Einführung in Kunststoffe und Verbunde (Subject) / 2.Vorlesung (Lesson)

Aufbau, Herstellung und Struktur von Kunststoffen

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• Was sind Werkstoffe? Werkstoffe sind (feste) Stoffe, die mit der Absicht einer technischen Verwendung hergestellt wurden. Sie werden charakterisiert durch ihr: -... -... -... Der Werkstoff ist ein ganz wesentlicher Bestandteil, weil Werkstoffe Materialien sind, die zu Produkten/Sachgütern verarbeitet werden.
• Ausgangsstoffe für Kunststoffe Ausgangsstoffe der Kunststoffe sind Erdöl/Erdgas, Kohle/Koks, ... und Sand (->...)
• Wieviel Prozent der Rohölförderung wird zu Kunststoffen verarbeitet? 90% der geförderten Erdölmenge werden sofort zu Energiegewinnung verbrannt! Kunststoffe 6%
• Herstellung von Kunststoffen - meist Rohöl (selten Erdgas oder Kohle) -Rohöl enthält ca. 1000 unterschiedliche ... verbindungen (KW) -Destillation in Röhrenofen bei 400°C
• Herstellung von Kunststoffen 2 Steamcracker Durch Cracken der Naphtafraktion bei ca. 850°C zerfallen KW zu kleineren Molekülen (z.B. Ethylen) durch chem. Reaktionen entstehen Kunststoffe (z.B. Polyethylen (PE)) Rohbenzin (Naphta)--> Spaltöfen-->Kühlung-->Verdichtung-->Trennung
• Aufbau der Kunststoffe Neben Kohlenstoff können weitere Elemente am Aufbau der Verbindungen beteiligt sein: Wasserstoff Sauerstoff Stickstoff Schwefel Phosphor Fluor Chlor Silicium
• Aufbau der Kunststoffe Makromoleküle Einteilung Naturstoffe: Kohlenwasserstoffe: Kautschuk, Polysaccaride: Cellulose, Stärke, Proteine: Seide, Wolle -->nicht-synthetisch Umgewandelte Naturstoffe: KW-Basis: Gummi, Cellulose-Basis, Celluloid, Viscose, Protein-Basis:Leder -->halb synthetisch Kunststoffe: Polymerisate: PE,PP,PS,PVC, Polykondensate: Bakelit, Polyester, Polyaddukte: Polyurethane -->vollsynthetisch
• Aufbau der Kunststoffe Definition Kunststoffe Kunststoffe sind synthetisch-organische Werkstoffe, die ein oder mehrere Polymere (Makromoleküle) und Additive enthalten Kunststoffe =Polymere+Additive
• Polymer griech. Polys= viele, meros=Teil - Makromolekül (Riesenmoleküle) aus Monomeren bzw. Grundbausteinen (Atome oder Atomgruppen) -Kettenlänge (Ausgestreckt ca. 1 mikrometer, Dicke 0,5nm)
• Wozu werden Additive eigesetzt und welche Arten gibt es? Einstellung der Werkstoffeigenschaften Weichmacher, Stabilisatoren, leitf. Zusätze, Farb-, Füll- od. Verstärkungsstoffe
• Aufbau und Herstellung der Kunststoffe Polymer Modifikation Blends (Mischungen):Blend (früher Legierungen) Verstärkungsphasen: Composite/Komposit/Verbundwerkstoff Copolymer: Copolymerisation Schlagzähmodifizierung: Compound Verstärkungsphasen: Composite/Komposit/Verbundwerkstoff Additive
• Was ist ein Blend? Blend (früher Legierung) Mischung zweier oder mehrerer thermoplastischer Polymere (chem. u. physik. unterschiedl. Phasen/Komponenten) Rein mechanisches Gemenge aus mind. 2 Polymersorten
• Was ist ein Komposit? Composite/Komposit/Verbundwerkstoff Mischung eines Polymeren (v.a. Duroplaste) mit meist hohen Anteilen an Verstärkungsstoffen (Glas- od. Kohlenstofffasern)
• Was ist ein Compund? Mechan. Mischung eines od. mehrerer thermoplastischer Polymere mit Füll- o/u Verstärkungsstoffen sowie Additiven Herstellen von Compounds heißt Compoundieren od. Aufbereiten bzw. Konfektionieren
• Welche Anordnungen gibt es bei der Copolymerisation? Statistische Anordnung alternierende Anordnung Block-Copolymer Propf-Copolymer
• Prozessschritte von der Materie bis zum Werkstück Materie(Elemente)->Rohstoff(Monomere)->Material(Polymere) ->Werkstoff(Kunststoffe)->Werkstück(Kunststoffbauteile
• Eigenschaftsvergleich mit Metall Was kann man hier bezüglich Polymere gegenüber Metallen sagen? (Polymereigenschaften und -verhalten) Was sind die Ursachen in der Struktur der Polymere? Polymere sind leichter als Metalle, sie sind nicht so dicht gepackt und bestehen aus Nichtmetallen. Ihre Dichte liegt zwischen 0,9...2,0 kg/dm^3, sie schwimmen z.T. auf dem Wasser (als massive Stoffe) Ursache: Dichtevergleich mit Eisen zeigt, dass C,H,O,N,Cl,F und S eine viel geringere Dichte als Eisen aufweisen
• Eigenschaftsvergleich mit Metall Was kann man über die chemische Beständigkeit sagen? Was ist die Ursache in der Struktur der Polymere? Polymere haben hohe Beständigkeit in Säuren, Basen und Salzlösungen, sind jedoch nicht beständig gegen bestimmte Lösungsmittel, die lösen oder aufquellen lassen Ursache: Polymere sind chemische Verbindungen, molekular gebaut,. Ihre Valenzelektronen sind in Elektronenpaaren gebunden. Die Atome haben dadurch die "Edelgashülle"
• Eigenschaftsvergleich mit Metall Polymereigenschaft Steifigkeit, E-Modul und deren Ursachen in der Struktur der Polymere Polymere sind biegeweicher als Metalle ihr E-Modul liegt um Zehnerpotenzen niedriger und ist stark temperaturabhängig. Beispiel: Gartenschlauch wird im Winter steif Ursachen: Polymere haben keine Kristallgitter, ihre Moleküle haben größere Abstände und schwache Anziehungskräfte. Bei Erwärmung vergrößern sich die Abstände, die Kräfte werden noch kleiner
• Polymereigenschaft und -verhalten und ihre Ursache in der Struktur der Polymere: Wärmedehnung und Wärmebeständigkeit Polymere dehnen sich bei Erwärmung ca. 5-15-fach stärker aus als Metalle. Beispiel: Profile, wie Handläufer, Rohrüberzüge heben sich bei Erwärmung ab. Bei höheren Temperaturen erfolgt Zersetzung mit Verfärbung, Blasenbildung und Verbrennung Ursache: Bei Wärmezufuhr vergrößern sich die Abstände der Moleküle (Wärmebewegung), Erweichung der Stoffe, bei hohen Temperaturen zerfallen die Riesenmoleküle in niedermolekulare Stoffe, die flüssig oder gasförmig sein können
• Polymereigenschaft Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität Ursache dafür Polymere haben niedrigere Wärmeleitzahlen, sie betragen ca 1/300 der von Stahl. Es sind isolatoren für die E-Technik, (mit Ausnahme der Sorten, die die Feuchtigkeit aufnehmen) Weitergabe von Wärme- und elektrischer Energie ist an freie Elektrone gebunden. Bei Polymeren liegen Elektronenpaarbindungen vor, die Elektronen sind ortsgebunden (lokalisiert).
• Polymereigenschaft Langzeitverhalten und deren Ursache Polymere neigen unter Belastung zum Kriechen, das ist eine langsame bleibende Formänderung, oder sie lassen in der Spannung nach (Ermüdung) Das Fehlen eines Kristallgitters und die größeren Molekülabstände lassen ein Verschieben der Kettenmoleküle zu
• Farbgebung von Polymeren Polymere sind glasklar bis milchig und lassen sich durchgehend und mit höherer Beständigkeit einfärben als lackierte Metalle
• ...tät von Elastomeren T.... ...tät von Elastomeren: Nichtlineare Spannungs-Dehnungskennlinie, Dämpungs- und verformungshistorische Effekte und ausgeprägte Inkompressibilität T...:Verdrängen in verschiedenen Anwendungen Gläser, weil sie eine höhere Zähigkeit besitzen
• Aufbau und Herstellung der Kunststoffe Aus wie vielen Makromolekülen kann ein Monomer aufgebaut sein? Was kann man über plastische Zustände sagen? Ein Makromolekül kann aus mehr als ... Monomeren aufgebaut sein. Kunststoffe durchlaufen in irgendeiner Phase ihrer Verarbeitung plastische Zustände.
• Die Herstellungsprinzipien von Polymeren lassen sich nach dem Mechanismus der kettenaufbauenden Reaktionen in zwei Gruppen unterteilen: (1) Kettenwachstumsreaktion (Polymerisation) (2) Stufenwachstumsreaktion (Polykondensation und Polyaddition)
• Herstellung von Kunststoffen Bildungsmechanismen der Molekülketten Polyreaktionen zur Synthese von niedermolekularen (monomeren) zu hochmolekularen (polymeren) Verbindungen ->(Ketten-)Polymerisation ->Polykondensation (auch Kondensationspolymerisation) ->Polyaddition (auch Polyadditionspolymerisation)
• Monomere mit -ungesättigten Doppelbindungen -bi-funktionellen Gruppen -höherfunktionellen Gruppen -ungesättigten Doppelbindungen: lineare Molekülketten-bi-funktionellen Gruppen: lineare Molekülketten (Fadenmolekül)-höherfunktionellen Gruppen: verzweigte od. vernetzte Molekülketten
• Unterscheidung nach Entstehungsart: Polykondensation Bei der Polykondensation verknüpfen sich zwei Molekülsorten unter Abspaltung von kleinen Molekülen zu höheren Einheiten Polykondensat A+B ->C+D
• Unterscheidung nach Entstehungsart: Polymerisation Bei der Polymerisation wachsen Moleküle unter Auflösung der C=C-Doppelbindungen zu langkettigen Riesenmolekülen Polymerisat (A+A->B)
• Unterscheidung nach Entstehungsart: Polyaddition Bei der Polyaddition verbinden sich die Monomere an ihren Endgruppen, wobei eine Umlagerung der Atome stattfindet Polyaddukt: (A+B->C)
• Die Art der Polymerbildung ist abhängig von ... ...der Struktur des eingesetzten Monomers
• Was versteht man unter Polymerisation? Unter Polymerisation versteht man die Verknüpfung zahlreicher Monomere zu Makromolekülen meist unter Aufspaltung von Mehrfachbindungen
• Was versteht man unter Multifunktionalen Monomeren Monomere können bifunktionell oder trifunktionell sein. kettenförmiges Polymer vs. verzweigtes/vernetztes Polymer
• Aufbau von Kunststoffen Kettenbildung Kettenaufbau Kettenbildung: Die Fähigkeit des Kohlenstoffs, Kettenmoleküle zu bilden, liefert die Grundlage für die meisten natürlichen und künstlichen Polymeren Kettenaufbau:Die physikalischen Eigenschaften der Polymere resultieren aus dem Aufbau des Kettenmoleküls, v.a. Kettenlänge (ausgestreckt ca. 1mikrometer, Dicke ca. 0,5 nm) Verzweigungen Eingelagerte Elemente, Molekülgruppen Bindungsmechanismen (Hauptvalenz-, Nebenvalenzbindungen) ->Lineare Makromoleküle ->Vernetzte Makromoleküle
• Welche Bindungskräfte gibt es? 1) Innermolekulare chemische Bindungskräfte ("Hauptvalenzbindungen") 2)Intermolekulare physikalische Bindungskräfte ("Nebenvalenzbindungen") -Dispersionskräfte -Dipolkräfte -Wasserstoffbrückenbindungen Chemische Bindungskräfte sind sehr stark, physikalische lassen sich leicht durch Wärme und Lösungsmittel reduzieren
• Welche Unterscheidungen von Bindungen nimmt man vor? Primärbindungen: sind Kräfte zwischen den Monomer-Bausteinen der Molekülketten, starke chemische Bindung (Elektronenpaarbindung), von der Art der Monomeren abhängig Sekundärbindungen: sind Kräfte zwischen den Molekülketten, schwache Kräfte, durch Länge und Gestalt der Ketten, sowie ihre Ordnung beeinflussbar stark temperaturabhängig
• was sind Hauptvalenzkräfte? Chemische Atombindung (Kovalente Bindung oder Elektronenpaarbindung) Je nach Anzahl der Bindungen zwischen zwei Atomen unterscheidet man zwischen Einfach-, Doppel-, oder Dreifachbindung
• Was sind Nebenvalenzkräfte? zwischenmolekulare Kräfte (Van der Waals Kräfte) Zwischenmolekulare Kräfte sind die zwischen den Makromolekülen wirksame Kräfte (Resultierend aus der Verteilung und Bewegung der Elektronen) Im gegensatz zu den Hauptvalenzkräften sind Nebenvalenzkräfte physikalischer natur und lassen sich unterteilen in: Dispersionskräfte Dipolkräfte Wasserstoffbrücken
• .... aufbau Für die Eigenschaften ist weniger die Entstehtungsart, sondern vielmehr die ... der Makromoleküle entscheidend!
• Aufbau der Kette Was versteht man unter der Ketten-Konstitution? chemisches Aufbauprinzip eines Moleküls aus Atomen: Typ und Aneinanderreihung der Atome Art der Endgruppen und Substituenten Art und Länge der Verzweigungen (PE-LD, PE-HD, PE-LLD, PE-UHMW) Molmasse (alt: Molekulargewicht)
• Verzweigungen der Thermoplaste PE-LD vs. PE-HD PE-LD: 40-50 Verzweigungen pro 1000 C-Atome PE-HD 2-5 Verzweigungen pro 1000 C-Atome
• Aufbau der Kette: Was versteht man unter Konfiguration/Konformation Ketten-Konfiguration: Räumliche Anordnung der Atome und Atomgruppen im Molekül bei gleicher Konstitution Ketten-Konformation: räumliche Gestalt, die Makromoleküle durch Umklappen oder Drehen um die Bindungsachse erreichen Bindungsabstand, Bindungswinkel sind fest Bindungsachse ist beweglich

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