Menges Werkstoffkunde Kunststoffe (eBook)

Vorwort zur 7.?Auflage 7
Die Autoren 11
Inhalt 13
1 Die Werkstoffgruppe der Kunststoffe 25
1.1 Geschichte der Kunststoffe 26
1.2 Die Eigenschaften von Kunststoffen 29
1.3 Einsatzgebiete von Kunststoffen 34
1.4 Die Kunststoffindustrie 35
1.5 Kunststoffe im Kreislauf 37
1.5.1 Kreislaufwirtschaft 38
1.5.2 Kunststoffverwertung 39
1.5.3 Biokunststoffe und alternative Rohstoffe 46
1.6 Kunststofftechnik 48
2 Bildung von Makromolekülen und Polymeren 51
2.1 Begriffsdefinitionen: Monomer, Makromolekül, Polymer, Kunststoff 51
2.2 Ausgangsstoffe zur Herstellung von Kunststoffen 55
2.3 Aufbau und Eigenschaften von Makromolekülen 59
2.3.1 Lineare Makromoleküle 59
2.3.2 Verzweigte Makromoleküle 59
2.3.3 Vernetzte Makromoleküle (Duroplaste, Elastomere) 60
2.4 Bildung und Herstellung von Polymeren 61
2.4.1 Vom Atom zum Molekül über kovalente Bindungen 61
2.4.2 Hauptvalenzbindungen 64
2.4.2.1 Kovalente Atombindung 64
2.4.2.2 Ionenbindung 66
2.4.3 Polymerisation über ungesättigte Bindungen (Kettenwachstumsreaktion) 67
2.4.3.1 Radikalische Polymerisation 67
2.4.3.2 Anionische Polymerisation 71
2.4.3.3 Kationische Polymerisation 72
2.4.3.4 Koordinative Polymerisation 74
2.4.4 Polyaddition und Polykondensation über reaktive Endgruppen (Stufenwachstumsreaktion) 74
2.4.5 Vernetzung 78
2.4.5.1 Vernetzungen über ungesättigte Bindungen 78
2.4.5.2 Vernetzung über reaktive Gruppen 78
2.4.5.3 Vernetzung über Strahlung oder Peroxide 80
2.4.6 Biopolymere 80
2.4.6.1 Produkte 81
2.4.6.2 Bandbreite der Biopolymere 81
2.4.6.3 Biopolymere natürlichen Ursprungs 82
2.4.7 Molmasse und Molmassenverteilung 84
2.4.7.1 Messung von Molmassen und Molmassenverteilungen 89
2.4.8 Relevante technische Herstellungsverfahren 91
3 Polymere Strukturen 97
3.1 Wechselwirkungen von Makromolekülen 97
3.1.1 Dispersionskräfte 98
3.1.2 Dipolkräfte 99
3.1.3 Wasserstoffbrückenbindungen 100
3.1.4 Vergleich der Nebenvalenzkräfte 101
3.2 Primärstruktur und Eigenschaften 102
3.2.1 Molekülordnung 102
3.2.2 Sterische Ordnung 103
3.2.3 Taktizität 103
3.2.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette 105
3.2.5 Verzweigungen 106
3.3 Sekundärstruktur und Eigenschaften 108
3.4 Supramolekulare Strukturen 114
3.4.1 Vernetzungen 114
3.4.2 Kristallisation 116
3.5 Besondere polymere Strukturen 117
3.5.1 Flüssigkristalline Kunststoffe (liquid crystalline polymers, LCP) 117
3.5.2 Polysalze (intrinsisch leitfähige Polymere) 118
3.6 Modifizierung der Eigenschaften 119
3.6.1 Copolymere 119
3.6.1.1 Eigenschaften ausgewählter Copolymere 121
3.6.1.2 Copolymere für die industrielle Anwendung 125
3.6.2 Polymerblends 126
3.6.2.1 Thermodynamisches Kriterium für verträgliche Polymerblends 127
3.6.2.2 Homogene Blends aus verträglichen Polymeren 130
3.6.2.3 Heterogene Blends aus begrenzt verträglichen Polymeren 130
3.6.2.4 Heterogene Blends aus Mehrphasengemischen 131
3.6.3 Modifizierungen durch Füllstoffe 133
3.6.3.1 Verarbeitungshilfsmittel 133
3.6.3.2 Gebrauchsfähigkeitsverlängernde Zuschlagstoffe 135
3.6.3.3 Flammschutzmittel 135
3.6.3.4 Färbende Zuschlagstoffe 135
3.6.3.5 Festigkeitserhöhende Zuschlagstoffe 135
3.6.3.6 Steifigkeitserhöhende Zuschlagstoffe 136
3.6.3.7 Festigkeit und Steifigkeit herabsetzende Zuschlagstoffe 137
3.6.3.8 Treibmittel 137
3.6.3.9 Nanofüllstoffe 138
4 Verhalten im Schmelzezustand 143
4.1 Viskose Kunststoffschmelzen unter stationärer Scherströmung 146
4.1.1 Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit 148
4.1.1.1 Mathematische Modellierung der Schergeschwindigkeitsabhängigkeit 150
4.1.2 Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Druck 154
4.1.2.1 Temperaturabhängigkeit 154
4.1.3 Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt 160
4.1.4 Druckströmungen in einfachen Fließkanälen 162
4.1.5 Erwärmung infolge von Scherung 165
4.1.6 Schergeschwindigkeitsbereiche in Verarbeitungsprozessen 166
4.2 Überlagerung von Scher- und Dehnströmung 167
4.3 Viskoelastische Kunststoffschmelzen 170
4.3.1 Viskoelastische Eigenschaften und ihre Beschreibung 172
4.3.2 Normalspannungen in der Scherströmung 173
4.3.3 Die Deborah-Zahl 174
4.3.4 Bedeutung für die Verarbeitung 175
4.4 Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschaften 179
4.4.1 Vernetzende Systeme 179
4.5 Messtechnik 182
4.5.1 Kapillarrheometer 184
4.5.2 MFR-Messgerät (Schmelze-Massefließrate) 186
4.5.3 Rotationsrheometer 188
4.5.3.1 Bauarten von Rotationsrheometern 189
4.5.3.2 Grundversuche mit Rotationsrheometern 190
4.5.3.3 Anwendungsbeispiel für den Schwingversuch 192
4.5.3.4 Viskositätsmessung mittels oszillierender Scherdeformation oder in stationärer Strömung 194
4.5.4 Bestimmung der Dehnviskosität 196
4.5.4.1 Messtechnik für uniaxiale Dehnung 196
4.5.4.2 Messtechnik für biaxiale Dehnung 198
5 Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur 205
5.1 Einleitung 205
5.2 Erstarrung amorpher Thermoplaste 208
5.2.1 Molekülorientierungen 209
5.2.2 Berechnung der Orientierung 216
5.3 Erstarrung teilkristalliner Thermoplaste 217
5.3.1 Kristallstrukturen 219
5.3.2 Beschreibung des Kristallisationsprozesses 222
5.3.3 Berechnung des Keimbildungsprozesses 227
5.3.3.1 Ruhender Anteil der Gibbsenergie 231
5.3.3.2 Strömungsanteil der Gibbsenergie 233
5.3.4 Berechnung des Kristallwachstums 234
5.3.5 Berechnung des relativen Kristallisationsgrades 236
5.4 Gefügebeobachtungen 237
5.4.1 Lichtmikroskopie 238
5.4.2 Elektronenmikroskopie 244
5.4.3 Zerstörungsfreie Analyse 249
6 Mechanisches Verhalten von Kunststoffen 251
6.1 Beschreibung der mechanischen Spannung – elastische Konstanten und Kennwerte 252
6.1.1 Der Elastizitätsmodul (Dehnungsbeanspruchung) 252
6.1.2 Die Querkontraktion 253
6.1.3 Der Schubmodul (Scherungsbeanspruchung) 255
6.1.4 Der Kompressionsmodul (Kompressionsbeanspruchung) 257
6.1.5 Korrelationen der Moduln und Spannungstensor 257
6.2 Die Zustandsbereiche der Kunststoffe 259
6.2.1 Amorphe Thermoplaste 259
6.2.2 Teilkristalline Thermoplaste 260
6.2.3 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere) 262
6.3 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe 264
6.3.1 Viskoelastische Eigenschaften und ihre Beschreibung 264
6.3.1.1 Mechanische Ersatzmodelle für die lineare Viskoelastizität 269
6.3.1.2 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität 277
6.4 Richtungsabhängige Werkstoffeigenschaften 281
6.4.1 Orientierung der Makromoleküle 281
6.4.2 Gefüllte und verstärkte Kunststoffe 284
6.5 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften viskoelastischer Kunststoffe 287
6.5.1 Die dynamisch-mechanische Analyse 287
6.5.2 Der Zugversuch 289
6.5.3 Der dehnungsgeregelte Zugversuch 290
6.5.4 Dehnungsmessung 292
6.5.5 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch) 293
6.5.6 Der Relaxationsversuch 295
6.6 Zeitraffende Prüfung 298
7 Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststoffprodukten 305
7.1 Das mikromechanische Verhalten von Kunststoffen unter Zugbeanspruchung 306
7.1.1 Kunststoffe im Dehnbereich bis zur kritischen Dehnung 306
7.1.1.1 Erklärungsansätze für die Bildung von Crazes 310
7.1.2 Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch 313
7.1.3 Veränderung des mikromechanischen Verhaltens von Kunststoffen durch Additive und Füllstoffe 315
7.1.3.1 Niedermolekulare Additive 315
7.1.3.2 Weiche Füllstoffe 315
7.1.3.3 Harte Füllstoffe 317
7.2 Auslegung und Bemessung von Bauteilen aus unverstärkten Kunststoffen unter statischer Last 317
7.2.1 Grundsätzliches Vorgehen 318
7.2.2 Werkstoffabminderungsfaktoren 320
7.2.3 Dimensionierungskennwerte 324
7.2.4 Sicherheitsbeiwerte 325
7.2.5 Spannungsbezogene Vergleichshypothesen 326
7.3 Auslegung und Bemessung von Bauteilen aus unverstärkten Kunststoffen unter dynamischer Last 333
7.3.1 Zyklische Belastung 333
7.3.2 Stoßartige Belastung 339
7.4 Verhalten von Kunststoffprodukten bei Druckbelastung (Schalen, Platten, Stäbe) 347
7.4.1 Mathematische Herleitung der kritischen Stauchung 349
7.4.2 Schlankheitsgrade verschiedener Standardlastfälle 352
7.5 Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen 354
7.5.1 Faserarten 355
7.5.2 Aufmachung von Verstärkungsfasern 357
7.5.3 Eigenschaften des Verbundes aus Matrix und Fasern 359
7.5.4 Tragfähigkeit kurzfaserverstärkter Kunststoffe 366
7.6 Reibung und Verschleiß 368
7.6.1 Reibung 368
7.6.2 Verschleiß 376
8 Thermische Eigenschaften und Analyse 383
8.1 Thermische Eigenschaften 383
8.1.1 Einsatztemperatur und Wärmeformbeständigkeit 384
8.1.2 Enthalpie und Wärmekapazität 385
8.1.3 Wärmeausdehnung 388
8.1.4 Wärme- und Temperaturleitfähigkeit 391
8.1.5 Wärmeeindringzahl 400
8.2 Thermische Analyse 401
8.2.1 Messung der Wärmeformbeständigkeit 402
8.2.2 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 405
8.2.3 Thermomechanische Analyse (TMA) 413
8.2.4 Messung von Wärme- und Temperaturleitfähigkeit 416
8.2.5 Thermogravimetrische Analyse (TGA) 420
9 Elektrische Eigenschaften 425
9.1 Das elektrische Isolationsverhalten 426
9.1.1 Der elektrische Durchgangswiderstand 426
9.1.2 Der elektrische Oberflächenwiderstand 428
9.1.3 Einfluss langzeitiger elektrischer Beanspruchung 430
9.2 Kunststoffe in elektrischen Feldern 432
9.2.1 Dielektrisches Verhalten 432
9.2.1.1 Die relative Permittivität ?r 432
9.2.1.2 Dielektrische Verluste 435
9.3 Weitere elektrische Eigenschaften von Kunststoffen 438
9.3.1 Elektrostatische Aufladung 438
9.3.2 Schirmdämpfung (engl.: Electro-Magnetic Interference (EMI)) 439
9.3.3 Polymere mit speziellen elektrischen Eigenschaften 440
9.3.3.1 Intrinsisch leitfähige Polymere 440
9.3.3.2 Elektrete 443
9.3.3.3 Elektrooptische Polymere (OLED) 444
9.3.3.4 Elektrorheologische Flüssigkeiten 444
9.4 Magnetische Eigenschaften 446
9.4.1 Magnetisierbarkeit 447
9.4.2 Magnetische Resonanz 447
9.5 Messverfahren zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften 449
9.5.1 Bestimmung des Durchgangs- und Oberflächenwiderstandes 449
9.5.2 Bestimmung der Durchschlag- und Kriechstromfestigkeit 451
9.5.3 Bestimmung des dielektrischen Verhaltens 453
9.5.4 Bestimmung der elektrostatischen Aufladung 454
10 Optische Eigenschaften 457
10.1 Die Grundgesetzmäßigkeiten 457
10.1.1 Brechzahl 458
10.1.2 Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichts) 460
10.1.3 Der imaginäre Teil der Brechzahl 463
10.1.4 Die Totalreflexion 468
10.1.5 Doppelbrechung 469
10.2 Farbe, Glanz und Trübung 471
10.3 Einfärben von Kunststoffen 474
10.4 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie 479
10.4.1 Aufheizung durch Infrarotstrahlung 479
10.4.2 Kunststoffschweißen mittels Infrarotstrahlung 481
10.4.3 Infrarotspektroskopie 482
10.4.4 Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen 485
10.5 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen 486
11 Akustische Eigenschaften 489
11.1 Grundlagen der Akustik 490
11.2 Schallausbreitung und -übertragung in polymeren Werkstoffen 495
11.3 Dämmung und Dämpfung zur Reduktion von Vibration und Lärm 500
11.4 Experimentelle und numerische Methoden der technischen Akustik 503
11.4.1 Messung akustischer Eigenschaften 503
11.4.2 Numerische Methoden zur Beschreibung akustischer Eigenschaften 506
12 Stofftransportvorgänge 509
12.1 Physikalische Beschreibung 511
12.1.1 Adsorption 512
12.1.2 Absorption 512
12.1.3 Diffusion 513
12.1.4 Desorption 514
12.1.5 Gesamter Permeationsvorgang 514
12.2 Temperaturabhängigkeit des Stofftransports 516
12.3 Permeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere 519
12.3.1 Elastomere 520
12.3.2 Duroplaste 520
12.3.3 Thermoplaste 521
12.3.3.1 Kristallinität 521
12.3.3.2 Orientierung der Polymerketten 522
12.4 Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten 523
12.4.1 Löslichkeitskoeffizient 523
12.4.2 Diffusionskoeffizient 524
12.5 Permeation durch Kunststoffe 525
12.5.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe 527
12.6 Maßnahmen zur Permeationsminderung 528
12.6.1 Mehrschichtige Verbundsysteme 529
12.6.2 Kunststofffolien 530
12.6.3 Kunststoff-Hohlkörper 531
12.7 Verfahren zur Messung von Permeationsgrößen 534
12.7.1 Volumetrisches Verfahren nach DIN 53380-1 Teil 1 535
12.7.2 Manometrisches Verfahren nach DIN 53380-2 Teil 2 535
12.7.3 Gravimetrisches Ver fahren 536
12.7.4 Massenspektroskopisches Verfahren 536
12.7.5 Gasc hromatografisches Verfahren 537
12.7.6 O2-spezifisches Trägergasverfahren nach DIN 53380-3 Teil 3 537
12.7.7 O2-Fluoreszenzverfahren 539
12.7.8 CO2-spezifisches Infrarotabsorptionsverfahren nach DIN 53380-4 Teil 4 539
13 Die Alterung von Kunststoffen 543
13.1 Alterungserscheinungen an Kunststoffen 543
13.2 Die Bandbreite des Begriffs „Alterung“ 545
13.2.1 Innere und äußere Ursachen der Alterung 546
13.2.2 Kunststoffalterung durch die Beanspruchung von außen 547
13.2.3 Die Überlagerung von Beanspruchungen: Lastkollektive 549
13.3 Mechanismen gängiger Alterungsprozesse 551
13.3.1 Die (thermo-)oxidative Alterung 551
13.3.2 Das strahleninduzierte Alterungsverhalten 555
13.3.3 Die hydrolytische Zersetzung 556
13.3.4 Die Entstehung von Spannungsrissen 561
13.4 Abhilfe- bzw. Vorbeugemaßnahmen zum Entschleunigen von Alterungsprozessen 565
13.4.1 Antioxidantien 566
13.4.2 Lichtschutzmittel 568
13.4.3 Metalldesaktivatoren 569
13.4.4 Biostabilisatoren 570
13.5 Beabsichtigte Alterungsvorgänge 570
13.5.1 Biologisch abbaubare Kunststoffe 571
13.5.2 Resorbierbare Kunststoffe in der Medizintechnik 572
13.6 Beschleunigte Alterung zur Vorhersage des Langzeitverhaltens 574
13.7 Biopolymere fossilen Ursprungs mit der Eigenschaft biologischer Abbaubarkeit 577
13.7.1 Polyester 577
13.7.2 Polyesteramide 578
14 Schadensanalyse an Kunststoffprodukten 581
14.1 Definition der Begriffe Fehler und Schaden 583
14.2 Durchführung von Schadensanalysen 584
14.2.1 Erfassung und Dokumentation des Schadensbildes 585
14.2.2 Erfassung des Schadensumfeldes 586
14.2.3 Entwicklung von Schadensthesen 590
14.2.4 Festlegung des Prüfplans 591
14.2.5 Durchführung instrumenteller Analysen 592
14.2.6 Benennung von Einflüssen, Ursachen und Abhilfemaßnahmen 593
14.2.7 Praxis der Schadensanalyse 593
Sachverzeichnis 611