hydroxide, Metallsalze
70 74 Bor-/Zink-Verbindungen
75 79 Silicium-Verbindungen
80 Graphit
Polymer-additive
Flammschutzmittel
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
206
Einsatz von Flammschutzmitteln (2007, Summe: 1,8 Mio. Tonnen):
Polymer-additive
Flammschutzmittel
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207
Weichmacher
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
208
Weichmacher engl.: plasticiser (BE), plasticizer (AE)
Grundlagen:
Einsatz von WM zur Verbesserung der Flexibilitt/Elastizitt von KS leich-
tere Verarbeitung/bessere Verwendbarkeit
Prinzip der Weichmachung: Verschie-
bung des thermoelastischen Bereichs
zu niedrigeren Temperaturen durch
Vergrerung der Abstnde zwischen
den Polymer-Ketten
Polymer-additive
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
209
Unterscheidung:
uere Weichmacher keine chemische Bindung
an Polymermatrix
innere Weichmacher Copolymerisation mit
geeigneten Komponenten
Polymer-additive
Weichmacher
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
210
Prinzip: polare Gruppen des WM treten mit polaren Gruppen des Polymers
in Wechselwirkung WM-Dipole schieben sich zwischen Polymerketten
Erhhung der Beweglichkeit der Ketten
Polymer-additive
Weichmacher uere Weichmacher
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
211
keine chemische Reaktion mit Polymer Abgabe an Umgebung mglich!
Phthalat-Problematik: spezielle WM knnen zu Unfruchtbarkeit bei Mn-
nern fhren, da sie in ihrer Wirkung bestimmten Hormonen hnlich sind, die
teststerongesteuerte Entwicklungsstufen beeinflussen
viele Phthalate sind als KS-Additive mittlerweile verboten
Information: http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3540.pdf
(27.04.2011)
Polymer-additive
Weichmacher uere Weichmacher
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
212
Vertreter:
DEHP, Bis(2-chlorethyl)phthalat auch DOP, Dioctylphthalat
wichtigster WM auf Phthalatbasis (vor allem fr PVC)
teratogen: ab 2015 Gebrauchsverbot
Ersatzstoff: DINP, Diisononylphthalat Bis(3,5,5-trimethylhexyl)-
phthalat keine Hinweise auf akute Gefhrdung
DEHP/DOP DINP
Polymer-additive
Weichmacher uere Weichmacher
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
213
Mesamoll:
Mischung von Alkansulfonsureestern des Phenols und langkettigen Alka-
nen
Ersatzstoff fr DEHP: WM fr PVC (steigert gleichzeitig Witterungs- und
Luftbestndigkeit), PUR und Kautschuke
sek. Alkansulfonsurephenylester
(n + m = 12 16) sek. Alkandisulfonsurediphenylester
(n + m + p = 11 15)
Polymer-additive
Weichmacher uere Weichmacher
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214
Hexamoll:
1,2-Cyclohexandiisononylester (DINCH)
Ersatzstoff fr DEHP
WM fr sensible Anwendungsbereiche:
Kinderspielzeug
Medizinprodukte
Lebensmittelverpackungen
Zitronensuretriethylester:
ungiftige Alternative zu Phthalaten (kosten-
intensiver)
Hexamoll
Polymer-additive
Weichmacher uere Weichmacher
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215
Prinzip: Copolymerisation mit geeigneten Komponenten: Comonomere mit
raumerfllenden Seitengruppen Abstnde der Polymerketten inter-
molekulare WW Kettenbeweglichkeit
Vorteile:
KS bleibt dauerhaft weich
Vermeidung von Ausdiffundieren des WM
Bsp.: Polymerisation von Vinylchlorid mit 20% Vinylacetat
auch: Zumischung von kautschukartigen Polymer-Rohstoffen
Polymer-additive
Weichmacher innere Weichmacher
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216
Stabilisatoren
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
217
Stabilisatoren engl.: stabiliser (BE), stabilizer (AE)
Polymer-kettenabbau
Licht
UV-Strahlung
Wrme
Alterung
weathering of polymers
Polymer-additive
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
218
Mechanismus der Materialschdigung:
1. Absorption eines Lichtquants ()
durch ein Molekl X (Verunreinigung,
Additiv, chromophore Gruppe im Poly-
mer) Bildung eines elektronisch an-
geregten Zustands X* (ev. radikalisch)
2. X* zerfllt oder reagiert mit Nachbar-
molekl Z (Radikalfnger) Bil-
dung von Radikalen Z oder
Polymer-additive
Stabilisatoren
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
219
3. X* bertrgt Energie auf O2-Molekl Bildung von sehr reaktivem Singu-
lett-Sauerstoff 1O2 Bildung von Peroxiden/Hydroperoxiden
Polymer-additive
Stabilisatoren
Radikalkettenmechanismus:
1. Kettenstart: Polymer R
2. Kettenfortpflanzung: R + O2 ROO
ROO + RH ROOH + R
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220
Polymer-additive
Stabilisatoren
3. Kettenverzweigung: ROOH RO + OH
RH + OH R + H2O
RO weitere Kettenspaltungsreaktionen
4. Kettenabbruch: ROO + ROO
R + R Rekombinationen
ROO + R
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221
Einsatz von Lichtschutzmitteln:
LSM greifen je nach Wirkungsweise an
verschiedenen Stellen in das Reaktions-
geschehen ein:
UV-Absorber verhindern die elektro-
nische Anregung
Quencher bernehmen die elektroni-
sche Anregungsenergie und wandeln
sie in Wrme oder Licht um
Polymer-additive
Stabilisatoren
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
222
Radikalfnger berfhren Radikale in inaktive Spezies
Peroxid-Desaktivatoren/Inhibitoren zersetzen Peroxide/Hydroperoxide
Polymer-additive
Stabilisatoren
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
223
Vertreter:
UV-Absorber: 2-(2-Hydroxyphenyl)benzotriazole (1), 2-Hydroxybenzophenon
(2), nanoskaliges Titandioxid, TiO2, Eisenoxidpigmente (Farbe!)
Radikalfnger: Phenyl--naphtylamin (3), Phenyl--naphtylamin (4), 2,6-Di-
tert.-butyl-p-kresol (5)
1
2
3
4 5
Polymer-additive
Stabilisatoren
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224
Peroxid-Desaktivatoren/Inhibitoren: Verwendung von sogenannten HALS-
Moleklen (hindered amine light stabilizers), die zu einem stabilen Nitroxy-
Radikal reagieren:
Polymer-additive
Stabilisatoren
WERKSTOFFE 10 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Juni 2014
225
weitere Additive
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226
Fllstoffe (engl. filler):
feste anorganische/organische Materialien (im Polymer dispergiert Haft-
vermittler)
inaktive FS: Streckung eines kostenintensiven Polymers ohne wesentliche
Eigenschaftsvernderungen
Bsp.: Kalk (Thermoplaste); Ru, Kaolin (Kautschuke)
aktive FS: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (u.a. E-Modul)
Verstrkungsstoffe: faserfrmige FS wie Glas-, Kohlenstoff- oder Na-
turfasern (faserverstrkte Kunststoffe)
weitere Additive
Polymer-additive
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227
Antistatika (engl. antistatic agents):
Verminderung von Oberflchen-/Durchgangswiderstand Verhinderung der
elektrostatischen Aufladung an der Oberflche
externe Antistatika interne Antistatika
Auftragung auf die Oberflche Einarbeitung in die Kunststoffmatrix
(Nachteil: geringe Reibfestigkeit)
elektrisch nicht-leitfhige AS: Tenside (z.B. Alkylsufonate) vermitteln als
grenzflchenaktive Substanzen an der Oberflche die Aufnahme von Wasser
aus der Luft Bildung einer leitfhigen Schicht
Polymer-additive
weitere Additive
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228
elektrisch leitfhige AS:
extern: Aufdampfen eines Metallfilms/Auftragen eines leit-
fhigen Lacks
intern: Leitru/intrinsisch leitfhige Polymere wie PEDOT
Polymer-additive
weitere Additive
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229
Farbmittel (engl. colourants):
55943: Sammelbezeichnung fr alle farbgebenden Stoffe
Pigmente (pigments) unlslich im Anwendungsmedium,
berwiegend anorganische FM, hohe Migrationsstabilitt,
hohes Farbechtheitsniveau, Farbe durch Absorption und Streuung
Farbstoffe (dyes) lslich im Anwendungsmedium,
berwiegend organische FM, geringere Migrationsstabilitt,
geringeres Farbechtheitsniveau, Farbe durch teilweise Absorption/Reflexion
Unterscheidung
Polymer-additive
weitere Additive
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230
Pigmente:
Farbe Pigment
schwarz Ru
Titandioxid Zinkoxid, Zinksulfid
blau Ultramarinblau, Manganblau, Cobaltblau, Phtalocyaninblau
rot Eisenoxid, Molybdnrot, organische Pigmente
gelb Chromgelb, Benzidingelb, Flavanthrongelb
grn Chromoxidgrn
silber Aluminium
85% des Gesamtmarktes
Polymer-additive
weitere Additive
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231
Kunststoff-prfung
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232
Verarbeitungs-eigenschaften
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233
Kunststoff-prfung
Verhalten der KS bei Erwrmung technologische Zuordnung:
fest thermoelastisch thermoplastisch Zersetzung: Thermoplaste
fest Zersetzung: Duroplaste
natrlich elastisch Zersetzung: Elastomere
optische Prfung:
transparent: amorphe KS
transluzent/opak: teilkristalline KS
Kunststofferkennung Verarbeitungseigenschaften
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234
Kunststoff-prfung
Oberflchenbeschaffenheit:
wachsartig glatt
Ritzbarkeit
Kunststofferkennung Verarbeitungseigenschaften
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235
Kunststoff-prfung
Bruchverhalten:
Bruch Weibruch - bruchlos
Klangverhalten bei Wurf auf Hartholz-
brett:
dumpf hell
Schwimmverhalten/Dichtebestimmung:
mit Wasser ( = 1 g/cm3)
mit anderen Flssigkeiten
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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236
Kunststoff-prfung
Flammenfrbung:
hellgelb blulich mit gelbem Rand orange
ruend
Brenntest 4 Mglichkeiten:
KS brennt nur in der Flamme.
KS brennt auerhalb der Flamme weiter und erlischt.
KS brennt auerhalb der Flamme weiter und tropft brennend
ab.
KS brennt auerhalb der Flamme weiter und schmilzt ab.
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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237
Kunststoff-prfung
Schwadengeruch
Schmelzverhalten:
Schmelzen mit/ohne Zersetzung Zersetzung ohne Schmelzen
Prfung der Dmpfe mit pH-Indikatorpapier: sauer neutral basisch
Beilsteinprobe:
Nachweis von Halogenen: Kupferdraht/KS-Probe grne
Flammenfrbung
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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238
Kunststoff-prfung
Verhalten gegenber Lsemitteln (Aceton, Benzin, Dichlormethan, Essigsu-
re, Benzol):
Auflsung Quellung ohne Reaktion
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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239
Kunststoff-prfung
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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240
Kunststoff-prfung
Verarbeitungseigenschaften Kunststofferkennung
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241
mechanische Eigenschaften
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242
KS unterscheiden sich in ihrem mecha-
nischen Verhalten sehr stark von den b-
lichen (metallischen) WS
Verhalten ist stark temperaturabhn-
gig
Verhalten ist stark zeitabhngig bzw.
vom zeitlichen Verlauf der Belastung ab-
hngig
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften
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243
Temperaturabhngigkeit mechanischer Eigenschaften:
Beschreibung ber Zustandsbereiche
I: (harter) Glaszustand: Makromolekle sind fixiert, nur Schwingungen
um die Ruhelage mglich
II: Glasbergangsbereich (mit Glasbergangstemperatur Tg): Beweglich-
keit der MM steigt in amorphen KS durch Platztausch einzelner Ketten-
segmente
III: gummielastischer Bereich: amorphe KS zeigen quasilineares Verhal-
ten/teilkristalline KS Steifigkeitsabfall
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften Temperatur-Modul-Kurven
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244
IV: Hornzustand: eingelagerte Kristallite wirken versteifend
V: Schmelzbereich (teilkristalline Polymere): Duroplaste/Elastomere
gehen bergangslos in die Zersetzung ber
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften Temperatur-Modul-Kurven
a: amorpher Thermo-
plast
b: teilkristalliner
Thermoplast
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245
c: Elastomer d: Duroplast
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften Temperatur-Modul-Kurven
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246
bergang zwischen Glasbereich und Gummibereich
hartelastisch, sprde gummielastisch, weich
Tg hngt ab von:
Flexibilitt der Hauptkette im Polymer
flexibel, Tg = -127 C starr, Zers. vor Tg
Tg
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften Glasbergangstemperatur
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247
kleine Seitenketten als Widerhaken (Tg ) groe Seitenketten
als Abstandhalter (Tg )
PE, Tg = -20 C PP-i, Tg = 0 C
PMMA, Tg = 110 C PEMA, Tg = 65 C PBMA, Tg = 20 C
Kunststoff-prfung
mechanische Eigenschaften Glasbergangstemperatur
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248
bliche Einsatztemperatur von Kunststoffen:
teilkristalline Thermoplaste: TEinsatz < Tg (TEinsatz > Tg mgl.)
amorphe Thermoplaste: TEinsatz < Tg
Duroplaste: TEinsatz < Tg
Elastomere: TEinsatz > Tg
Fr das Challenger-Unglck 1986 wurde eine elastomere O-Ring-Dich-
tung aus einem Fluorelastomer verantwortlich gemacht, die unter-
halb Tg betrieben wurde, wo sie nur ungengend elastisch war und
folglich nicht dicht blieb. Austretende heie Verbrennungsgase des
Feststoff-Raketenboosters fhrten daraufhin zur Explosion der Raum-
fhre, die sieben Insassen starben.
Kunststoff-prfung
Glasbergangstemperatur mechanische Eigenschaften
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Trivia:
Fr das Challenger-Unglck 1986 wurde eine elastomere O-Ring-Dich-
tung aus einem Fluorelastomer verantwortlich gemacht, die unter-
halb Tg betrieben wurde, wo sie nur ungengend elastisch war und
folglich nicht dicht blieb. Austretende heie Verbrennungsgase des
Feststoff-Raketenboosters fhrten daraufhin zur Explosion der Raum-
fhre, die sieben Insassen starben.
Der zu diesem Zeitpunkt bereits schwerkranke RICHARD FEYNMAN (No-
bel-Preis fr Physik 1965) verdeutlichte das Versagen der Dichtung
eindrucksvoll.
Kunststoff-prfung
Glasbergangstemperatur mechanische Eigenschaften
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Zugversuch
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Kunststoff-prfung
Zugversuch
quasistatische einachsige Beanspruchung
Probekrper: Herausarbeitung durch Urformverfahren (z.B. Spritzgieen)
oder aus Fertigteilen/Halbzeug
engl.: tensile testing EN ISO 527
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Kunststoff-prfung
Zugprfmaschine: Versuch bei konst. Geschwindigkeit
bis zum Bruch bzw. bis die Spannung (Kraft) oder Deh-
nung (Lngennderung) einen vorgegebenen Wert er-
reicht hat
Zugversuch macht als Kurzzeitprfung keine Aussagen
ber Werkstoffverhalten bei lngerer mechanischer
Beanspruchung ( Langzeitverhalten)
Zugversuch
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Kunststoff-prfung
4 Hauptgruppen von KS
sprde KS (a): Duroplaste
zhe KS mit Streckgrenze
(b, c): PA, PE, PP
zhe KS ohne Streckgrenze
(d): LDPE, PVC-P
weichelastische KS (e):
Elastomere
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
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Kunststoff-prfung
charakteristische Parameter:
Spannung : auf den Anfangsquerschnitt S0 bezogene Zugkraft FZ am Probe-
krper - = FZ/S0 (in MPa)
Dehnung : relative nderung der Melnge (in %)
Streckspannung y: erster Spannungswert, bei dem ein Zuwachs der Deh-
nung ohne Steigerung der Spannung auftritt (bei Streckdehnung y; Stei-
gung der Kurve = 0!)
Zugfestigkeit M: Maximalspannung (bei Zugdehnung M)
Bruchspannung B: Bruch (bei Bruchdehnung B)
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
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Kunststoff-prfung
4 Hauptgruppen:
sehr steiler Kurvenverlauf (nahezu geradlinig),
kein Spannungsverlust bei Bruch
nur kleine Deformationen bei relativ hohen
Zugkrften
Bsp.: Duroplaste/hochfeste Fasern, harte Thermoplaste (PS, PMMA), einige
Elastomere (bei T TG)
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
sprde Kunststoffe (a)
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Kunststoff-prfung
zunchst nur geringe Verformung bei steigen-
der Kraft
ab oberer Fliegrenze (Streckspannung)
bleibt Spannung konstant oder nimmt ab
Material beginnt zu flieen
Neuorientierung der Makromolekle Zugspannung steigt wieder bis Bruch
Bsp.: Polyolefine, PA, PET (T
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Kunststoff-prfung
groe Verformungen schon bei kleinen Zug-
krften
nur mglich fr Thermoplaste bei T > TG und
groen amorphen Bereichen im Polymer
Umordnung der gut beweglichen Polymer-
ketten)
Bsp.: LDPE, PVC-P
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
zhe KS ohne Streckgrenze (d)
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Kunststoff-prfung
Verformung erfordert sehr kleinen Kraftauf-
wand
bei sehr groer Dehnung (einige 100%): erneu-
te Versteifung nach Umorientierung
Bsp.: Elastomere (NBR, SBR)
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
weichelastische KS (e)
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Kunststoff-prfung
Typ a c: Widerstand entsteht durch Bindungen der Ketten untereinander
(VAN-DER-WAALS-Krfte, H-Brcken, z.T. kovalente Bindungen Energieela-
stizitt bei Dehnung wird innere Energie des Systems erhht (auch bei
anorganischen WS/Metallen)
Typ d/e: bei Dehnung werden die relativ frei beweglichen Ketten in eine
neue, gestrecktere Konfiguration gebracht hierbei ndert sich nicht die in-
nere Energie, sondern die Entropie Entropieelastizitt (auch Visko-
elastizitt)
Zugversuch Spannungs-Dehnungs-Diagramme
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Kunststoff-prfung
Abhngigkeit der Zugfestigkeit von der Temperatur:
Prfklima: (232) C, (505) % Luftfeuchte
Zugversuch
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Kunststoff-prfung
Abhngigkeit der Zugfestigkeit von der Prfgeschwindigkeit:
Normung: 1-500 mm/min
Zugversuch
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Kunststoff-prfung
E-Modul ist fr die Konstruktion zusammen mit
y wichtiger als M oder B
HOOKEsches WS-Verhalten bei KS nur bei sehr
niedrigen Dehnungen garantiert
Sekantenmodul:
Deformationsbe-
reich 0,05 0,25%
Kunststoff E in GPa
Kevlar (Aramid) 60-130
PC 3-3,4
PMMA 2,4
PS 2,3
Zugversuch Elastizittsmodul
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Schlagbiege-versuch
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Kunststoff-prfung
Schlagbiegeversuch
Ermittlung der Schlagzhigkeit/Kerbschlagzhigkeit:
Biegebelastung durch ein schwingendes Pendel eines Pendelschlagwerks
gemessen wird die zum Bruch fhrende Schlagarbeit, bezogen auf den Pro-
benquerschnitt:
Schlagzhigkeit n = An/bh [kJ/m2]
Kerbschlagzhigkeit k = An/bh
[kJ/m2]
Bestimmung von k mit V-Kerben
relative Schlagzhigkeit: rel = k/n
engl.: impact bending test EN ISO 179
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Kunststoff-prfung
Schlagbiegeversuch
Temperaturabhngigkeit der Schlagzhig-
keit/Kerbschlagzhigkeit:
, Schlagzhigkeit
, Kerbschlagzhigkeit
, kein Bruch Probe wird durchgezogen
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Hrteversuch
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