Kunststoffwerkstoffe (eBook)

Professor Dr.-Ing. Martin Moneke ist an der Hochschule Darmstadt im Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik tätig. Schwerpunkte seiner Forschung sind: Materialmodellierung für die Simulation, Mechanische Werkstoffprüfung, Oberflächeneigenschaften von Kunststoffen und die Schadenskunde. Er ist Co-Autor des Buchs "Werkstoff-Führer Kunststoffe".

Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort 13
1 Einleitung 17
1.1 Anwendungen der Kunststoffe 17
1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe 23
1.3 Vergleich von Kunststoffwerkstoffen und metallischen Werkstoffen 27
1.3.1 Zeitliche Zusammenhänge 28
1.3.2 Werkstoffverhalten 29
1.3.3 (Teil-)Kristallinität 31
1.3.4 Glasübergang 32
1.3.5 Entropieelastizität 33
1.3.6 Kräfte in und zwischen Molekülen 33
1.3.7 Zeitabhängiges Verhalten 34
1.3.8 Rohstoffverbrauch 35
1.3.9 Energiebedarf 39
1.3.10 Preise 41
2 Polymere 49
2.1 Stoffe, Verbindungen, Atome und Elemente 49
2.2 Aufbau und Struktur von Polymeren 53
2.2.1 Monomer, Polymer und lineare Kette 53
2.2.2 Konstitution, Konfiguration und Konformation 59
2.2.3 Co- und Terpolymere 65
2.2.4 Verzweigungen 67
2.2.5 Chemische und physikalische Vernetzung 69
2.2.6 Klassifizierung der Polymere nach ihrer Struktur 73
2.2.7 Klassifizierung der Thermoplaste nach Kennwerten und Produktionsmenge 74
2.2.8 Klassifizierung der Polymere nach ihrer Rohstoffbasis 75
2.3 Molmasse 80
2.4 Haupt- und Nebenvalenzbindungen 87
2.4.1 Hauptvalenzbindung 88
2.4.2 Nebenvalenzbindung 91
2.4.2.1 Polarität 92
2.4.2.2 Dipol-Dipol-Bindung 96
2.4.2.3 Wasserstoffbrückenbindung 97
2.4.2.4 Induktionskräfte 98
2.4.2.5 Dispersionskräfte 98
2.5 Zustandsbereiche und Zustandsänderungen 99
2.5.1 Amorpher Zustand 99
2.5.2 Bewegung von Polymeren im amorphen Zustand 102
2.5.3 Glasübergang 105
2.5.4 Teilkristalliner Zustand 112
2.5.5 Schmelzen von Kristallen 123
2.5.6 Kristallisieren 126
2.6 Innere und äußere Weichmachung 134
2.6.1 Äußere Weichmachung 134
2.6.2 Innere Weichmachung 135
3 Kunststoffe 139
3.1 Additive 139
3.1.1 Antioxidanzien 141
3.1.2 UV-Stabilisatoren 145
3.1.3 Flammschutzmittel 148
3.1.4 Weichmacher 152
3.1.5 Farbmittel 154
3.2 Füllstoffe 160
3.2.1 Kreide 170
3.2.2 Talkum 172
3.2.3 Glaskugeln 173
3.3 Verstärkungsstoffe 173
3.3.1 Glasfasern 180
3.3.2 Aramidfasern 182
3.3.3 Kohlenstofffasern 184
3.3.4 Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen 187
3.3.5 Verstärkung durch Fasern 192
3.4 Kunststoffwerkstoffe 202
3.4.1 Bezeichnung der Kunststoffe 202
3.4.2 Anwendungsbereiche für Kunststoffe 204
3.4.3 Normative Anforderungen an Kunststoffwerkstoffe 207
3.4.4 Datenbanken für Kunststoffe 209
4 Verarbeitung von Kunststoffen 213
4.1 Spritzgießen 213
4.2 Extrudieren 216
4.3 Formpressen 218
4.4 Entstehen von Orientierungen beim Spritzgießen 220
4.5 Verarbeitungstypische Morphologien 225
5 Nachhaltigkeit von Kunststoffen 231
5.1 Kunststoffe in der Umwelt 231
5.1.1 Mikroplastik 232
5.1.2 Marine Litter 235
5.2 Entwicklung der Nachhaltigkeit 239
5.3 Gesetzliche Vorgaben 242
5.3.1 Vermeidung 245
5.3.2 Wiederverwendung 247
5.3.3 Recycling 248
5.3.4 Sonstige Verwertung 248
5.3.5 Beseitigung 248
5.4 Abfallmengen und ihre Entwicklung 249
5.5 Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 250
5.6 Sammlung von Kunststoffabfällen 255
5.7 Recycling 258
5.7.1 Anfänge des Kunststoffrecyclings in Deutschland 258
5.7.2 Kunststoffrecycling in der Europäischen Union 260
5.7.3 Werkstoffabhängige Arten des Recyclings 260
5.7.4 Herausforderungen beim Recycling von Kunststoffen 262
5.7.5 Sortierung 263
5.7.6 Werkstoffliches Recycling von Kunststoffabfällen 267
5.7.7 Rohstoffliches Recycling von Kunststoffabfällen 273
5.7.8 Design für Recycling 275
5.8 Ökobilanz, Life Cycle Assessment (LCA) 278
5.8.1 Vorgehen bei der Erstellung einer Ökobilanz 278
5.8.2 Normen zur Ökobilanz 283
5.8.3 Datenquellen für Ökobilanzen 285
5.9 Beitrag von Kunststoffen zu einer nachhaltigen Entwicklung 285
5.9.1 Verringerung von Lebensmittelabfällen durch Kunststoffverpackungen 287
5.9.2 Weniger Treibstoffverbrauch durch Leichtbau mit Kunststoffen 292
5.9.3 Energieeinsparungen durch Kunststoffdämmstoffe 293
5.9.4 Wasser- und Energieeinsparung in der Landwirtschaft 295
5.9.5 Schutzmasken aus Kunststoffen 297
5.9.6 Kunststoffe als Enabler für die Nutzung regenerativer Energien 299
5.10 Entwicklungsfelder für nachhaltige Kunststoffe 303
5.10.1 Rohstoffbasis ändern 303
5.10.2 Stoffkreisläufe schließen 304
5.10.3 Nutzungsphase verlängern 305
6 Grundlagen der Normung 313
6.1 Entwicklung und Nutzen der Normung 313
6.2 Normung in der Kunststofftechnik 315
7 Mechanisches Verhalten fester Kunststoffe 319
7.1 Methoden der Werkstoffprüfung 319
7.1.1 Zusammenhang zwischen Normen 319
7.1.2 Normalklimate für Konditionierung und Prüfung 321
7.1.3 Probekörper 324
7.1.4 Bestimmung der Zugeigenschaften 329
7.1.5 Bestimmung der Biegeeigenschaften 335
7.1.6 Bestimmung der Härte 343
7.1.6.1 Grundlagen der Härtemessung 343
7.1.6.2 Kugeleindruckhärte 346
7.1.6.3 Shore-Härte 347
7.1.7 Bestimmung des Kriechverhaltens 349
7.1.8 Bestimmung der Schlagbiegeeigenschaften 353
7.2 Verhalten der Kunststoffe 359
7.2.1 Verhalten im Zugversuch 359
7.2.2 Temperaturabhängigkeit des mechanischen Verhaltens 361
7.2.3 Zeitabhängigkeit des mechanischen Verhaltens 366
7.2.4 Feuchteabhängigkeit des mechanischen Verhaltens 371
7.2.5 Der Übergang vom linearen zum nicht-linearen Verhalten 374
7.3 Mechanische Werkstoffmodelle 377
7.3.1 Begriffe und Konzepte der Mechanik 378
7.3.1.1 Spannungen 380
7.3.1.2 Verzerrungen 380
7.3.1.3 Annahme kleiner Deformationen 381
7.3.1.4 Stoffgesetz 382
7.3.1.5 Linearität 382
7.3.1.6 Annahmen in der Elastostatik 383
7.3.1.7 Begriffe zur Beschreibung des Materialverhaltens 384
7.3.2 Phänomenologische Beschreibung des Materialverhaltens 386
7.3.2.1 Ideal linear-elastisches Verhalten 387
7.3.2.2 Ideal linear-viskoses Verhalten 389
7.3.2.3 Ideal plastisches Verhalten 391
7.3.2.4 Vergleich viskoser und plastischer Deformation 394
7.3.2.5 Maxwell-Modell zur Beschreibung der Relaxation 394
7.3.2.6 Kelvin-Voigt-Modell zur Beschreibung der Retardation 397
7.3.2.7 Burgers- oder Vier-Parameter-Modell 398
7.3.3 Molekulare Begründung der Elastizität in Kunststoffen 400
7.3.3.1 Energieelastizität 400
7.3.3.2 Entropieelastizität 401
7.3.4 Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip 402
7.3.5 Einfluss verarbeitungsbedingter Eigenspannungen auf mechanische Kennwerte 407
A Kurzzeichen für Kunststoffe 411
Index 417