Kunststoffe Flashcards
Welche drei Bereiche umfasst die Kunststofftechnik?
Werkstoff
Verarbeitung
Konstruktion
Welche drei Dinge muss man für ein breites Eigenschaftsspektrum des Kunststoffes geeignet kombinieren?
Basiskunststoff
Additive
Herstellungsverfahren
Welche zwei Herstellungsverfahren sind die „mengenmäßig“ wichtigsten?
Spritzgießverfahren (diskontinuierlich, komplexe Geometrien)
Extrusionsverfahren (kontinuierlich, Endlosteile)
Was sind die grundlegenden Eigenschaften von Kunststoff?
Transparenz/Farbe
Durchlässig/Undurchlässig für Flüssigkeiten/Gase
Geringe Dichte
Hohe chemische Beständigkeit
Nennen Sie Einsatzgebiete von Kunststoffen.
- Elektrik und Elektronik (Isolation, RFID)
- Kommunikationstechnik (Lichtleiter)
- Datenspeicherung (CD, DVD)
- Medizin
- Erneuebare Energien
- Mobilität
- Automobil
- Technische Textilien
- Verpackung
- Bauwesen
- Haushalt
Welche Dichten haben Kunststoffe, Aluminium, Titan, Eisen und Keramiken?
Kunststoff 0,8-2,2. (in g/cm^3) Alu 2,7 Keramiken 3,7-4,0 Titan 4,5 Eisen 7,9
In welchen Bereichen sind Kunststoffen enge Grenzen gesetzt?
- bei hohen Temperaturen
- bei bestimmten mechanischen Beanspruchungen
- bei häufigen Temperaturwechseln (starke Temperaturabhängigkeit)
In welche drei Bereiche gliedert sich die Kunststoffindustrie?
- Rohstoffherstellung
- Kunststoffverarbeitung
- Maschinenbau
Was sind die Rollen/Aufgaben der drei Bereiche der Kunststoffindustrie?
Bereich Aufgabe
Hersteller Entwickelt Materialien
Verarbeiter Erzeugen Fertigteile
Maschinenbau stellt spezielle Werkzeuge bereit
Ordne die Einsatzgebiete der Kunststoffe nach Verbrauchsmenge.
Verpackung 35% Bau 23% Fahrzeuge 10% Elektro/Elektronik 6% Haushaltswaren 3% Möbel 4% Landwirtschaft 3% Medizin 2% Sonstiges 14%
Definiere Kunststoff.
Ein Sammelbegriff für synthetisch hergestellte makromolekulare Werkstoffe.
Woraus besteht ein Makromolekül?
Aus miteinander chemisch verknüpften, einzelnen Molekülen (Monomeren)
1.000-10.000 Monomere bilden ein kettenförmiges Makromolekül
Was sind Polymere?
Makromoleküle werden in der chemischen Industrie als Polymeren bezeichnet.
Wann wird ein Polymer zu einem Kunststoff?
Erst nach Zugabe verschiedener Zusatzstoffe, die Eigenschaften und Verarbeitungsverhalten gezielt verändern.
Deshalb wird ein Kunststoff auch „Werkstoff nach Maß“ genannt.
Wo findet man Makromoleküle in der Natur?
- Leder
- Holz
- Elfenbein
- Bernstein
- Teer
- Baumwolle
- Naturkautschuk
- Seide
Welche drei Arten der Polymersynthese gibt es?
- Polymerisation
- Polyaddition
- Polykondensation
Man unterscheidet sie je nach Ablauf der chemischen Reaktion.
Definiere „Primärprodukte“.
Primärprodukte sind die Grundbausteine der Monomere.
Sie werden aus Erdöl oder Erdgas extrahiert und anschließend zu Monomeren umgesetzt.
Nennen Sie die bekanntesten Primärprodukte und eine wichtige Eigenschaft.
- Ethen
- Propen
- Benzol
- Toluol
Als Primärprodukte werden vor allem kurzkettige Kohlenwasserstoffe, die über ungesättigte chemische Bindungen verfügen, verwendet.
Nennen Sie zwei Primärprodukte, die direkt zu Polymeren umgesetzt werden.
Monomer Kunststoffpolymer
Ethen Polyethylen
Propen Polypropylen
Nennen Sie die sechs wichtigsten Rohstoffe für die Primärprodukte.
- Erdöl
- Erdgas
- Steinkohle
- Kalkstein
- Steinsalz
- Flussspat
Beschreiben Sie die Aufbereitung von Rohöl.
- Zerlegung in Destilationskolonne
- Abzug der Fraktionen (Gasöle, Petroleum, Bemzin, Naphta)
- Crackprozess
- Isolierung, Reinigung
- Umwandlung zu Monomeren
Welche ist die wichtigste Fraktion bei der Rohölaufbereitung?
Die Naphtafraktion (Rohbenzin)
Die Naphtafraktionen enthalten die wesentlichen Ausgangsstoffe für die Primärprodukte.
Was geschieht beim Crackprozess während der Rohölaufbereitung?
Die längeren Kohlenstoffverbindungen der Naphtafraktion werden in kürzere zerlegt.
Beschreibe die Aufbereitung von Erdgas.
- Fraktionieren durch Kondensation (Abkühlung)
- Crackprozess
- Isolation, Reinigung
- Umsatz zu Monomeren
Beschreibe die Aufbereitung von Steinkohle.
- Verkohlung
- Drei Fraktionen: Koks, Kokereigas, Steinkohleteer
- Verarbeitung wie Gas/Öl
Beschreibe die Aufbereitung von Kalkstein, Steinsalz und Flussspat.
Kalkstein: Brennen —> Kalk —> chem. Reaktion —> Ethin
Flussspat: Fluorwasserstoff (Fluorpolymere)
Steinsalz: Chlor (Polyvinylchlorid (PVC))
Nenne die sieben wichtigsten Rohstoffe für biobasierten Kunststoffe.
- Zucker
- Stärke
- Zellulose
- Fette
- Öle
- Proteine
- Lignine
Was ist Polylactid?
Polylactid (PLA) ist ein Beispiel für einen biologischen Kunststoff.
PLA…
- wird aus fermentierter Maisstärke hergestellt
- ist ein spröder Werkstoff
- hat eine konventionelle Zugfestigkeit
- durch das Mischen mit anderen Kunststoffen und Additiven lassen sich die Eigenschaften in einem weiten Bereich einstellen
Sind Kunststoffe biologisch abbaubar und gibt es Beispiele?
Kunststoffe sind nicht biologisch abbaubar.
Man versucht sogar meist sie gegen Abbau zu schützen. Dennoch ist es möglich labile, abbaubare Elemente in eine Polymerkette einzubauen.
Bsp.:
- Ethylen-Kohlenmonoxid- Copolymer Photochemischer Abbau (Licht)
- Polyesteramide Vollständig abbaubar, Verhalten wie Polyethylen
- Polylactid Meist Kunststoffflaschen
Was ist die „End of Life“- Strategie?
Ein anderer Begriff für Recycling.
Wie verläuft das Recycling von Thermoplastabfällen?
Sortenreine Abfälle werden nach Zerkleinerung, Waschen, Trocknung und Aufschmelzen zu neuen Produkten verarbeitet.
Gemischte Abfälle können für dickwandige Produkte (Lärmschutz) verwendet werden. Probleme sind:
- Abbau bei hohen Temperaturen
- Verarbeitung bei unterschiedlichen Temperaturen
Welche drei Verfahren können Kunststoffe wieder in ihre Grundsubstanzen zerlegen?
Je nach chemischer Bauart gelingt dies durch…
- Hydrolyse
- Alkoholyse
- Pyrolyse
Wie werden Elastomere und Duroplaste recycelt?
Elastomere werden durch Mastizieren wieder verarbeitet.
Duroplaste sind unschmelzbar, sie werden nur als zerkleinerter Füllstoff verwendet.
Welche drei Eigenschaften von Kunststoffen können sehr weit variieren?
- Härte
- Bruchfestigkeit
- Formbarkeit
Welche drei Gruppen von Kunststoffen gibt es?
- Thermoplaste
- Duroplaste
- Elastomere
Welche Kunststoffgruppe hat den größten Marktanteil?
Thermoplaste
Wie kann man sich den Aufbau von Polymeren verdeutlichen?
Polymeren sind in ihrem strukturellen Aufbau Polymerketten.
Polymerketten sind Makromoleküle, die aus Monomeren, also reaktionsfähigen Molekülen, bestehen.
Aus welchen Molekülen besteht die Hauptkette eines Polymers meistens?
- Kohlenstoffatome
- Sauerstoff
- Stickstoff
Durch welches Elememt wird in einigen Polymeren der Kohlenstoff substituiert?
In einigen ist Kohlenstoff durch Silizium/ Sauerstoff/Stickstoff substituiert.
Bsp.: Polysiloxan (-Si-O-Si-)
Wodurch entsteht Polyethylen?
Polyethylen entsteht durch die Verknüpfung vieler Ethen-Monomere.
Welche drei chemischen Prozesse zur Herstellung von Polymeren gibt es?
- Polymerisation
- Polyaddition
- Polykondensation
Füllen Sie die Tabelle: Prozess Verlauf Nebenprodukte Polymerisation Polykondensation Polyaddition
Prozess Verlauf Nebenprodukte
Polymerisation Stufenlos Keine
Polykondensation in Stufen Ja
Polyaddition In Stufen Keine
Welche Art von Reaktion kennzeichnet die Polymerisation?
Polymerisation kennzeichnet eine Reaktion, bei der Monomeren mit Doppelbundungen zu Polymeren reagieren.
Einzig durch Energiezufuhr werden Doppelbindungen geöffnet, wodurch die Moleküle reagieren und sich kovalent zu Ketten formen.
Was ergibt sich aus dem Polymerisationsgrad?
Die Kettenlänge der Polymere, von der mechanische und Verarbeitungseigenschaften abhängen.
Wann endet die Polymerisation?
Die Polymerisation ist eine Kettenreaktion, welche sich selbst aufrecht erhält.
Sie endet durch…
- einen Mangel an Monomeren
- eine Abbruchreaktion
Nenne drei Beispiele für Kunststoffe, welche durch Polymerisation entstehen.
- Polyvinylchlorid (PVC)
- Polyethylen (PE)
- Polystyrol (PS)
Welche drei Arten von Polymerisation existieren?
Es gibt die…
- radikalische
- ionische
- koordinative
…Polymerisation.
Definiere „Radikal“.
Ein Radikal ist ein Molekül oder Atom mit mindestens einem ungepaarten Elektron. Sie sind meistens sehr reaktionsfreudig.
Welche vier Schritte durchläuft der Entwicklungsprozess von Kunststoffprodukten?
- Planen (Aufgabe auswählen, Entwicklungsauftrag)
- Konzipieren (Anforderungsliste, Funktionsstrukturanalyse, Produktkonzepte erarbeiten und bewerten)
- Entwerfen(Werkstoffauswahl, Gestaltung, Dimensionierung)
- Ausarbeiten (Ggf. Einzelteiloptimierung, Kosten überprüfen, Prototypenherstellung)
Unter welchen acht Gesichtspunkten sollten neue Kunststoffprodukte bewertet werden?
Stand der Technik Machbarkeit benötigte Zeit für Umsetzung bereits eingesetzte Technologie Attraktivität Risiko Patentsituation Förderchancen
Welche Schritte umfasst die Konzeptphase des Konstruktionsprozesses?
- Pflichtenheft erstellen
- Funktionsstrukturanalyse anfertigen
- Lösungssuche für Teilfunktionen
- Kombination zu Produktkonzepten
- Technisch/wirtschaftliche Bewertung
Welche drei Hilfsmittel zur Auswahl des Werkstoffs im Konstruktionsprozess gibt es?
- Datenbank
- Recherchen (Experten,Lieferanten)
- Praxisnahe Laborversuche (teuer)
Welche zehn kunststoffspezifischen Features gibt es, die es erlauben bestimmte Funktionalitäten in eine Konstruktion einzubauen?
Rippen Schnapphaken Schraubenverbindungen Scharniere Gleitlager Klebverbindungen Pressverbindungen Zahnäder Einlegeteile Schweißverindungen
Welche Arten von Scharnieren gibt es und was sind ihre Merkmale?
Schnappscharnier: - formschlüssig
- lösbar - einfache Montage - Schwenkwinkel < 180°
Filmscharnier: - stoffschlüssig
- nicht lösbar - funktionsintegrabel - Schwenkwinkel ≤ 180°
Pressscharnier: - kraftschlüssig
- lösbar - einfache Montage - Schwenkwinkel < 360°
Was sind die drei Grundtypen von Filmscharnieren?
-> sind Vorteilhaft für thermoplastische Teile bei Drehbewegungen
Filmscharnier mit großem
Biegewinkel: - kleines Rückstellvermögen
- Biegewinkel ≤ 180°
Filmscharnier mit begrenztem
Biegewinkel: - großes Rückstellvermögen
- kleine Biegewinkel
Im Winkel gespritztes
Filmscharnier: - Biegewinkel ≤ 180°
Welche drei Gestaltungsrichtlinien gibt es für die spritzgießgerechte Fertigung?
- Wanddicke so dünn wie möglich (1-3mm)
- Entformungsschrägen vorsehen
- Gleiche Wanddicken (sonst Verzug)
Wanddicke besonders wichtig, da doppelte Wanddicke = vierfache Kühlzeit
Wie sehen ein ungünstig und ein günstig ausgelegtes Spritzgießteil aus?
günstig: Entformungsschrägen in allen Entformungsrichtungen >0,5°
ungünstig: Keine Entformungsschrägen
Hohe Entformungskräfte
Langer Auswerferhub
Welche drei Verfarhen existieren zur Dimensionierung von Kunststoffbauteilen?
- analytisch (überschlägige Berechnung)
- empirisch (auf Erfahrungen basierend)
- numerisch (FEM)
Welche Vorteile bietet eine FEM?
- beliebig komplexe Geometrien möglich
- keine Einschränkungen bezüglich Lastangriff (Punkt, Fläche..)
- Nichtlinearitäten möglich (geometrisch,Material..)
- Reduzierung von Prototypen-Versuchen
Welche drei Arten von Nichtlinearitäten eines Bauteils gibt es?
- Nichtlineares Materialverhalten
- Geometrische Nichtlinearität (Querschnittsfläche, Hebelarme etc.
ändern sich mit der Verformung) - Nichtlinearität aufgrund sich ändernder
Randbedingungen(Einschnappen, Kontakt, Abheben)
Was sind die vier typischen Anwendungsfelder von FE-Simulationen?
- Identifikation von Schwachstellen
- Festigkeitsnachweis (Lebensdauer)
- Gestaltoptimierung
- Schwingungsanalyse (Akustik)
Wie läuft eine FEM-Simulation grundsätzlich ab?
- CAD-System
- Preprocessing (Wahl des Materialmodells, Definition der Randbedingungen, Definition der Lasten, Vernetzung des Formteils)
- Fe-Berechnung
- Postprocessing (Visualisierung, Auswertung, kritische Hinterfragung)
- ggf. neues Preprocessing und alles wiederholen
Wie viel Prozent des „produzierten“ Öls aus Raffinerien fließt derzeit in die Kunststoffproduktion?
6%
Definition Copolymer:
Aus unterschiedlichen Monomeren aufgebautes Polymer.
Was sind organische Stoffe?
Alle chemischen Verbindungen mit Kohlenstoff
Wie läuft die radikalische Polymerisation ab?
- Ein Radikal bricht die Doppelbindung auf.
- Bindung von Monomeren bei geringer Aktivierungsenergie.
Abbruch über Rekombination oder Disportionierung.
Was ist der Unterschied zwischen Rekombination und Disportionierung?
Rekombination:
Aus zwei Radikalen entsteht ein Teilchen, das nicht mehr reaktiv ist.
Disproportionierung:
Aus zwei Radikalen werden ein Alkan und ein Alken, die nicht mehr
reaktiv sind.
Welche zwei Arten der ionischen Polymerisation kann man
unterscheiden und welche Eigenschaften sind bezeichnend?
Es gibt die anionische und die kationische Polymerisation.
Merkmale
Anionisch: negative Ladung, Abbruchreaktion ist selten, wird durch Zugabe elektronenarmer Stoffe gestoppt
Kationisch: positive Ladung, Abbruchreaktion ist häufig, wird durch eine Abbruchreaktion gestoppt
Wie läuft die koordinative Polymerisation ab und wofür wird sie vorrangig genutzt?
Die Polymersiation geschieht mittels Übergangsmetallverbindungen.
Das wichtigste Verfahren ist das Ziegler-Natta-Verfahren, bei dem Ziegler-Natta-Katalysatoren verwendet werden.
Es wird vor allem genutzt um Polymere einer bestimmten Taktizität herzustellen. (Bspw. isotaktisches Polypropylen)
Was bedeutet Taktizität und welche Arten gibt es?
Die Taktizität beschreibt die Anordnung der Seitenketten in einem Polymer.
Isotaktisch
Syndiotaktisch
Ataktisch (statisch)
Skript S. 17 Bild 2.3
Nenne drei typische Nebenprodukte der Polykondensation.
Wasser
Ammoniak
Alkohole
Wie verläuft die Polykondensation?
Niedermolekulare Gruppen verknüpfen sich unter Abspaltung von Nebenprodukten.
Vorraussetzung:
Die Monomere besitzen mindestens zwei funktionelle Gruppen, die besonders reaktionsfähig sind. (Bspw. -OH, -COOMH, -CO, -NH2)
Die Anlagerung findet dann an den Endgruppen statt (nicht an den Doppelbindungen!).
Abbruch:
Es ist eine echte chemische Gleichgewichtsreaktion also spielen Temperatur und Konzentration eine Rolle.
Wichtig:
Für ein Polymer mit hohem Molekulargewicht muss der
Reaktionsumsatz > 99% sein.
Was wird beispielsweise durch Polykondensation hergestellt?
Polyamide
Wie verläuft die Polyaddition und was macht sie aus?
Kann nur zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren ablaufen.
Die Reaktion läuft über intramolekulare Umlagerung.
(Wasserstoffatome aus den funktionellen Gruppen wandern zum anderen Molekül).
Hierbei bilden sich kovalente Bindungen.
Es ist keine chemische Gleichgewichtsreaktion.
Sobald eine Komponente aufgebraucht ist, ist die Reaktion beendet.
Bsp.: Polyurethane.
Inwiefern sind die Kettenmoleküle bei Thermoplasten,
Elastomeren und Duroplästen verbunden?
Sind sie schmelzbar oder löslich?
Thermoplaste: lineare und verzweigte Kettenmoleküle
Elastomere: schwach vernetzte Kettenmoleküle (grobe „Mauerstruktur“)
Duroplaste: stark vernetzte Kettenmoleküle (feine „Mauerstruktur“)
Seite 19 Bild 2.6
Ab wann sind Kunststoffe nicht mehr schmelzbar?
Sobald die Molekülfäden vernetzt werden.
Welche Arten von Stoffen gibt mann Kunststoffen hinzu um ihre Eigenschaften einzustellen?
- Additive (Stabilisatoren, Gleitmittel, Weichmacher)
- Füllstoffe (Kreide, Glasfasern, Ruß)
- Pigmente
- andere Kunststoffe (Polymerblends)
In welchem Zustand werden Thermoplaste verarbeitet?
Im geschmolzenen Zustand.
Welche Arten von Thermoplasten gibt es?
Es gibt die amorphen und die teilkristallinen Thermoplaste.
Was zeichnet amorphe Thermoplaste aus?
Sie sind:
- i.A. transparent
- bei Raumtemperatur spröde
- bspw. in der Hülle einer CD
Was zeichnet teilkristalline Thermoplaste aus?
Bei teilkristallinen Thermoplasten existieren amorphe und kristalline Phasen nebeneinander.
Teilkristalline Thermoplaste haben…
- ein eher zähelastisches Materialverhalten.
- eine milchig trübe Färbung.
Bsp.: Ansaugrohre im Automobilbereich
Welche Eigenschaften sind bezeichnend für Elastomere?
Elastomere (“Gummi”) werden nach der Formgebung vulkanisiert und entwickeln dadurch ihr gummielastisches Materialverhalten.
Elastomere sind…
- nicht schmelzbar.
- bei hohen Temperaturen brennbar.
- für elastische Anwendungen vorgesehen (Dichten, Dämpfen)
Bsp.: Reifen, Dichtungen, Schläuche und Federelemente
Was kennzeichnet Duroplaste?
Duroplaste (Duromere) werden während der Formgebung ausgehärtet
Duroplaste sind…
- nicht schmelzbar
- von ihren Eigenschaften über weite Temperaturbereiche
konstant (bis Zersetzung). - hohe Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse
Bsp.: Pfannengriffe, Schaltergehäuse, FVK
Was ist ein großes Anwendungsgebiet der Duroplaste und weshalb?
Die faserverstärkten Kunststoffe (FVK) sind ein großes
Anwendungsgebiet aufgrund der hohen Beständigkeit von Duroplasten.
Bei FVK umschließt bspw. eine Duroplastmatrix Aramid-, Glas oder Kohlenstofffasern.
Diese Matrix dient…
- Zur Krafteinbringung.
- dem Schutz vor Umwelteinflüssen.
Was ist der Schubmodul und wie wird er ermittelt?
Der Schubmodul G in [N/mm²] ist eine dem E-Modul vergleichbare Größe und wird im Torsionsschwingversuch ermittelt.
Wie verläuft der Schubmodul G von Elastomeren, Duroplasten und den zwei Thermoplastarten über der Temperatur?
Amorpher Thermoplast:
Steilabfall bei Erweichungstemperatur
Teilkristalliner Thermoplast:
Steilabfall bei Kristallitschmelztemperatur
Siehe Skript Seite 22 Bild 2.10
Definiere “organische Stoffe”
Organische Stoffe sind alle chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs.
Kunststoffe sind organisch, Metalle und Keramiken anorganisch.
Wie sind Kunststoffe im Bereich Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu Metallen und Keramik einzuordnen?
Kunststoffe haben eine wesentlich geringere Festigkeit und Stetigkeit.
Siehe Skript Seite 23 Bild 2.11
Wie verhalten sich Festigkeit und Steifigkeit bei steigender Temperatur?
Sie fallen bei den meisten Kunststoffen.
Bei Metallen und Keramiken sind sie über weite Bereiche unabhängig von der Temperatur.
Welches Verhalten zeigen die Kunststoffarten beim Zugversuch im Vergleich zu Metallen?
Die Festigkeit von den Metallen ist deutlich höher.
Die Kunststoffe haben dafür eine deutlich höhere Reißdehnung.
Siehe Skript Seite 24 Bild 2.12
Ordnen Sie Metallen, Keramik und Kunststoffen vergleichende Steifigkeiten und Bruchdehnungen zu.
Hartmetalle & Keramik: gute Steifigkeit, sehr geringe Bruchdehnung
Stähle & Eisen: gute Steifigkeit, hohe Bruchdehnung
Unverstärkte Thermoplaste: niedrige Steifigkeit, sehr hohe Bruchdehnung
Thermoplaste mit steigender Verstärkung: Steifigkeit steigt, Bruchdehnung sinkt
Verstärkte Duroplaste: hohe Steifigkeit, sehr geringe Bruchdehnung
Wo liegt der obere thermische Dauerbeanspruchungsbereich der meistverwendeten Werkstoffe?
Bei der thermischen Beanspruchbarkeit zeigt sich der wesentliche Nachteil der Kunststoffe.
Siehe Skript Seite 25 Bild 2.14
Ordnen sie Kunststoff; Metalle und Keramiken nach Wärmeleitfähigkeit.
Kunststoffe 0,1 - 0,4 Keramik (ZrO2) 1.2 - 3,0 Keramik (AI203) 10 - 30 Metall (VA-Stahl) 15 Metall (Kupfer) 370
Ordnen sie Kunststoffe, Metalle und Keramiken nach Wärmeausdehnung.
Ausdehnung [mm] bei einem Stab von 1 m Länge und 10 Grad Celsius Temperaturerhöhung.
Elastomere 2,2 - 1,9 Thermoplaste 2,2 - 0,6 Duroplaste 0,9 - 0,1 Leichtmetalle 0,25 Stahl 0,13 Keramik (ZrO2) 0,12 - 0,1 Keramik (AIl203) 0,08 - 0,07
Welche Gründe führen dazu, das der Einsatz von Kunststoffen immer mehr zunimmt?
- Mechanische/Thermische Eigenschaften der Metalle oft nicht erforderlich.
- Kunststoffe sind an Anwendungen anpassbar.
- Leicht formbar.
- Korrosionsbeständig.
- Wirtschaftlicher (niedrigere Temperaturen).
Worin unterscheidet sich die elektische Leitfähigkeit von Metallen und Kunststoffen?
Metalle und viele Halbleiter sind Elektronenleiter (Leiter 1. Klasse), deren Leitfähigkeit sehr hoch ist.
Kunststoffe sind lonenleiter und haben im Vergleich eine sehr viel geringere Leitfähigkeit (sind gute Isolatoren).
Ordne bekannte Elemente/Werkstoffe nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit.
Leitfähigkeit in S/m
Kunststoffe: E-14 bis E-10 Grenzbereich elektrost. Aufladung: E-8 bis E-6 antist. Rußcompounds: E-4 bis E-1 leitfähige Rußcompounds: E-1 bis E2 (Metall-) fasergef. Compounds: E2 bis E4 leitfähiges Mischcomposite: E4 bis E6 Metalle: E6 bis E8
Was ist eine Folge der sehr guten Isolationseigenschaften der Kunststoffe?
Es kann zur elektrostatischen Aufladung kommen.
Durch mechanische Reibung entsteht eine Ladungsverschiebung, die sich bei Kunststoffen nicht ausgleich kann.
So kann es zu Stromschlägen und Lichtbögen kommen.
Welche Bindung gehen 1. Thermoplaste, 2. Elastomere und 3. Duroplaste ein und sind sie schmelzbar?
- Thermoplaste:
kovalente Bindung, schmelzbar - Elastomere:
chemisch kovalente Bindung (Vulkanisation), nicht schmelzbar - Duroplaste:
chemisch kovalente Bindung (Härtung), nicht schmelzbar
Definiere “Fließtemperatur” und “Glastemperatur”
Fließtemperatur:
Bei Fließtemperatur sind Kunststoffe flüssig genug, um auf
handelsüblichen Maschinen verarbeitet zu werden.
Glastemperatur:
Unterhalb der Glastemperatur sind sie unabhängig vom
Vernetzungsgrad hart und spröde.
Kunststoffarten und ihre Molekülstrukturen
Thermoplaste (amorph, teilkristallin): -schmelzbar -löslich -bei RT weich- bis hart-zäh oder hart-spröde Elastomere: -nicht schmelzbar -quellbar, unlöslich -bei RT elastisch-weich Duroplaste: -nicht schmelzbar -nicht quellbar, unlöslich bei RT hart-spröde
Wann ist jeder Kunststoff amorph?
Im Zustand der Schmelze, wenn die Molekülketten völlig regellos vorliegen.
Welche zwei Strukturen können Kunststoffe bei Abkühlung annehmen?
Kunststoffe können bei der Erstarrung…
- ihre amorphe Schmelzstruktur behalten.
- Kristalline, geordnete Bereiche ausbilden.
Nenne vier typische amorphe Thermoplaste.
- Polyvinylchlorid (PVC)
- Polycarbonat (PC)
- PolymethyImethacrylat (PMMA)
- Polystyrol (PS)
Neben amorphen Thermoplasten ist Glas ein typischer amorpher Werkstoff.
Wo liegt der Gebrauchsbereich amorpher Thermoplaste?
Unterhalb des Erweichungsbereiches (also im spröden Glaszustand).
Was ist die “Glasübergangstemperatur”?
Die Glasübergangstemperatur bezeichnet eine Temperatur im Erweichungsbereich, ab der das Material von einem glasförmigen in einen gummiänhlichen Zustand wechselt.
Nenne zwei limitierende Faktoren, die eine vollständige Kristallisation eines teilkristallinen Thermoplasten verhindern.
- Eingeschränkte Kettenmobilität durch Verschlaufungen.
- Unterschiedliche Länge der Polymerketten.
Was gibt der Kristallisationsgrad an?
Den Anteil des kristallinen Volumens im erstarrten Material.
Aus wie vielen Phasen bestehen Kunststoffbauteile aus
teilkristallinen Thermoplasten?
Sie bestehen immer aus einer amorphen und einer kristallinen Phase mit gleicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.
Dies führt oftmals zu einer lamellenartigen Anordnung der Molekülketten.
Nenne drei typische teilkristalline Thermoplaste.
- Polyethylen (PE)
- Polypropylen (PP)
- Polyamid (PA)
Welchen Grad der Kristallinität können PE und PET erreichen?
PE 80 Vol.-%
PET 5 Vol.-%*
- durch sehr schnelles Abkühlen
Welche ist die wichtigste Kristallstruktur und was sind ihre
Eigenschaften?
Die wichtigste ist die sphärolitische Struktur, die meistens den dominanten Anteil des Gefüges ausmacht.
Um einen kleinen kristallinen Block entstehen radiale Strukturen. Sphärolite wachsen solange in die amorphe Umgebung bis sie aufeinander treffen.
Erkennbar sind sie, unter entsprechender Mikroskopie, durch das über sie gespannte Malteserkreuz.
Welche drei Teilprozesse umfasst der Kristalisationsprozess?
Keimbildung
Kristallwachstum
Nachkristallisation
Was geschieht während der Keimbildung im Kristallisationsprozess?
Es entstehen kleine kristalline Bereiche in der Schmelze
Ab einer bestimmen Größe (kritischer Keimradius) ist es für diese energetisch günstiger zu wachsen als zu zerfallen.
Unterscheidungen zwischen homogenen und heterogenen Keimen.
Homogen:
Entsteht durch Faltung und Aneinanderlegung reiner Polymerschmelzen.
Heterogen:
Entstehen aus Verunreinigungen (werden auch absichtlich durch Nukleirungsmittel hergestellt um die Keimdichte zu erhöhen).
Was ist beim Kristallwachstum zu beachten und welches Gefüge ergibt sich?
Das Kristallwachstum ist stark abhängig von der Temperarur.
Eine langsame Abkühlung führt bspw. zu einen grobsphärolitischen Gefüge, welches sehr inhomogen ist (außen fein, innen grobe Kristalle)
Durch Nukleirungsmittel kann man ein feinsphärolitisches Gefüge erreichen.
Was passiert während der Nachkristallisation?
Die Nachkristallisation setzt sofort nach dem Wachstum ein und kann über Monate dauern.
Es existieren Bereiche im Gefüge , die ihren Phasenwechsel verzögert durchlaufen. Nun streben die Phasen einem Gleichgewichtszustand zu.
Dadurch erhöht sich nachträglich der Kristallisatonsgrad.
Nenne die zwei bekanntesten Duroplasten.
Polyesterharz (UP)
Epoxidharz(EP)
Wie hängt E-modul eines teilkristallinen Materials von Kristallisationsgrad und Spährolitdurchmesser ab?
Der E-modul …
… sinkt mit steigendem Durchmesser
… steigt mit Kristallisationsgrad
Welche Größenordnung haben Lamellen und Sphärolithe in teilkristallinen Thermoplasten?
Lamellendicke 20 bis 60 nm
Sphärolith 50 bis 500 Mikrometer
Nenne die zwei bekanntesten Elastomere
Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Was beschreibt die Molmassenverteilung?
Man kann einem synthetischen Polymer keine exakte Kettenlänge bzw. Molmasse zuordnen.
Somit entstehen in einer Charge eine Verteilung von Polymeren unterschiedliche Länge.
Die Molmassenverteilung beschreibt die anteilsmäßige Aufteilung der unterschiedlich langen Polymere im Werkstoff.
Wie misst man die Molmassenverteilung
Das bekannteste Verfahren ist die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC).
Bei dieser werden die Moleküle aufgrund ihrer Größe getrennt.