Kunststoffe (Subject) / Herstellung von Polymeren [2] (Lesson)

Beschreibung wie Kunststoffe hergestellt werden.

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• Radikalische Polymerisation Reaktion von Doppelbindung tragenden Monomeren mit Radikale bildenden Startermolekülen in einer Dreischrittreaktion.  
• Herstellung in drei Schritten 1. Schritt: Startreaktion (Initiatorzerfall):        Starter → 2 Radikale 2. Schritt: Kettenstart & Kettenwachstum:     Radikal + Monomer → Kettenstart                                                                                   Kettenstart + n-Monomere → Kettenwachstum 3. Kettenabbruch:     a)Rekombination (Verbinden von 2 Ketten)       b)Disproportionierung (2 Ketten gleichen Elektronen und H aus => 2 Ketten ohne reaktives Zentrum)
• Verfahrensarten der radikalischen Polymerisation a) Massepolymerisation, Blockpolymerisation b) Lösungspolymerisation c) Fällungspolymerisation d) Suspensionspolymerisation e) Emulsionspolymerisation
• Massepolymerisation, Blockpolymerisation Starter in Monomer gelöst. + Sauberes reines Polymer -Schlechte Wärmeabfuhr
• Lösungspolymerisation Monomer und Starter in Lösungsmittel gelöst + Wärmeabfuhr -Lösungsmittel muss entfernt werden -Verunreinigungen
• Fällungspolymerisation Monomer & Starter löslich (in Lösungsmittel), Polymer nicht löslich und fällt aus. + Wärmeabfuhr +Polymer muss nur filtriert werden -Verunreinigungen durch Lösungsmittel
• Suspensionspolymerisation Initiator + Monomer nicht löslich => Suspensionskugel + Wärmeabfuhr +Runde Polymerkugeln(„Perlen“) -Verunreinigung durch Suspendierhilfsstoff
• Emulsionspolymerisation „Monomerzellen“ als Mikroreaktor, Initiator in Wassergelöst.      + Wärmeabfuhr    +Sehr gute Steuerung des Polymerisationsgrad    -Emulgator verunreinigt Polymer
• Ionische Polymerisation Herstellung von Polymeren aus Doppelbildungen tragenden Monomeren mit ionischen Startern.=> Anionische Polymerisation (Starter Anionen) => Kationische Polymerisation (Starter Kationen) Ionen sind im Lösungsmittel gelöst Kettenstart und Kettenwachstum Besonderheiten:  - Kein Starterzerfall  - Kein Kettenabbruch => Lebende Polymerisation (Reaktives Zentrum bleibt erhalten)    (Polymerisation könnte bei Zugabe neuer Monomere fortgesetzt werden)  - Geringe Streuung des Molekulargewichts gegenüber Radikal. Poly. (keine Rekombination bei Ionischer P.)
• Koordinationspolymerisation Herstellung von Polymeren aus Doppelbildungen tragenden Monomeren mit Hilfe von Übergangsmetall-/Ziegler-Natter-Katalysatoren. - Kein Kettenabbruch (=> Quasilebende Polymerisation?)- Kettenlänge gut einstellbar (keine Rekombination)
• Polykondensation Herstellung eines Polymers aus multifunktionellen Monomeren in einer Schrittweisen chemischen Reaktion unter Abspaltung von kleinen Molekülen.
• Polyaddition Herstellung eines Polymers aus multifunktionellen Monomeren in einer Schrittweisen chemischen Reaktion ohne Abspaltung von kleinen Molekülen.
• Copolymerisation Zwei oder mehr Monomere werden zu einem Polymer polymerisiert. (Ziel: Kombination der Eigenschaften)
• Spritzgießen Vollautomatische Herstellung von Kunststoffformteilen in einem zyklischen Prozess. 1) Plastifizieren des pulverförmigen oder granulierten Aufgabeguts. 2) Überführung unter hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Werkzeughöhlung 3) Abkühlung (möglicherweise Vernetzung) im Werkzeug 4) Entformung 
• Materialien (Spritzgießen) Im Spritzguss können verarbeitet werden: - Thermoplaste - Elastomere - Duroplaste (Fast Alle?!)
• Spritzguss-Maschine Maschinen mit denen aus Formmassen diskontinuierlich Kunststoffteile hergestellt werden. Die plastifzierte Formmasse wird durch den Angusskanal in die Werkzeughöhlung eingespritzt. Baugruppen: 1) Schließeinheit mit dem Werkzeug 2) Spritzeinheit/Klassifiziereinheit 3) Maschinenbett mit dem Antriebs- und Steuerungsystem
• A) Spritzeinheit Besteht aus einem feststehenden beheizbaren Zylinder in dem eine Schnecke rotiert. Diese Schnecke kann axial in Richtung Düse wie ein Kolben verschoben werden.     Aufgaben:         1) Einziehen und Fördern         2) Verdichten         3) Plastifizieren         4) Homogenisieren         5) Dosieren         6) Einspritzen    - Schnecke ist etwa 20D lang und kernprogressiv. Sie ist schwimmend gelagert    - Rückstromsperre: Verhindert, dass beim Einspritzen in den unteren Schneckengang zurückfließt. Düse:      Verbindungsstück zwischen Massezylinder und Werkzeug      Düsentypen:      1) Offene Düse: Bei ausgasenden Polymeren (POM, PVC) und zähflüssigen Polymerschmelzen      2) Geschlossene Düse: Nadelverschlüsse, bei der Verarbeitung dünnflüssiger Schmelzen
• B) Schließeinheit     Aufgaben:         1) Spritzgießwerkzeug aufnehmen         2) Spritzgießwerkzeug öffnen und schließen         3) Werkzeughaltekraft aufbringen         4) Entformungsvorgang durchführen   - Werkzeugspannplatten (feste, beweglich) haben Zentrierbohrungen zur Aufnahme der      Zentrierflansche des Werkzeugs. Dadurch wird die genaue Zusammenführung gewährleistet.   - Öffnen und Schließen erfolgt entweder mechanisch durch Kniehebel oder Hydraulisch: Kniehebel: + Hohe Geschwindigkeit beim Öffnen und Schließen + Hohe Schließkraft beim langsamen Schließen möglich + Nach dem Schließen keine zusätzlichen Kräfte aufzuwenden - Höhere Fertigungskosten - Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kein werkzeugschonendes Fahren möglich - Schließkraft durch die Säulendehnung Temperatur abhängig Hydraulische Schließeinheit - Höhere Verformung der Schließeinheit beim Werkzeugfüllvorgang     (=> wegen geringen Steifigkeit der Ölsäule) - Langsames Öffnen - Mechanische Schließeinheit (Kniehebel) braucht nur 2/3 der Energie der hydraulischen Einheit + Recht kostengünstig zu bauen (bis etwa 500kN Zuhaltekraft) + Gute Anpassung an verschiedene Einbauhöhen + Vergleichsweise wenig bewegte Teile => Geringerer Wartungsaufwand + Schließkraft einfach durch entsprechende Ventile einstellbar und unabhängig von der Temperatur Neben dem Öffnen des Werkzeugs muss die Schließeinheit die Kraft aufbringen, um das Werkzeug geschlossen zu halten, wenn die Formmasse mit hohem Druck in die Form gepresst wird. Schließkraft = Zuhaltekraft > Werkzeugauftriebskraft = f(Werkzeuginnendruck; Spritzfläche)
• C) Maschinenbett Nimmt die verschiedenen Baugruppen auf und sorgt für eine stabilere Halterung. Aufbau der Komponenten: SpritzeinheitSchließeinheitBemerkungHorizontalHorizontalKlassischer Aufbau beim ThermoplastenspritzgussHorizontalVertikalFür Einlegeteile die günstigste VarianteVertikalVertikalFür Sehr dünnflüssige Formmassen (Elastomere oder Duroplastenspritzguss)
• D) Zusatzeinrichtungen     - Ölheizung der Spritzeinheit:        Für Duroplastische Materialien ist ein gleichmäßiges Erwärmen durch einlaufendes ÖL besser.     - Werkzeugtemperierung: o   Werkzeug sollte die heiße Schmelze möglichst schnell abkühlen o   Kühlkanäle im Werkzeug müssen hinsichtlich Anordnung und Dimensionen optimal sein. o   Abkühlung beeinflusst die Formteilqualität: ·        Formteiloberfläche ·        Verzug ·        Eigenspannungen ·        Gleichmäßige Gefügeausbildung ·        Maßabweichungen     - Trocknungseinrichtungen:        Kunststoffe sollten vor dem Verspritzen getrocknet werden um        Schlieren oder Blasen auf der Kunststoffoberfläche zu vermeiden.        Auch der Abbau des Polymers durch Hydrolyse wird so verhindert.                             Geräte:        ·        Umlufttrockenschrank ·        Schnelltrockner mit Frischluftbetrieb ·        Trockenlufttrockner ·        Vakuumtrockner
• Spritzgießwerkzeug Ein Werkzeug besteht aus: ·        Feststehender und beweglicher Werkzeughälfte ·        Kernen ·        Angusssystem ·        Auswerfereinrichtung ·        Kühlsystem Die vier Aufgaben: 1)     Masse zu leiten 2)     Masse zu formen 3)     Masse zu kühlen 4)     Formteil auszuwerfen Angussarten: Die Schmelze wird aus der Plastifiziereinheit durch die Angussstange/-kegel und dem Verteilerkanal zu den Werkzeugnestern/-hohlräumen/ und kavitäten geleitet. Der Querschnitt, der den Hohlraum mit dem Verteilerkanal verbindet heißt Anschnitt/Anbindung. Das Angusssystem sollte so dimensioniert sein, dass für die Schmelze gilt:                - Geringe Scherung                - Geringe Temperaturerhöhung                - Geringer Druckverlust   Aussicht des Verarbeiters: ·        Geringer Angussabfall ·        Kurzer Spritzgusszyklus ·        Möglichst automatische Angussabtrennung ·        Großes Verarbeitungsfenster ·        Störungsfreier Betrieb   Angussarten Siehe Skript!
• Fomteilgestaltung Ziel: Hochwertige, maß haltige Kunststoffprodukte herzustellen Einflussgrößen: a) Werkzeug  -Auslegung des Angussststems  -Berücksichtigung der heim. Auslegung - Optional dimensionierte und positionierte Temperaturkanäle b) Prozess Wichtige Parameter: ·        Massetemperatur ·        Werkzeugoberflächenstruktur ·        Einspritzgeschwindigkeit ·        Nachdruckzeit ·        Kühlzeit c) Maschine  Plastifiziereinheit: ·        Homogenität ·        Temperatur ·        Dosiervoluman ·        Schließeinheit d) Verarbeitungstechnische Eigenschaften - Fließverhalten - Erstarrungsverhalten - Schwindung e)Formteil    - Wanddicke (Maße und Verteilung)    - Fließvorgänge   Merkmale:   - Abkühlbedingungen   - Orientierungen   - Oberflächenfehler   - Bindenähte   - Einfallstellen
• I) Fließen der Schmelze Quellenfluss: Schmelze erstarrt als erstes außen an der Werkzeugwandung, durch die plastische Seele kann Schmelze nachfließen und durch Nachdruck den Schwindungen entgegen wirken. Freistrahl: (SCHLECHT!)Aufgrund von zu hoher Einspritzgeschwindigkeit, falscher Lage des Anschnitts kann sich ein voreilender Strangim Werkzeug querlegen, abkühlen und mit der nachfließenden Schmelze schlecht verschweißen.
• II) Schwindung Die fertigen Spritzgussformteile sind aufgrund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach dem Abkühlen kleiner als das Kaltmaß des Werkzeugs Schwindungsarten:  -Verarbeitungsschwindung (VS)                              -Nachschwindung (NS) a) Verarbeitungsschwindung Nach DIN 16901 ist der Unterschied zwischen Kaltmaß des Werkzeugs und Formteil bis 16h nach Fertigung. Gründe: Material zieht sich aufgrund der Tempodifferenz zusammen                 Material bildet kristalline Bereiche aus Durch Nachdruck kann die VS, die sonst 15-20 Volumen-% beträgt, auf 0-3 vor % reduziert werden b) Nachschwindung Nach längerer Lagerung und bei späterer Erwärmung. Gesamtschwindung (GS) = Verarbeitungsschwindung (VS) + Nachschwindung (NS) Einflussgrößen: a) Werkzeugtemperatur: VS nimmt aufgrund der Bildung von kristallin an Bereichen zu,                                                   die NS nimmt jedoch mit zunehmender Temperatur ab. b) Werkzeuginnendruck: Mit zunehmendem Werkzeugdruck nimmt die Schwindung ab                                                   => Maßkorrektur durch Spritze-Nachdruck c) Fließweglänge: Schwindung steigt, da der Wertezeuginnen druck durch steigende  Längen sinkt. d) Formteildicke: VS nimmt mit der Wanddicke zu (=> Druckabnahme)      Bei Formteilen mit starkem Wandickenunterschieden muss mit Verzug gerechnet werden.  
• III) Bauteilgestaltung/Sonstiges Orientierungen: Beim Füllen der Kavitäten werden die Polymerketten ausgerichtet. -> Orientierung kann zu Verzug führen! Festigkeiten eines Formteils sind in Fließrichtung höher als quer dazu.  (Anisotropie der mech. Eigenschaften) Gestaltungshinweise:  - Wanddicken möglichst gleichmäßig halten (sonst Verzug durch untersch. Abkühlung) - Massenanhäufungen vermeiden - Scharfe Ecken und Kanten vermeiden => scharfe Ecken werden unterschiedlich abgekühlt => Vakuolenbildung (Bildung von Löchern im Forumteil) Besser: große Radien an den Ecken - Rippen richtig gestalten => Massenanhäufungen und Kerben vermeiden Grafik
• Verfahrenstechnik a) Dosieren Die Größe des Formteils bestimmt das Dosiervolumen. Durch die Rotation der Schnecke (Einzug, Verdichten, Plastifizieren, Homogenisieren) wird im Schneckenvorraum Schmelze angesammelt. Dabei fährt die Schnecke zurück und arbeitet dem Staudruck entgegen. Der zurückgefahrene Weg soll nicht größer als 4 D sein das sonst Fehler im Formteil auftreten. b) Einspritzen Werkzeug wird geschlossen. Düse wird an die Angussbüchse gefahren. Einspritzen durch Vorwärtsbewegung der Schnecke. Zum Ausgleich der Schwindung schaltet die Spritzeinheit von Einspritzdruck auf Nachdruck. Dieser wird so lange gehalten, bis die Schmelze am Anschnitt erstarrt. c) Abkühlen Kühlzeit beginnt mit dem Einspritzen. Eine Restkühlzeit ist einstellbar. d) Entformen Düse wird vom Werkzeug weggefahren und neu dosiert. Werkzeug öffnet sich und das Formteil wird mit dem Auswerfsystem entformt. Grafik

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