Polymere (Fach) / HVAT II (Lektion)

Technologie derPolymere

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• Prinzipieller Aufbau von Kunststoffen! - organisch aus Makromolekülen aus niedermolek. Verbindungen, den Monomere - Herstellung aus Naturprodukte oder durch Synthese (Erdöl, Erdgas, Kohle) - Unterscheidung der Makromolekularen Stoffe: -> Art und Anordnung der an ihrem Aufbau beteiligten Atome (chem. Aufbau) -> Gestalt der Makromoleküle -> Größe der Makromoleküle -> Ordnung der Makromoleküle untereinander org. Polymere: vorwiegend C und H Heteroatome + O, N, F, Cl halborg.: Silikone  
• Wodurch unterscheiden sie sich ? physikal.WW: Festigkeit, Härte, Erweichungsverhalten Polyreaktion: Addition, Kondensation, -merisation Ordnungsgrad: amorph, teilkristallin Wärmeverhalten: Thermoplaste (bei Wärme fließfähig, erstarren beim Abkühlen), Duroplaste (nach Verarbeitung vernetzt, weder schmelz- noch lösbar), Elastomere (schwach vernetzt, kautschukähnliches Verhalten; beim Erhitzen bis kurz unter Zersetzungstemp. nicht schmelzbar)    
• Was hat der Aufbau mit der Verarbeitung zu tun? Die Makromolekülanordnung wird durch den Aufbau der Molekülketten untereinander bestimmt und beeinflusst maßgeblich die physikalischen Eigenschaften des Polymers. Molekülketten können linear, verzweigt oder vernetzt vorliegen. Es wird bei Vernetzungen zwischen räumlich eng oder weit unterschieden. Die Konfiguration der Molekülketten bestimmt Eigenschaften des Polymers, wie das mechanische Verhalten. Der strukturelle Aufbau bestimmt, ob ein Kunststoff flüssig, spröde, weich oder hartelastische oder plastisch ist. Sowohl thermische als auch chemische Eigenschaften (Quellbarkeit und Löslichkeit) werden ebenfalls von der Anordnung der Molekülketten beeinflusst. Die optischen Eigenschaften, d.h. ob ein Kunststoff z. B. lichtdurchlässig ist, ist mit seiner Struktur zu begründen. Duroplaste, Elastomere und Thermoplaste unterscheiden sich in ihrer Makromolekülanordnung wie folgt.
• Welche drei Kunststoffgruppen gibt es ? è Standardkunststoffe/Massenkunststoffeumfassen die in großen Mengen hergestellten Thermoplaste, welche oft für Verpackungen, für Gehäuse, im Bauwesen o.ä. eingesetzt werden. è Technische Kunststoffe („Ingenieurkunststoffe“)besitzen gegenüber Standardkunststoffen bessere mechanische, thermische und meist auch elektrische Eigenschaften. Sie sind für komplexe Beanspruchungen einsetzbar. è Hochleistungskunststoffesind technische Kunststoffe mit besonders herausragenden Eigenschaften, besonders hinsichtlich der thermischen Einsatzgrenzen. Die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen stellt oftmals auch höhere Anforderungen Unterteilung der Kunststoffe: Thermoplast, Elastomer, Duromer, Thermoplastische Elastomere(TPE): Block- Copolymer und Blend
• Welche Überstrukturen können sich in Thermoplasten ausbilden ? aus Lamellen folgen Sphärolithen
• Wie sehen die Zustandsdiagramme der verschiedenen Kunststoffe aus ? Thermoplaste Unterhalb der Erweichungstemperatur ist der Kunststoff hart und spröde. Bewegungen einzelner Kettensegmente sind nicht möglich. Die Moleküle schwingen um ihre Ruhelage. Mechanische Belastungen sind vollständig elastisch und reversibel. Der Bereich wird als energie-elastisch bezeichnet. Amorphe Werkstoffe liegen im Allgemeinen bei der Gebrauchstemperatur in diesem Zustand vor. Bei teilkristallinen Werkstoffen liegt die teilkristalline Phase in diesem Zustand vor. • Oberhalb der Erweichungstemperatur Tg sind die Beweglichkeit der Ketten und ihre Abstände so groß, dass Molekülbereiche sich relativ zueinander bewegen können. Das Material ist weich und zäh. Der Bereich wird entropie-elastisch genannt und wird durch die Fließtemperatur begrenzt. Elastomere werden in diesem Bereich benutzt, bei teilkristallinen Werkstoffen liegt die amorphe Phase in diesem Zustand vor. • Oberhalb der Fließtemperatur ist die Beweglichkeit so hoch, dass die Moleküle vollständig voneinander abgleiten können. Der Bereich heißt Schmelze und wird durch die Zersetzungstemperatur begrenzt. Bei der Zersetzungstemperatur treten erste thermische Schädigungen auf und die Molekülketten beginnen, sich in Form von Ruß in ihre Bestandteile zu zersetzen. • Bei teilkristallinen Kunststoffen tritt zusätzlich die Kristallitschmelztemperatur auf. Bei üblichen Werkstoffen fallen diese und die Fließtemperatur zusammen. Beim Aufschmelzen amorpher Kunststoffe wird die eingeleitete Wärme direkt für die Temperaturerhöhung des Materials verwendet. Bei teilkristallinen Kunststoffen dient die zugeführte Wärme zunächst dem Abbau der kristallinen Bereiche, d.h. es kommt zu einem verzögerten Temperaturanstieg im Material. Entsprechend der erhöhten Wärmezufuhr beim Schmelzen teilkristalliner Kunststoffe wird beim Bilden der Kristallite Wärme freigesetzt, wodurch die Kristallisation bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet als das Schmelzen. Abb. siehe Frage 6
• Welche Zusammenhänge gibt es z.B. zwischen Festigkeit und Temperatur ? Mit zunehmende temperatur nimmt die Duktilität zu und das hat zur Folge, das die Spannung abnimmt und die Belastbarkeit zunimmt.Ausserdem sinkt der E- Modul mit steigender T siehe Abb 1+2. Frage 7
• Wodurch unterscheiden sich z.B. verschiedene PE-Typen Polyethylen nimmt nur wenig Feuchtigkeit auf und kann hohen Zugbelastungen ausgesetzt werden. Hochdruck-Polyethylen (HDPE) hoher Dichte. Dabei handelt es sich um ein Isoliermaterial für Kabel. Das Niederdruck-Polyethylen (LDPE) geringer Dichte, das ebenfalls ein Isoliermaterial für Kabel ist. Das vernetzte Polyethylen (VPE), das Polyethylenterephthalat (PETP) und das Ethylen-Vinylacetat (EVA). PE-HD (HDPE): schwach verzweigte Polymerketten, daher hohe Dichte zwischen 0,94 g/cm3 und 0,97 g/cm3, („HD“ steht für „high density“). PE-LD (LDPE): stark verzweigte Polymerketten, daher geringe Dichte zwischen 0,915 g/cm3 und 0,935 g/cm3, („LD“ steht für „low density“). PE-LLD (LLDPE): lineares Polyethylen niederer Dichte, dessen Polymermolekül nur kurze Verzweigungen aufweist. Diese Verzweigungen werden durch Copolymerisation von Ethen und höheren α-Olefinen (typischerweise Buten, Hexen oder Octen) hergestellt („LLD“ steht für „linear low density“). PE-HMW: hochmolekulares Polyethylen. Die Polymerketten sind länger als bei PE-HD, PE-LD oder PE-LLD, die mittlere Molmasse liegt bei 500–1000 kg/mol. PE-UHMW: ultrahochmolekulares Polyethylen mit einer mittleren Molmasse von bis zu 6000 kg/mol und einer Dichte von 0,93–0,94 g/cm3 („UHMW“ steht für „ultra high molecular weight“).  
• Welchen Zustand streben die Moleküle eines Kunststoffes an? Zustand höchster Entropie. Dem Bestreben zur Minimierung der freien Enthalpie zwischen zwei benachbarten Makromolekülen kommt die Ausrichtung dieser Moleküle in eine parallele Lage entgegen.Dieser Vorgang, der zu einem höheren Ordnungszustand führt, wird als Kristallisation bezeichnet.  
• Was sagt Ihnen der Begriff Entropie ? Im Temperaturbereich des weichelastischen Verhaltens eines Makromolekül- Segments von einer energiearmen Position, besonders wenn steigende äußere Kräfte auf das Polymer einwirken. Voraussetzungen: Am neuen Platz befand sich vorher eine Leerstelle und das Segment vereinigt zufällig durch die statistische Energiefluktuation die nötige Aktivierungsenergie auf sich, um die Energieschwelle, die zwischen den beiden energiearmen Positionen liegt, zu überwinden. Die innere Energie ist vor und nach dem Platzwechsel praktisch gleich, aber auch die Orientierung in Richtung der einwirkenden äußeren Kraft wird die Ordnung entgegen dem thermodynamischen Gleichgewicht erhöht, die Entropie vermindert. Aus der thermodyn. Tendenz zur Maximierung der Entropie resultiert, angetrieben durch die Wärmebewegung, die rückformende Kraft. In einer Schmelze finden noch mehr Platzwechsel statt,  aber kurz nach Stillstand einer Verformung baut sich die verursachende Kraft ohne Rückformung, sondern durch Fließvorgänge ab. Dabei wird das Minimum der inneren Energie und Maximum der Entropie des thermodyn. GG erreicht.
• Welche Dimensionen haben Kunststoffmoleküle ? Makro- oder Kettenmoleküle sind beispielsweise etwa 1m breit, aber dafür 1000 m lang. Daher finden sie sich zu knäuelartigen Strukturen zusammen. Ausserdem können Kettenmoleküle linear oder verzweigt sein. Siehe Abb. Frage 11
• Welche Urformverfahren gibt es für Kunststoffe ? Urformen: dünnflüssiges Vorprodukt oder viskose Schmelze zur Herstellung von Halbzeugen oder Fertigteilen - Spritzgießen, Kalandrieren, Extrudieren, Folienblasen, Pressen, Schäumen, Beschichten (siehe auch Kunststoffkompendium, Vogel Fachbuch, Adolf Franck- S. 154- 196)  
• Was versteht man unter „Physikalischer Stoffbildung“ ? Worauf basiert die „Physikalische Stoffbildung“ ? Beispiele für die „Physikalische Stoffbildung“ ? Farben und Lacke Als Polymerdispersion oder auch Polymerlatex bezeichnet man eine kolloidal stabile Dispersion von Polymerpartikeln in einer wässrigen Phase. Der Durchmesser der Polymerpartikel kann zwischen einigen 10 Nanometern und wenigen Mikrometern liegen. Je nach Teilchendurchmesser und Polymergehalt erscheinen Polymerdispersionen als mehr oder weniger trübe bis weiße Flüssigkeiten. Die kolloidale Stabilität der Dispersion wird meistens durch grenzflächenaktive Stoffe, wie Tenside oder Schutzkolloide erzielt. Polymerdispersionen können durch verschiedene Polymerisationsverfahren (z. B. Emulsionspolymerisation, Suspensionspolymerisation) direkt aus den Monomeren oder auch durch Dispergieren eines Polymeren hergestellt werden. Ein Beispiel für eine natürlich vorkommende Polymerdispersion ist der Naturlatex des Gummibaumes (Hevea brasiliensis). Industriell werden Polymerdispersionen in großem Umfang produziert und direkt – z. B. als Klebstoff, Bindemittel für Dispersionsfarben usw. – oder als Zwischenprodukt in der Kunststoff und Kautschukindustrie genutzt.
• Was versteht man unter „Chemischer Stoffbildung“ ? Worauf basiert die „Chemische Stoffbildung“ ? Beispiele für die „Chemische Stoffbildung“ ? Duromere, Elastomere-> Verarbeitung Das Spritzgießen von Elastomeren erfolgt auf Schneckenspritzgießmaschinen. Elastomere können in Form von rieselfähigen Pulvern oder bandförmig von einer speziellen Förderschnecke, die wenig Scherung in die plastifizierte Masse einbringt, eingezogen werden. Der Zylinder wird meist mit einer Flüssigkeit auf ca 80 °C temperiert(Wassertemperierung), um Überhitzung zu vermeiden, da ein zu heißer Spritzzylinder schon ein vorzeitiges ausvulkanisieren des Elastomers zufolge hätte. Weiters stellt auch das Gratfreie Spritzgießen von Elastomeren eine besondere Herausforderung dar, da Elastomere im Fließbereich (genau so wie Duroplaste) sehr dünnflüssig sind, so ist auch der Aufwand bei der Werkzeuggestaltung etwas höher als bei Thermoplastwerkzeugen. Von den genannten Besonderheiten abgesehen, verläuft der Spritzgießvorgang prinzipiell ähnlich wie beim Thermoplast-Spritzgießen ab. Die Schnecke knetet und mischt die Formmasse, die dadurch homogen aufbereitet wird. Dadurch lässt sich z. B. gegenüber dem Pressen, bei dem durch die Wärmezufuhr von außen eine inhomogene Temperaturverteilung entsteht, eine Qualitätsverbesserung der hergestellten Formteile erzielen. Der Vorgang verläuft auch relativ schnell. Beim Strömen in der Düse und in den Angusskanälen entsteht Reibungswärme. Dies verkürzt die Vulkanisierzeit. Dadurch wird der Spritzgießprozess besonders wirtschaftlich. Einige mechanische Eigenschaften können bis zu 30 % höher liegen als bei gepressten Elastomeren. Die hohe Materialviskosität macht relativ große Angussquerschnitte erforderlich. Sehr wirtschaftlich arbeiten so genannte Kaltläuferwerkzeuge. Dabei wird der Angusskanal im Werkzeug gekühlt. Man kann immer wieder durch die nicht vulkanisierende Masse im Kanal hindurchspritzen. Man verwendet beim Elastomerspritzgießen oft Spritzgießmaschinen mit mehreren Schließeinheiten für mehrere Werkzeuge und unterschiedlicher Teile, da die Vulkanisierzeit erheblich größer ist als die Aufbereitungszeit in der Spritzeinheit. Das macht das Elastomerspritzgießen besonders wirtschaftlich. Der grundlegende Unterschied zwischen der Verarbeitung von Elastomeren (z. B. Naturkautschuk) und Thermoplasten (z. B. Polyproplylen) auf Spritzgießmaschinen zeigt die Temperaturverteilung in der Maschine. Bei Thermoplasten ist die Schnecke relativ heiß um Material zu schmelzen. Das Werkzeug hingegen ist relativ kalt um das gerade entstandene Formteil abzukühlen. Die Formstabilität ist durch das Unterschreiten der Erweichungstemperatur gegeben. Bei Elastomeren ist die Schnecke relativ kalt. Das Werkzeug jedoch heißer um die Vulkanisation (Vernetzung/Formgebung) zu ermöglichen. Eine Ausnahme bilden die thermoplastischen Elastomere. Duroplaste Erst ab Mitte der 1960er Jahre wurden Verfahren entwickelt, die die Herstellung von Duroplasten im Spritzgießverfahren ermöglichten. Heutzutage werden Duroplaste in zahlreichen Verfahren verarbeitet. Im Vordergrund stehen dabei immer die hohe thermomechanische Festigkeit und das im Vergleich zu Metall geringe spezifische Teilegewicht.
• Wie läuft die Herstellung eines Elastomerbauteiles ab? Überwiegend werden Elastomerbauteile urformend durch Gießen oder Pressen gefertigt. Dennoch stellt eine spanende Bearbeitung aus Halbzeugen eine Alternative dar, die unter bestimmten Bedingungen sowohl wirtschaftlich als auch technologisch vorteilhaft ist: - Flexibilität vor allem bei Einzel- oder Kleinserienfertigung, - reaktionsschnelle Fertigung von Elastomerbauteilen aus Halbzeugen, - reduzierte Kapitalbindung durch Verzicht auf bauteilspezifische Formwerkzeuge und - verbesserte Werkstoffhomogenität bei komplexen Bauteilgeometrien durch vereinfachte Urformprozesse.
• Verarbeitung von UP-Harzen, welche Möglichkeiten gibt es - Pressen und Spritzgießen - Laminat, z. B. mit Glasfasern (siehe auch Faser-Kunststoff-Verbund, Glasfaserverstärkter Kunststoff und Gelcoat)
• Warum werden Fasern bei der Kunststoffverarbeitung zugesetzt ? - Zusatzstoffe 1. Die praktische Festigkeit eines festen Werkstoffs ist sehr viel kleiner als die theoretisch berechnete Festigkeit. 2. Ein Werkstoff in Faserform hat eine viel größere Festigkeit als das gleiche Material in anderer Form und je dünner die Faser, um so größer die Festigkeit.  3. Je kleiner die Einspannlänge, um so größer ist die gemessene Festigkeit der Probe/Faser.  4. Gemeinsam nehmen Fasern und Kunststoff Kräfte auf, die den Kunststoff allein zerbrechen würden. Durch den Kunststoff tragen die Fasern sogar größere Lasten als allein.
• Wie ist der Verfahrensablauf beim Handlaminieren ? siehe Abb Frage 22 Arbeitsschritte: Auftragen von Trennmittel auf die Negativform ggf. Auftragen eines Farblacks Aushärtung des Farblacks Laminieren mit duroplastischem Kunststoff Einlegen des Gewebes Harzauftrag mit Laminierrolle nachfolgende Gewebelagen werden schichtweise naß-in-naß aufgebracht den Abschluss bildet oft ein Abreißgewebe aus Nylonfasern Drucklose Aushärtung bei Raumtemperatur oder unter Druck Abreißen des Nylongewebes. Dieses sorgt für eine definiert raue, saubere und klebfreie Oberfläche zur weiteren Verarbeitung. Bild zum Handlaminierverfahren in Anlehnung an Funke, H. (2001), "Systematische Entwicklung von Ultra-Leichtbaukonstruktionen in Faserverbund-Wabensandwichbauweise am Beispiel eines Kleinflugzeuges", Dissertation, Universität Paderborn. Anmerkung: Bei optimierten Leichtbauteilen in Sandwichbauweise mit einem leichten Kern aus Schaum oder Waben wird im Vakuum unter Druck gehärtet.
• Was versteht man unter SMC und BMC ? Duroplastische Halbzeuge SMC (Sheet Molding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als Plattenware vor und wird im Heißpressverfahren verarbeitet. Zuschlagstoffe verhindern das Ankleben der Matrix an Werkzeugen und machen so das Halbzeug handhabbar. alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung vor. In der Regel werden Polyester- oder Vinylesterharze verwendet. Die Verstärkungsfasern liegen in Matten-, seltener in Gewebeform vor, deren typische Faserlänge beträgt 25–50 mm. Eigenschaften und Bezeichnungen von SMC sind in der DIN EN 14598 geregelt. Ist bei dem Bauteil eine hohe Schlagzähigkeit gefordert, werden auch Vinylesterharze (VE) verwendet. Andere Matrixsysteme existieren ebenfalls. Die Aushärtung des faserverstärkten Kunststoffs erfolgt durch erhöhte Temperatur und gegebenenfalls zusätzlichen Druck. SMC: Erwärmtes Duroplast“paket“ in geheiztes Werkzeug Die SMC-Masse enthält etwa: 12 % vernetzungsfähiges Harz 45 % mineralische Füllstoffe, z. B. Kreide oder Gesteinsmehl 30 % Glasfasern (mit entsprechender Schlichte) Additive zur Schwundreduktion Inhibitoren Inerte Trennmittel Peroxide als Beschleuniger oder Reaktionsmittel je nach Anforderung: Farbpasten, Flammschutzmittel, leitende Zuschläge Durch das vollautomatische Mischen des Harzfüllstoffgemisches mit den Glasfasern entsteht das SMC-Halbzeug in Folienform. Dieses lässt sich dann zuschneiden und mittels Fließpressen zum fertigen Bauteil weiter verarbeiten. SMC dient der Herstellung von Karosserieteilen für PKW, Sportgeräte, Elektroindustrie, Sanitärindustrie und in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Beim Pressen können bereits Befestigungselemente in die Pressform einlegt werden. Dies macht SMC besonders wirtschaftlich. Die Füllstoffe dienen zur Gewichts- und Kostenreduktion.   BMC (Bulk Molding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als teigige, formlose Masse vor. ist ein Faser-Matrix-Halbzeug. Es besteht zumeist aus Kurz-Glasfasern und einem Polyester- oder Vinylesterharz, andere Verstärkungsfasern oder Harzsysteme sind möglich. Naturfasern, als preiswerte Alternative zu Glasfasern, finden zunehmend Verbreitung. BMC wird als formlose, sauerkrautartige Masse in Beuteln oder anderen Gebinden geliefert. Bulk Molding Compound wurde Anfang der 50er Jahre unter dem Handelsnamen Premix bekannt. Gegenüber dem reinen Harz hat BMC höhere Festigkeiten, Steifigkeiten und Temperatureinsatzgrenzen. Verarbeitung BMC wird im Heißpressverfahren verarbeitet, was kurze Taktzeiten ermöglicht. Die BMC Masse wird dazu zentral in ein beheiztes, geteiltes Werkzeug eingelegt. Beim Schließen verteilt sich das BMC im Werkzeug. Durch die kurzen Faserlängen können beim Pressen auch dünne Rippen und Wanddicken gefüllt werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass sich an Engstellen das BMC entmischt. Dies geschieht dann, wenn eine Engstelle mit Fasern verstopft, so dass nur noch das Harz weiterfließen kann. Die einzelnen Verstärkungsfasern orientieren sich in der Regel in Strömungsrichtung, so dass lokal stark orientierte Fasern auftreten können. Dieser Effekt ist oft gewünscht und wird durch Anpassung des Werkzeugs mit Hilfe von Fließ- und Füllsimulationen gezielt beeinflusst. In Spezialverfahren kann BMC, bei entsprechend kleinen Faserlängen, auch im Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Zusammensetzung Grundsätzlich besteht BMC auf Polyesterbasis aus den folgenden Komponenten (jeweils Massenprozent): Reaktionsharz 10 bis 35 % Fasern 10 bis 50 % Füllstoffe 0 bis 70 % -> Calciumcarbonat, Aluminiumtrihydrat Reaktionsmittel 1 bis 3 % Inerte Trennmittel 1 bis 2 % Stabilisatoren < 0,1 %
• Was sagen Ihnen die Begriffe: Viskosität, Strukturviskosität? Viskosität beschreibt die Zähigkeit von Flüssigkeiten und Schmelzen, aber auch von Suspensionen. Sie ist ein Maß für den inneren Flüssigkeitswiderstand gegen das Fließen und wird definiert durch den Reibungswiderstand, den eine Flüssigkeit einer Deformation durch eine Druck- oder Schubspannung entgegensetzt.   Die dynamische oder absolute Viskosität (dynamic viscosity, absolute viscosity) wird gemessen in Pa·s und meist mit Hilfe eines Rotationsviskosmeters bestimmt. Früher wurde die Viskosität auch in Poise (oder Centipoise) angegeben.  Die kinematische Viskosität wird in m2/sek angegeben. Sie ist ein Ausdruck für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Die kinematische Viskosität wird errechnet, indem man die dynamische Viskosität durch die Dichte einer Flüssigkeit teilt. Strukturviskosität ist die Eigenschaft eines Nichtnewtonschen Fluids, bei hohen Scherkräften eine niedrigere Viskosität zu zeigen. Je stärker die Scherung ist, die auf das Fluid wirkt, desto weniger viskos, also dünnflüssiger, ist es. Bsp: In Polymerlösungen sind die einzelnen Polymerketten miteinander verhakt. Bei steigender Scherkraft lösen sich diese Verhakungen und die Viskosität sinkt.  

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