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Einführung in die Medizin- und Kunststofftechnik (Fach) / Vorlesung 7 (Lektion)

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• Definieren Sie den Begriff "Kunststoff"! „Als Kunststoff (umgangssprachlich Plastik, Plast oder Plaste, selten Technopolymer) bezeichnet man einen organischen, polymeren Festkörper, der synthetisch oder halbsynthetischaus monomeren organischen Molekülen oder Biopolymeren hergestellt wird. Unterschieden wird dabei zwischen drei großen Gruppen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.“
• Nennen Sie verschiedene Einsatzgebiete von Kunststoffen! Bau: Rohre, Dämmung, Isolierung Auto: Faserverbund Elektro: Isolierung
• Wofür werden verschiedene Arten von Kunststoffen eingesetzt? PE, LD: Tüten im Supermarkt PVC: Boden, Rohre, Einsatz von Weichmachern für Blutbeutel PS: Joghurt PP: ??
• Wie sieht die Herstellungs und Verwendungskette für Kunststoffe aus? Rohstoff (Monomer)--> Synthese --> Material (Polymer) --> Aufbereitung --> Werkstoff (Kunststoff) --> Verarbeitung Vom Aufbau her???? gibt es Additive und Stabilisatoren.
• Welche Verarbeitungsverfahren sind in Bezug auf Kunststoffe am wichtigsten? Das wichtigste Verfahren ist Spritzgießen: Aufschmelzen --> Spritzen Das zweithäufigste ist das Extrudieren
• Stellen Sie die unterschiedlichen Kunststoff-Klassen dar! Alle Kunststoffe sind amorph. Thermoplast–lineare / verzweigte Kettenmoleküle–Standardverarbeitung: •über Schmelzephase•Phasenübergang flüssig --> fest unter Energieabfuhr Elastomer –(leicht) vernetzte Kettenmoleküle (kann nicht mehr aufgeschmolzen werden), Dehnungen bis 700.000%–Standardverarbeitung: •über Vernetzung (z. B. thermische Energiezufuhr)•Phasenübergang flüssig --> fest unter Energiezufuhr Duromer–(stark) vernetzte Kettenmoleküle (kann nicht mehr aufgeschmolzen werden)–Standardverarbeitung: •über Aushärtung (z. B. thermische Energiezufuhr)•Phasenübergang flüssig --> fest unter Energiezufuhr
• Was sind besonders leistungsfähige Kunststoffe? Hochleistungskunststoffe (Thermo), diese sind die Spitze der Pyramide –Hohe Wärmeformbeständigkeit ~ 150 °C (Dauerbelastung)–Relativ gute Festigkeiten, gute chemische Beständigkeit–z. B. Polyetheretherketon(PEEK), Polyethersulfon (PES)
• Was sind Besonderheiten zu PVC und Silikon? PVC: Weichmacher können herausgewaschen werden Silikon: chemisch inert, vernetzt, nichts wird herausgelöst
• Wie werden besonders kleine Kusntstoffteile hergestellt? Bei hoher Stückzahl: Mikrospritzguss Bei niedriger Stückzahl: 3-D Druck/Sintern/lithographisches Verfahren?
• Was ist bei einer Faserverstärkung zu beachten? Die Festigkeitswerte sind bei einer unidirektionalen Faser richtungsabhängig. C-Faser: ca. 3000 bis 6000 MPa Zugfestigkeit Expoxid + 60% C-Faser: ca. 1500-2000, quer 100-250 PE: ca. 10 PEEK: ca. 100
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• Was wissen Sie zur Synthese von Monomeren zu Polymeren? Grundprinzip: Erzeugen von Grundbausteinen, dann Rekombination. Basis ist (Roh)öl
• Wie läuft der Prozess der Polymersynthese ab? Polymerisation–Basis: einheitliche Monomere (z. B. H2C=CH2)–Start: Monomerradikale durch Zugabe von Initiatoren (z. B. R-CH2-C*H2)–Kettenwachstum (z. B. R-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C*H2)–Abbruch i. d. R. durch Rekombination von wachsenden Ketten, Initiator am Ende
• Was sind Polykondensation und Polyaddition? Polykondensation–Basis: (multi)-funktionelle Moleküle–Start: Reaktion zwischen reaktionsfähigen Endgrupppen–Makromolekülbildung unter Abspaltung eines Nebenproduktes (z. B. Wasser) Polyaddition–Basis: (multi)-funktionelle Moleküle–Start: Reaktion zwischen reaktionsfähigen Endgruppen ohne Freisetzung von Spaltprodukten
• Welche Bindungsarten in Polymeren kennen Sie? Hauptvalenzbindungen–Intramolekular, chemische Bindung, abhängig vom chemischen Aufbau–Atombindung: Bsp.: C-C mit 348 kJ/mol(allgemein: 40 bis 800 kJ/mol) Nebenvalenzbindungen–Intermolekular, physikalische Bindung, abhängig vom chemischen Aufbau, geometrischen Bedingungen und BrownschenMolekularbewegung (Kettenabstand) –Dipol-Dipol-Kräfte (ca. 1/50 bis 1/200 von Hauptvalenzbindungen)–Wasserstoffbrückenbindungen (ca. 10 bis 20 kJ/mol)–Induktionskräfte (ca. 1/500 bis 1/2000 von Hauptvalenzbindungen)–Dispersionskräfte (ca. 1/500 bis 1/1000 von Hauptvalenzbindungen) -->Nebenvalenzkräfte nehmen mit steigender Temperatur ab und erlauben eine Verarbeitung
• Was können Sie über die Erstarrungsmechanismen von Thermoplasten sagen? Thermoplast:–Erstarrung über Phasenübergang flüssig zu fest -->Zunahme der Nebenvalenzbindungen–Abnahme der BrownschenMolekularbewegung–Teilweise Kristallbildung möglich–Erstarrung durch Zufuhr thermischer Energie lösbar (Recycling)–Sonderform: nachträglich vernetzte Thermoplaste (z. B. Elektronenstrahl)
• Schildern Sie die verschiedenen Temperaturbereiche eines Thermoplastes! Welche Verarbeitungsmöglichkeiten bieten sich in speziellen Bereichen? fest, (Glasübergangstemperatur) thermoelastisch, (Schmelztemperatur) thermoplastisch, (Zersetzungstemperatur) zersetz thermoelastisch: Umformen/Tiefziehen thermoplastisch: Kettengleiten, Urformen: Spritzgießen, Extrudieren.
• Beschreiben Sie die Eigenschaften von Primärstrukturen von Thermoplasten! Konstitution: chemischer Aufbau (Art der Kettenatome, Molekülmasse, Art der Aneinanderreihung) Konfiguration: räumliche Anordnung der Atome und Atomgruppen Taktizität:•isotaktisch•syndiotaktisch•ataktisch
• Was ist die Rheologie? Die Wissenschaft vom Fließverhalten.
• Treffen Sie Aussagen zu den Sekundärstrukturen von Thermoplasten! –Ausbildung abhängig von chemischem Aufbau der Polymerkette:•Kettenlänge •Geometrischer Aufbau (z. B. Symmetrie, Art und Häufigkeit der Nebenketten)•Ausbildung und Höhe von Nebenvalenzkräften Formen: Zickzack-Ketten, Helices
• Was sind Tertiärstrukturen? Tertiärstrukturen–beschreiben die räumliche Anordnung mehrerer Polymerketten,–beeinflussen die mechanischen, rheologischenund thermischen Eigenschaften,–beeinflussen die Ausbildung von Überstrukturen. Teilkristalline Strukturen:•Ungeordnete (amorphe) und geordnete, kompaktere (kristalline) Erstarrung•Kristallwachstum braucht Startkeim(e) und Zeit•Kristalline Struktur stellt energetisch günstigeren Zustand dar•Engere Polymerkettenpackung --> höhere Schwindung
• Welche Funktionen haben Additive und Füllstoffe? Schutz des Polymers, Verstärkung, Füllung Steifigkeits- und Festigkeitserhöhung zum Beispiel durch Einbringung von CFK und GFK in den Spritzgießprozess. Silber als antimikrobieller Stoff kann allerdings z.b. zu Allergien führen.
• Welche Zähigkeit haben Thermoplast-Schmelzen? 102-103 Pa*s
• Was ist eine dilatante Flüssigkeit, wie wie verhalten sich Thermoplaste mit steigender Schergeschwindigkeit? Dilatant: Viskosität steigt, Thermoplaste sind strukturviskos: Viskosität sinkt bei Beanspruchung!
• Wie wird das langfristige Verhalten von Materialien eingeordnet und ermittelt? Damit beschäftigt sich das Life-Cycle-Engineering: Für Metalle werden Wöhlerkurven verwendet, Bei Kunststoffen macht man Selbstversuche und beschleunigte Alterungsversuche. Optisch kann das Altern eines Kunststoffes oft durch ein Vergilben ausgemacht werden.
• Wie reagieren zähe Thermoplaste bei einem Zugversuch? Bei steigender Dehnung verhält sich ein zäher Thermoplast in dieser Reihenfolge: linear-elastisch, linear viskoelastisch, nichtlinear-viskoelastisch, Einschnürbereich, stationär plastisches Fließen.
• Wo befindet sich die optimale Schmelze für die PVC-Verarbeitung? Zwischen einer und 13 Minuten Termperaturbeeinflussung und zwischen 195 und 220 Grad Celsius.
• Was sind Anforderungen an Polymere für den Einsatz in der Medizintechnik? Biokompatibilität Prozessierbarkeit Ausreichende mechanische Eigenschaften Sterilisierbarkeit Langzeitstabilität in vivo Möglichst frei von Additiven (Weichmacher, Stabilisatoren, Antioxidantien) -->medicalgrade -Typen Die Bezeichnung medical grade reicht nicht aus, die notwendige Dokumenation durch den Hersteller macht die medical grade Typen sehr teuer
• Nennen Sie dei Eigenschaften von PC! Amorpher, hochtransparenter Thermoplast Polar Hohe Zähigkeit Geringe Wasseraufnahme Sterilisierbar: EtO, Heißdampf bis 121°C, Gammastrahlung
• Welche Beispiele für biodegradable Polymere kennen Sie? Polyglykolide (PGA), Polylactide (PLA), Polycaprolacton (PCL) Zweck: Drug Delivery, Abbaubare Schrauben/Platten
• Woraus werden medizinische Schläuche gefertigt? Elastomer, z.b. Silikon, oder Thermoplastisches Elastomer, z.b. Pebax: Copolymer, Härte über Verhältnis Polyether/Polyamid einstellen
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• Welche Einflüsse auf die Kunststoffalterung gibt es? Innere Alterungsursachen: Thermisches GGW, Äußere Alterungsursachen: Temperatur, chemische Einflüsse Allgemein: Chemische und Physikalische Einflüsse
• Welche Alterungserscheinungen zeigt ein Kunststoff? Rissbildung Nachschwindung Abscheidungen bzw. Ausscheidungen Bruchbildung Verfärbung (insbesondere Vergilbung), Bildung von Flecken, Veränderung des Oberflächenglanzes Messbare Veränderungen der mechanischen, rheologischen, elektrischen oder optischen Eigenschaften Veränderung des chemischen Verhaltens und/oder des Löslichkeitsverhaltens Quellung

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