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.
Was bewirkt eine höhere Molmasse eines Polymers?
Eine höhere Molmasse führt zu….
Höhere Festigkeit
Höhere Zähigkeit
Schlechterem Fließverhalten
Einer höheren Anzahl Verschlaufungen
Was ist eine kovalente Bindung?
Die kovalente Bindung ist die klassische Elektronenpaarbindung.
Sie entstehen, wenn der Abstand zwischen zwei Atomen kleiner als die Summe der mittleren Atomradien ist.
Eine Kovalente Bindung ist immer gerichtet und sehr stark.
Welche Arten von kovalenten Bindungen sind für die Kunststoffe relevant?
Einfach/Doppel/Dreifachbindungen
Wie hoch ist typischerweise die Bindungsenergie?
Bei kovalenten Einfachbindungen: 250-400 kj/mol
Steigt mit anzahl beteiligter Elektronen.
Was ist das Besondere an der Temperaturleitfähigkeit von teilkristallinen-Thermoplasten?
Die teilkristallinen Thermoplaste zeigen
1) unter der Schmelztemperatur eine deutliche Abnahme bei steigender Temperatur.
2) eine Unstetigkeit im Schmelzpunkt.
Welche Arten von mechanischer Beanspruchung unterscheidet man?
- Kurzzeitbeanspruchung
- Langzeitbeanspruchung
- Stoßbeanspruchung
- dynamische/zyklische Beanspruchung
Welche Arten von Prozessen treten bei mechanischer Belastung von Kunstoff auf?
reversible
irreversible
Erläutere den Begriff Elastizität.
Die Elastizität beschreibt die reversible Verformung unter Last.
Den Sonderfall der linearen Elastizität Beschreibt das Hook’sche Gesetz.
(Formel)
Erläutere den Begriff Plastizität.
Plastizität beschreibt die irreversible Verformung.
Diese Verhalten wird bei polymeren auch als “Fließen” bezeichnet.
Arbeit wird quasi vollständig zu Wärme
Wie bestimmt man den Elastizitätsmodul?
Über den universellen Zugversuch auf einer Universalzugprüfmaschine.
Der Versuch wird unter quasi-statischen Bedingungen durchgeführt, bei einer Dehnung zwischen 0,05-0,25%.
Was ist der Unterschied zwischen berührenden und optischen Messverfahren?
Messverfahren Auswertung
Berührend technische Spannung(längs)
optisch wahre Spannung(Längs&quer)
Wie werden technische und wahre Spannungen berechnet?
Sigma(tech)=F/A0
Sigma(wahr)=F/An
Mit
A0: anfänglicher Probenquerschnitt
An: momentaner Probenquerschnitt
Wie Werden die technischen und die wahren Dehnungen berechnet?
Epsilon(tech)=(Delta l)/l0
Epsilon(wahr)= ln(l(t)/l0)=ln((l0+Delta l)/l0)
Mit Epsilon(wahr) entspricht Hencky-Dehnung ln: Logarithmus naturalis l0: Anfangslänge Delta l: Längenänderung
Welche Größen lassen sich aus einem Spannungs/Dehnungs-Diagramm ablesen? Wie sind die typische Verläufe für spröde/zähe Wekstoffe mit/ohne Streckgrenze?
- Bruchspannung
- Steckgrenze
- Zugfestigkeit
- Dehnung bei Bruchspannung
- Dehnung bei Streckspannung
- Dehnung bei Zugfestigkeit
a: spröde Werkstoffe
b, c: zähe Werkstoffe mit Streckgrenze
d: zähe Werkstoffe ohne Streckgrenze
Bild 3.11 S.51
Welche zwei Einflussfaktoren verändern insbesondere das mechanische Werkstoffverhalten?
- Umgebungstemperatur
- Belastungszeit
Diese beiden Faktoren werden gemeinsam mithilfe der Zeit/Temperatur-Verschiebung (ZTV) betrachtet.
Wie funktioniert das Prinzip der Zeit/Temperatur-Verschiebung(ZTV)?
Die ZTV ist eine empirisch gewonnene Regel (kein phys. Gesetz).
Das ZTV verringert den zeitlichen Aufwand für Versuche mit geringer Dehngeschwindigkeit, indem sie diese durch Versuche mit erhöhter Temperatur und hoher Dehngeschwindigkeit ersetzt.
Dafür muss nur der werkstoffabhängige k-Faktor der Verschiebungsregel bekannt ein, um den Verschiebungsfaktor der Masterkurve zu berechnen.
Was ist bei der Untersuchung des Langzeitverhaltens von Polymeren zu beachten?
Aufgrund der Viskoelastizität fließen Polymere unter langzeitigen Belastungen.
Typischerweise werden Relaxations-und Retardationsverhalten untersucht.
Wie ermittelt man das Relaxation/Retardationsverhalten?
Relaxationsverhalten:
Probe wird um festen Wert gedehnt, Spannung über der Zeit gemessen.(Dehnung konstant)
Retardatiosverhalten:
Probe mit festgelegter Belastung, Dehnungen werden gemessen.(Last/Spannung konstant)
Wie konstruiert man ein isochrones Spannungs/Dehnungsdiagramm? Was ist der Unterschied zum normalen?
Im isochronen Diagramm dient die Belastungszeit als parameter.
Im normalen wird mit der Belastungsgeschindigkeit parametrisiert.
Bild 3.16 S.55
Welcher Kunststoff ist besonders gut geeignet für Stoßbelastungen und durch welche Eigenschaften?
Teilkristalline Thermoplaste aufgrund ihrer
- hohen Verformbarkeit
- hohen Zähigkeit
- mechanische Dämpfung
wie verändert sich das Verformungsverhalten bei Stoßbelastung?
Von einem linearviskoelastischen zu einem lineraelastischen Verhalte.
Damit fällt die Bruchdehnung ab.
Wie betrachtet man gekerbte Teile hinsichtlich Stoßverhalten?
Ein Dehnungsgrenzwert kann nicht verwendet werden.
Stattdessen kann man die kritische Energie verwenden, welche der Fläche unter der Spannungs/Dehnungskurve im entsprechendem Diagramm entspricht.
Diese nimmt mit der Verformungsgeschindigkeit zunächst zu um anschließen auf ein Minimum zu fallen.
Wie laufen Schnellzerreiß- und Impactversuche ab?
Schnellzerreißversuche:
Läuft wie der Zugversuch nur mit höheren Abzugsgeschwindigkeiten bis zu 10m/s.
Impactversuche:
Eine Fallmasse wird aus einer definierten Höhe aus eine Probe fallen gelassen.
Wie verhalten sich Kunststoffe bei dynamischer Belastung?
Die Viskoelastizität bewirk eine Phasenverschiebung zwischen Dehnung und Spannung.(Spannung eilt voraus)
Bild 3.19 S.58
Der Phasenwinkel zeigt die Elastizität/Viskosität an.
Delta = 0 : vollständig elastisch
Delta = 90 :vollständig viskos
Der mechanische Verlustfaktor ist die Wärmeabgabe des viskosen Anteils.
Durch welches Modell kann die dynamisch-zyklische Beanspruchung veranschaulicht werden?
Durch das Maxwell-Modell.
Dabei speichert die Feder Energie und der Dämpfer gibt Wärme ab. Zu beachten ist der folgende Temperaturanstieg.
Bild 3.20 S.59
Nennen sie vier Möglichkeiten um die Eigenschaften von Kunstoffen einzustellen.
- Zugabe von Additiven und Zusatzstoffen (mech./Farbe)
- Polymer-Blends (Polymere kombinieren)
- Copolymere (Monomere kombinieren)
- Verarbeitungsprozess
Welche Eigenschaften können Zuschlagsstoffe verändern?
- physikalische
- chemische
- elektrische
Wann werden Zuschlagsstoffe in der Verarbeitung eingesetzt?
In keinem Prozess wird die Materialrohform verwendet, es werden immer Zuschlagsstoffe zugegeben.
Welche Arten von Zuschlagsstoffen gibt es?
Farbmittel, Funktionsadditive, Füll-und Verstärkungsstoffe, Modifizierungen
Wo liegt der typische Füllstoffgehalt?
10 - 50%
Was ist die Grammatur?
Die Grammatur ist die Masse pro Fläche, auch Flächengewicht genannt.
Wie wirkt sicht Calciumcarbont als Füll-/Verstärkungsstoff aus PE aus?
- Kosten reduzieren
- E-Modul erhöhen
- Dichte erhöhen
- Aneinanderhaften verringert (Anti-block-Effekt)
- Schmelzwärme geringer
- bessere Wärmeleitfähigkeit
Welche Eigenschaften zeichnen die faserverstärkten Kunststoffe (FVK) aus?
- geringeres spezifisches Gewicht
- einstellbare Steifigkeit
- gute chemische Beständigkeit
- hohe Schwing-und Dauerfestigkeit
Welche drei Werkstoffe werden im Allgemeinen für Faser als Füllstoff eingesetzt?
Welche Biomaterialien gibt es?
Im Allgemeinen:
- Glas
- Kohlenstoff
- Aramid
Biomaterialien:
- Flachs
- Zellulose
Was sind typische Additive und in welchem Anteil werden sie zugegeben?
Anteil: 1 - 5%
- Stabilisatoren
- Antistatika
- Gleitmittel
- Haftvermittler
- Farbmittel
Was ist ein Masterbatch und welche drei Kategorien gibt es?
Ein Masterbach ist ein Zuschlagstoff in granulärer Form, der das Additiv in hoher Konzentration (bis 80 vol.-%) enthält.
Kategorien:
- Farben-Masterbatches
- funktionale Masterbatches
- kombinations-Masterbatches
Welche drei Eigenschaften können Stabilisatoren verbessern?
- Wärmebetändigkeit
- UV-Beständigkeit
- Feuchtigkeitsbesändigkeit
Welchen Effekt haben Antisatika?
- elektrischen Oberflächenwiderstand verringern
- elektrostatische Ladung ableiten
- Anziehung von Schmutzpartikeln verhindern
Wie wirken Gleitmittel im Kunststoff?
Gleitmittel migrieren and die Oberfläche und verringern den Reibungskoeffizienten.
wichtig für Folien und zur Entformung.
Wie wirken Antiblockmittel?
Antiblockmittel sind inerte Festkörper, die an der Oberfläche für Abstand sorgen. (z.B. zwischen Folien)
Beispiel für Antiblockmittel sind Silikate und Talkum.
Was bewirken Haftmittel?
Haftvermittler sind für die Mehrschichtenfolien sehr wichtig.
Sie Sorgen dafür, dass zwischen den teils unverträglichen Schichten keine Delamintation stattfindet indem sie ein verträgliche Pufferschicht bilden.
Welche verschiedene Copolymerarten gibt es?
Art 1: statistisch aufgebautes Copolymer Art 2: alternierend aufgebautes Copolymer Art 3: aus Blöcken zusammengesetztes Polymer Art 4: homogene Ketten mit gepfropften Seitenketten.
Bild 4.3 S.66
Nenne zwei typische Copolymere und ihre Eigenschaften.
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS):
- Terpolymer (3 Monomere)
- Kombiniert aus sprödem Thermoplast und Elastomer
- Bei Erstarrung Phasenseparation mit Elastomerinseln
- Material wird zäher und weniger spröde
Styrol-Acrylnitril (SAN):
- Copolymer (2 Monomere)
- höhere Festigkeit
- thermische Beständigkeit
- sehr spröde
Was sind Polymerblends und wie stellt man sie her?
Polymerblends bestehen aus zwei oder mehr Polymeren.
Wichtig ist die Verträglichkeit (Phasenkopplung) der Materialien zu beachten.
Die Verträglichkeit kann durch Compatibilizer und reaktives Blenden verbessert werden.
Welche Eigenschaften werden bei Blends am häufigsten optimiert? Nenne ein Beispiel.
Optimiert werden häufig:
- Schlagzähigkeit
- Kerbschlagzähigkeit
Ein Beispiel sind PC/ABS-Blends. Diese haben: -erhöhte Schlagzähigkeiten im Tieftemperaturbereich -gute Wärmeformbeständigkeit -gute elektrische Eigenschaften
Gehäuse für Elektrogeräte werden daraus oft gebaut.
Was sind Integralschäume und woraus bestehen sie häufig?
Integralschäume haben/sind:
- Teile mit geschäumtem Kern & kompakter Oberfläche
- geringe Dichte
- gute mechanische Eigenschaften
Meist bestehen sie aus:
- Thermoplasten (PE, PS)
- Polyurethanen (PUR)
Welchen Einfluss hat Schäumen auf die Eigenschaften eines Kunststoffs?
- gesenkter Verbrauch
- geringere Dichte
- niedrige Wärmeleitfähigkeit
- gute thermische Isolation
- bessere Dämpfung
- höhere Steifigkeit
Wie läuft das Schäumen ab und welche Zellgrößen kann man erreichen?
Ablauf:
- hoher Druck, hohe Temperatur -> Treibmittel in die Schmelze lösen (Sorption, Diffusion)
- starker Druckabfall -> Treibmittel verdampfen, Nukleirung Schaumzellen, Zellstruktur
- Abkühlung -> Stabilisierung
Zellgröße:
Wenige Mikrometer bis mehrere Millimeter
Wie hoch ist die minimale Dichte, die man bei Integralschäumen erreichen kann?
Die minimale Dichte für Schäume beträgt ca. 300 kg/m³
Welche Arten von Treibmitteln gibt es und was unterscheidet sie?
Chemische Treibmittel:
Werden als Masterbatches zugegeben (thermisch initiiert)
-Endotherme: Gasmoleküle werden in einer endothermen Reaktion frei
z.B. Natriumbicarbonat, Zitronensäure)
-Exotherme: Spalten Gasmoleküle ab und geben Wärme frei (selbsterhaltend)
Physikalische Treibmittel:
Fluide, die über einen Injektor eingebracht werden
z.B. FCKW (alt), Kohlenstoffdioxid, Stickstoff
Welche drei wesentlichen Randbedingungen gibt der Verarbeitungsprozess vor?
- Temperatur
- Strömungsfeld (lokale Geschwindigkeiten)
- Druck
Wie hängen freie Enthalpie und Keimbildungsrate während der Kistallisation zusammen?
Je höher die freie Enthalpie, desto höher die Keimbildungsrate (feineres Gefüge).
Die freie Enthalpie ergibt sich dabei additiv aus einem strömungsabhängigen und einem strömungsunabhängigen Term.
Was ist das Besondere an Shish-Kebab Kristallisationsstrukturen?
Sie entstehen aus stark verstreckten und orientierten Polymerketten. Die Struktur kann ineinander verzahnen und deutlich die Steifigkeit erhöhen, z.B. von 1 GPa auf 8 GPa (Eigenverstärkung).
Bild 4.11 S.73
Wie verändert ein Strömungsfeld eine Polymerschmelze?
Ohne Strömungsfeld ist eine Polymerschmelze isentrop.
Mit Strömungsfeld wird die Schmelze orientiert, es kommt zur Molekülorientierung.
Charakteristisch ist, dass die Schmelze mit der Zeit wieder relaxieren kann (nicht-linear viskoelastisches Verhalten).
Welche anisentrope Eigenschaft wird durch ein Strömungsfeld in einer Schmelze vor allem hervorgerufen?
Doppelbrechung/Strömungsdoppelbrechung, welche Reißspannung und Reißdehnung beeinflusst.
Bild 4.12 S.74
Wie wirken sich Fasern und ihre Orientierung in einem Kunstsstoff bei Belastung aus?
Belastung in Faservorzugsrichtung führt zu steiferem, festerem Bauteil-/Wekstoffverhalten.
Bild 4.13 S.74
Was sind Eigenspannungen und woher kommen sie?
Eigenspannungen sin innere mechaniche Spannungen, die auf Abweichungen der Atomabsstände und der Valenzwinkel beruhen.
Folge inhomogener Abkühlbedingungen, sie sind unvermeidlich.
Welche Arten von Eigenspannungen gibt es?
- Thermisch induzierte
- Druckinduzierte
Wie entstehen thermisch induzierte Eigenspannungen?
Randschichten erstarren zuerst, sodass eine kontraktion der inneren Zone behindert wird.
Bild 4.15 S.76
Wie entstehen Druckinduzierte Eigenspannungen?
Nachförderung von Schmelze in den schmelzförmigen Bereich (Abkühlungsexpansion der Randschicht unterdrückt).
Innen: Druckeigenspannung
Außen: Zugeigenspannung
Welche Faktoren legen die Höhe der EIgenspannungen fest?
- eingesetzter Kunststoff
- Geometrie
- Verarbeitung
- Nachbehandlung
Bild 4.16 S.77
Was ist Alterung und in welchen drei Teilschritten verläuft sie?
Alle mit der Zeit zunehmenden irreversiblen Veränderungen
- Alterungsursache
- Alterungsvorgang
- Alterungserscheinungen
Bild 4.18 S.79
Was ist bei der chemischen Alterung zu beachten und welche sind die vier wichtigsten Vorgänge?
Chemische Alterung beeinflusst die Hauptvalenzen und ist irreversibel (auch bei erneutem Schmelzen).
Ursachen:
Strahlungsenergie oder thermische Energie
Vorgänge:
- Oxidation
- Molekulargewichtsabbau
- Hydrolyse
- Nachpolymeristion
Was ist bei der physikalischen Alterung zu beachten?
Es kommt zu Veränderung der Nebenvalenzen, was immer eine Veränderung der Struktur bewirkt.
Ursachen:
- Innere: Orientierungen, Eigenspannungen, Kristallisation
- Äußere: Energie, Fremdmoleküle
Wie heißen die zwei mengenmäßig wichtigsten Urformverfahren und was sind ihre Gemeinsamkeiten?
- Spritzgießverfahren (diskontinuierlich)
- Extrusionsverfahren (kontinuierlich)
Gemeinsamkeiten: Die Plastifizierung (Aufschmelzen) erfolgt durch eine rotierende Schnecke.
Aus welchen Elementen besteht typischerweise eine Extrusionsanlage?
- Materialzuführung und Dosierung
- Extruder
- Werkzeug
- Kalibriervorrichtung
Bild 5.1 S.83
Welche zwei Teile einer Extrusionsanlage bestimmen die Form des Produktes?
- Werkzeug
- Kalibriervorrichtung
Welche Halbzeuge sind mit dem Extrusionsverfahren herzustellen?
Zweidimensionale Halbzeuge:
- Platten
- Folien
- Kabel
- Rohre
- geometrisch komplizierte Profile
Nenne die vier gebräuchlichsten Extrusionsverfahren und ihre Produkte.
- Flachfolienextrusion (Folie, Platte)
- Blasfolienextrusion (Folien)
- Profilextrusion (Profile, Rohre)
- Faserspinnen (Fasern, Textilien)
Bei allen Verfahren wird der Kunstoff im Extruder kontinuierlich aufgeschmolzen, homogenisiert und über ein Werkzeug ausgetragen.
Ab welcher Dicke wird aus einer Folie eine Platte?
Folie: 1 - 750 µm
Platte: > 750 µm
Wie funktioniert Blasfolienextrusion?
Der Schmelzstrom:
- wird durch den Blaskopf in Ringspaltströmung überführt.
- verlässt das Werkzeug als Schlach.
- wird nach oben gezogen und gekühlt.
- wird durch die Erstarrung und den Zug orientiert.
- wird aufgeschlitzt und aufgewickelt.
Welche Bauteile benötigt eine Blasfolienextrusionsanlage und welche Ausmaße kann sie annehmen?
Bild 5.4 S.86
Massendurchsatz: bis zu 1000 kg/h
Höhe der Kühlstrecke: bis zu 30 m
Was wird durch Profilextrusion hergestellt und was ist dabei besonders wichtig?
Komplexe Geometrien werden hergestellt, was zu Werkzeugen mit teils sehr kompliziertem Aufbau führt. Die Kalibrierung ist hier besonders wichtig, um enge Maßtoleranzen einzuhalten/zu gewährleisten.
Wie sieht eine typische Vliesanlage aus und wie funktioniert sie?
Die Schmelze wird durch kleine Löcher gepresst, wodurch Filamente mit einem Durchmesser weniger Mikrometer entstehen. Anschließend werden sie luftgekühlt und zum Vließ abgelegt.
Bild 5.7 S.88
Welche drei Zonen hat ein Schneckenextruder?
- Einzugszone (Granulat aus Trichter ziehen)
- Kompressionszone (Druck aufbauen)
- Meteringzone (weiter homogenisieren)
Welche vier Aufgaben erfüllt ein Extruder?
- Material aufschmelzen und auf Temperatur bringen
- Druck aufbauen
- Füll/Farbstoffe einarbeiten
- thermisch/zeitlich/stofflich konstanten Strom erzeugen
Wo findet der heiße/kalte Teil der Verarbeitung statt?
heiß: Extruder, Werkzeug
kalt: Kalibrierung, Wicklung usw.
Bild 5.8 S.89
Welche Verfahrensschritte hat jeder Extrusionsprozess zur Herstellung von endlosen Halbzeugen (Folien, Rohre usw.) ?
- Materialeinzug
- Aufschmelzen
- thermisches/stofflisches homogenisieren
- Fördern
- Druck aufbauen
- druch ein Wekrzeug austragen
Können Eigenschaften des Materials auch noch nach dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug verändert werden?
Ja, dies wird beispielsweise bei der Folienextrusion genutzt um Orientierung in die Folie einzubringen.
Wie kann man mehrschichtige Folien herstellen?
Mit dem Verfahren der Coextrusion.
Hierbei werden mehrere Schmelzströme aus verschiedenen Extrudern in einem Werkzeug zu Schichten geformt und aufeinander geführt (Coextrusions-Feedblock).
Wo liegen die Anwendungsbereiche von Flachfolien?
- Frischhaltefolie
- Folien für Becher
- Displayschutzfolien
- Folien mit integrierten Leuchtdioden
- Klebeband
Welche Massen kann das Flachfolienextrusionsverfahren erzeugen?
Dicke: wenige µm bis mm
Breite: bis zu 5 m
Durchsatz: bis zu 3 t/h
Aud welchen Werkstoffeigenschaften hat der heiße Teil der Verarbeitung Einfluss?
- Molekulargewicht
- Viskosität
- Farbe
- Vercrackungen
- Orientierung
Wie verändert sich das Molekulargewicht im Extruder?
Durch thermische und mechanische ENergie werden die Polymerketten gespalten, wodurch sich das Molekulargewicht verringert.
Bei Polymerkondensaten kommt es zur Hydrolyse (Spaltung der Polymerketten), falls sie bei der Verarbeitung Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen.
Das abnehmende Molekulargewicht kann zur Verringerung der Viskosität führen, was den Prozess zusammenbrechen lassen kann.
Wo tritt ein deutlicher Abfall des Molekulargewichtes auf?
Beim Recycling, da die mehrfache Verarbeitung zu einer stärkeren, bzw. mehrfachen Belastung führt, wodurch das Molekulargewicht abnimmt.
z.B.: Bei fünffacher Verarbeitung von Polylactid verliert es 25% seines Molekulargewichtes.
Zu welchen Produkteigenschaften führt eine möglichst schonende Verarbeitung?
Positiv:
- hohes Molekulargewicht
- hohe Festigkeit
- hohe Zähigkeit
- hohe Wärmeleitfähigkeit
- gute Barrierewirkung
- gute chemische Beständigkeit
Negativ:
- schlechtes Fließen (hohe Viskosität)
- Schwierige Verarbeitung
Wie funktioniert Schrumpffolie?
Schrumpffolie bedient ssich der Rückstellung, die sehr temperaturabhängig ist.
Durch schnelles Abkühlen/Strecken in der Produktion wird ein hohes Maß an Orientierung eingefroten. Wird die Folie wieder erhitzt, schrumpft sie in Orientierungsrichtung.
Welche Polymere können für Barrierefolien verwendet werden und wogegen schützen sie?
Polymer / Wasserdampf / O2, CO2, Aromen
EVOH / - / + PA12 / + / - PA6 / - / + PC / - / - PE / + / - PET / - / + PP / + / - PVDC / + / +
Welche Polymere werden hauptsächlich als Barrierematerial genutzt und weshalb?
Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH)
Polyamid (PA)
Obwohk sie nicht so viel Schutz bieten wie PVDC sind die besser zu verarbeiten sowie thermisch und UV stabiler. Oft werden allerdings coextrudierte Folien (bis zu 9 Schichten) aus z.B. PE, PP und EVOH verwendet.
Auf welchen Merkmalen beruht die Bezeichnung des Spritzgießens?
- direkter Weg vom Rohstoff zum Fertigteil
- hohe Gestaltungsfreiheit (Funktionsintegration)
- keine oder sehr geringe Nachbearbeitung
- vollautomatisierbar
- hohe Reproduziergenauigkeit
- kurze Zykluszeiten
Welche Dimensionen können Spritzgussteile annehmen?
hohe geometrische Komplexität
Gewicht von unter 1 mg bis 100 kg
Aus welchen vier Einheiten besteht eine Spritzgussmaschine?
Schließeinheit
Plastifiziereinheit
Steuer- und Regeleinheit
Maschinenbett
Welche Anforderung wird an die Schließeinheit der Spritzgießmaschine gestellt?
Sie muss sehr steif sein um die großen Auftriebskräfte durch die Einspritzdrücke von bis zu 2000 bar auszuhalten.
Was macht ein Spritzgießwerkzeug aus und welche Aufgaben hat es zu erfüllen?
Das Werkzeug ist die zentrale Baugruppe - jedes ist ein Unikat, das zwei Aufgabengruppen zu bewältigen hat:
Technologische Aufgaben:
- Aufnahme und Verteilung der Schmelze
- Ausformen der Schmelze
- Abkühlen (Thermoplaste) bzw. Aufheizen (Elastormere, Duroplaste)
- Entformen
Konstruktive Aufgaben:
- Kraftaufnahme
- Bewegungsübertragung
- Führung der Werkzeugteile
Welche vier Prozessschritte umfasst der Spritzgießzyklus?
- Dosierphase
- Einspritzphase
- Nachdruckphase
- Kühlphase (bzw. Heizphase)
Wie läuft die Dosierphase des Spritzgießzyklus im Detail ab?
Kunststoffgranulat wird formbar gemacht (Plastifizierphase)
Thermoplaste -> aufgeschmolzen
- amorphe circa 10°C über Glasüberganstemperatur
- teilkristalline 20 -30°C über Kristallitschmelztemperatur
Elastomere/Duroplaste -> leicht erwärmt
=> Definiertes homogenes Schmelzvolumen bereitstellen.
Wie läuft die Einpritzphase des Spritzgießzyklus im Detail ab?
Die Masse wird durch eine rein translatorische Bewegung von der Schnecke in die Kavität (Form) gepresst. (hohe Drücke!)
An der Spritzgießschnecke ist aufgrund der Drücke eine Rückstromsperre (Sperring) angebracht.
Es stellen sich charakteristische Parameterprofile bei bereits erstarrtem Wandbereich ein
Bild 5.21 Seite 100
Wie läuft die Nachdruckphase des Spritzgießzyklus im Detail ab?
Am Umschaltpunkt geht man in die Nachdruckphase. Durch Abkühlung entstandenen Volumenschwindung wird durch nachgepresstes Material ersetzt (möglich solange flüssige Bereiche vorhanden)
Die Nachdruckphase endet mit dem Versiegeln (Einlauf erstarrt)
Wie läuft die Heiz/Kühlphase des Spritzgießzyklus im Detail ab?
Thermoplasten kühlen in der Kühlphase bis sie formstabil sind. Dabei fällt der Druck auf Umgebungsdruck ab.
Elastomere/Duroplaste vernetzen in der Heizphase.
Was sind die inneren/äußeren Eigenschaften von Spritzgussteilen?
Innere Eigenschaften:
- Kristallinität
- Orientierungen
- Eigenspannungen
direkte Folge von Schmelzbelastung, Schmelzdeformation und Abkühlverlauf.
Äußere Eigenschaften:
- Schwindung
- Verzug
abhängig von der inneren Struktur des Teils.
Was bedeutet Schwindungsanisotropie?
Es treten orts- und richtungsabhängig unterschiedliche Schwindungen auf.
Daraus folgen unausgeglichene innere Spannungen (das Teil verformt sich).
Welche Parameter beeinflussen der Verzug?
Die Werkzeugwandtemperatur beeinflusst entscheidend den Verzug (Nachdruck und Massetemperatur kein eindeutiger Einfluss)
Werkzeugwandtemperatur steigt -> Verzug sinkt
Spezialfall: Wanddickensprung
Hier neigt der dünnere Bereich zum Beulen.
Was sind die Standardwerkstoffe für FVK?
Fasermaterialien:
- Glasfaser (anorganisch)
- Kohlenstofffaser (organisch)
- Aramidfaser (synthetisch)
Matrixwerkstoffe:
- thermoplastisch
- duroplastisch
Warum werden die zur Verstärkung eingesetzten Materialien von FVK nicht als eigenständiger Werkstoff verwendet?
Die verwendeten Materialien sind zu spröde.
Was sind Vor/Nachteile von FVK?
Vorteile:
- geringes Gewicht
- einstellbare Steifigkeit
- einstellbare Dehnung
- einstellbare Wärmedehnung
Nachteile:
- aufwendige Verbindungstechnik
- ungewohnte Fertigungsmehtoden
- hoher Materialpreis
- Anisotropie (richtungsabhängige Eigenschaften)
Wo liegen Dichte und E-Modul der Faserstoffe von FVK im Vergleich zu Titan und Stahl?
E-Modul und Zugfestigkeit über einen weiten Bereich einstellbar.
Welche Faserstoffe für FVK werden eher selten verwendet?
- Metalle
- Bor
- Keramiken (Siliziumcarbid)
Diese Werkstoffe sind teilweise sehr teuer und werden nur für spezielle Anwendungen verwendet.
Wie wird Glasfaser hergestellt und welche Arten gibt es?
Herstellung:
Besteht zum größten Teil aus Siliziumdioxid (kann Aluminium, Magnesiumoxid… beigemischt werden)
Hergestellt werden Glasfasern durch das Schmelzspinnverfahren bei bis zu 1400°C
Arten:
- E-Glasfaser (elektrisch, am meisten verwendet)
- R-Glasfaser ( resistance, hohe Festigkeit)
- S-Glasfaser (strength, hohe Festigkeit)
- C-Glasfaser (chemisch beständig)
Woraus werden Kohlenstofffasern hergestellt?
Die C-Faserproduktion beruht zu über 90% auf dem Polyacrylnitril-Precursor (PAN)
Die übrigen werden aus Pech (aus Öl/Steinkohle) gefertigt
Wie heißen die vier Arten von Kohlenstofffasern?
HT ( high - tenacity, günstig)
HM (high modulus, teuer)
HST (high strain and tenacity, mittelpreisig)
IM (intermediate modulus)
Was sind die Vor/Nachteile von HM, HST und IM Kohlenstofffasern?
HM: (Entstehen bei bis zu 3000°C)
Vorteil: zweifacher E-Modul von Stahl
Nachteil: teuer, geringe Bruchdehnung
HST:
Vorteil: hohe Festigkeit und Bruchdehnung
Nachteil: mittlerer E-Modul, mittlerer Preis
IM:
In Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit ein Kompromiss
zwischen HM und HST.
Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Kohlenstofffasern im Bezug auf ihre explizite Anwendung in FVK?
- negativer Wärmeausdehnungskoeffizient
- elektrische Leitfähigkeit
- hohe Temperaturbeständigkeit
- chemische Beständigkeit
Wie werden Aramidfasern hergestellt und was sind ihre Eigenschaften?
Aramidfasern sind:
- hochmodulig
- hohe thermische Stabilität
- hohe Festigkeit
- hohe Steifigkeit
- hohe Schlagzähigkeit
- flammfest/selbstlöschend
- negativer Wärmeausdehungskoeffizient
- empfindlich für Druck/Wasser
Sie werden aus Amidgruppen (CONH) und aromatischen Ringen aufgebaut. Polyamid wird aufgelöst, versponnen und gestreckt. Dadurch wird in Faserrichtung orientiert und anschließend kristallisiert.
Welche beiden Eigenschaften sind für eine optimale FVK-Auslegung besonders wichtig?
Besonders wichtig sind die Haftung und die mechanische Verträglichkeit von Faser und Matrix.
Wie bezeichnet man die Haftverbesserer der Verstärkungsfasern und wozu dienen sie?
GFK / CFK: Schlichte
Aramidfaser: Avivagen
Sie dienen als Schutzschicht und als chemisch bindende Schutzschicht.
Welche vier Lieferarten von Verstärkungsfasern gibt es?
- Geflechte
- Vliese
- Gewebe
- Gelege
- Prepreg
Dabei werden die Filamente aufgrund ihres geringen Durchmessers immer zu Fäden zusammengefasst.
Was sind Rovings und wo werden sie häufig verwendet?
Rovings sind parallele Faserstränge aus mehreren Fäden. Eine wichtige Größe ist dabei die Garnfeinheit (Titer), welche die Masse einer Faser pro Länge angibt. (T = m / L )
Verwendet für:
Faserwickeltechnik
Faserflechttechnik
Pultrusionsverfahren (Strangziehverfahren)
Was sind Vliese und wo werden sie häufig verwendet?
Vliese (Wirrfasermatten) bestehen aus flächig abgelegten ungeordneten Fasern mit einer Länge von circa 5 cm. Diese werden mit einem Bindemittel verklebt.
Die mechanischen Eigenschaften sind relativ schlecht.
Finden vorrangig bei Pressformmassen (SMC, GMT) Verwendung.
Was sind Gewebe und Geflechte und wo werden sie häufig verwendet?
Gewebe und Geflechte habe eine hohe Drapierbarkeit und sind deshalb von großer Bedeutung für:
- kompliziertere Geometrien / großflächige Bauteile
- Handlaminierverfahren
- Injektionsverfahren
- Infusionsverfahren
Bild 6.11 Seite 123
Wie werden Gelege hergestellt und was sind besondere Eigenschaften?
Bei Gelegen werden die Verstärkungsfasern parallel gelegt und durch Wirkfäden oder Klebungen fixiert.
Die Drapierbarkeit ist schlecht, jedoch können optimale Verstärkungsrichtungen direkt berücksichtigt werden.
Was ist Prepeg?
Verstärkungsfasern können als Prepeg bezogen werden.
Dann sind die Fasern bereits mit einer Matrix imprägniert. Der Verarbeiter muss dann nur noch die Form vorgeben und das Reaktionsharz/ den Thermoplast aushärten.
Welche vier Aufgaben übernimmt die Matrix von FVK?
Fixierung der Fasern (Geometrie)
Kraftübertragung
Stützen bei Druck (Stabilität)
Schutz vor Umwelt (Feuchte, Chemie…)
Welche vier Kunststoffe sind die am meisten verwendeten Duroplaste im Bereich FVK?
Polyesterharze (UP) -> günstig
Vinylesterharz (VE) -> teurer, chemiebeständig
Epoxidharze (EP) -> für hohe mech. Beanspruchung
Phenolharze (PF) -> billigster, temperaturbeständig
Welche Vor/Nachteile haben Thermoplaste gegenüber Duroplasten bei der Verwendung als Matrix für FVK?
Vorteile:
- wesentlich höhere Bruchdehnung
- hohes Energieabsorptionsvermögen
- große Variation der Eigenschaften/Preise
Nachteile:
- starke Neigung unter Last zu kriechen
Welche drei Arten von Harzsystemen gibt es?
kalthärtend
warmhärtend
lichthärtend
Wodurch zeichnen sich langfaserverstärkte Kunststoffe aus und wie wirkt die Faserlänge sich auf Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit aus?
Langfaserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich durch:
- hohe Festigkeit und Schlagzähigkeit aus
- Fasern mit guten mech. Eigenschaften
- eine Matrix mit mäßigen mech. Eigenschaften aus
Was ist eine UD-ES?
Eine unidirektionale Einzelschicht.
Dies ist ein FVK Verstärkungsstoff, dessen Fasern parallel in nur eine Richtung gelegen sind.
Dadurch sind die Eigenschaften in eine Richtung faserdominiert und senkrecht matrixdominiert.
Wie sind Faservolumengehalt und Fasergewichtsgehalt definiert und wie hängen sie zusammen?
Faservolumengehalt:
Mengenverhältnis von Verstärkungs- zum reinen Matrixmaterial
Fasergewichtsgehalt:
Kann aus den Komponentengewichten bestimmt werden.
Phi = V_Faser / V_Verbund = A_F / A_V
Formel 6.13 Seite 118
Welche vier Kennwerte einer unidirektionalen Einzelschicht (FVK) müssen bekannt sein um die mechanischen Eigenschaften hinreichend genau beschreiben zu können?
E1: Steifigkeit parallel zur Faserrichtung
E2: Steifigkeit senkrecht zur Faserrichtung
G21: Schubmodul
v21: Querkontraktionszahl
Seite 119/120
Was ist der, unter dem Leichtbauaspekt, ungünstigste Fall eine Laminatkonstruktion (FVK)?
Ein sogenanntes quasi-isotropes Laminat, welches aus vielen Faserschichten (gleiche Dicke) mit allen möglichen Richtungen besteht.
Welche sechs Punkte muss man bei der Konstruktion beachten?
- Produktanforderungen
- Lösungskonzepte
- Werkstoffe und Herstellung
- Fertigungs- und Gebrauchsrisiken
- Herstell- und Betriebskosten
- ökologische Aspekte
Was zeichnet die ionische Bindung aus?
Eine ionische Bindung liegt vor, wenn die elektrostatische Anziehung den überwiegenden Anteil der Anziehungskraft zwischen den beteiligten Ionen ausmacht.
Die Bindungsenergie ist mit 600-1000 kJ/mol sehr hoch.
Wie hoch ist typischerweise die Bindungsenergie?
Bei einer kovalenten Einfachbindung liegt die Bindungsenergie zwischen 250-400 kJ/mol.
Die Bindungsenergie steigt mit der Anzahl der beteiligten Elektronen.
Wie hängt der E-Modul eines teilkristallinen Materials von Kristallisationsgrad und Sphärolitdurchmesser ab?
Der E-Modul..
- sinkt mit steigendem Durchmesser
- steigt mit dem Kristallisationsgrad
Bild:
https://docs.google.com/document/d/10WOJZSRcImOjBiNIYbCI16qWVBEBJs1enqgBz9NzK7I/edit
Welche Arten von kovalenter Bindung sind für die Kunststoffe relevant?
Die Einfach-,Doppel- oder Dreifachbindungen sind die vorherrschenden Bindungstypen. Bei ihnen sind 2, 4, bzw. 6 Elektronen beteiligt.
Nenne die zwei bekanntesten Elastomere
- Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
- Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Was ist eine kovalente Bindung?
Die kovalente Bindung ist die klassische Elektronenpaarbindung.
Sie entstehen, wenn der Abstand zwischen zwei Atomen kleiner als die Summe der mittleren Atomradien ist.
Eine kovalente Bindung ist immer..
- gerichtet.
- sehr stark.
Was bewirkt eine höhere Molmasse eines Polymers?
Eine höhere Molmasse führt zu…
- höherer Festigkeit
- höherer Zähigkeit
- schlechterem Fließverhalten
- einer höheren Anzahl Verschlaufungen
Wie misst man die Molmassenverteilung?
Das bekannteste Verfahren ist die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC).
Bei dieser werden die Moleküle aufgrund ihrer Größe getrennt.
Was beschreibt die Molmassenverteilung?
Man kann einem synthetischen Polymer keine exakte Kettenlänge bzw. Molmasse zuordnen.
Somit entstehen in einer Charge eine Verteilung von Polymeren unterschiedlicher Länge.
Die Molmassenverteilung beschreibt die anteilsmäßige Aufteilung der unterschiedlich langen Polymere im Werkstoff.
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 Kristallisationsgrad.
Was geschieht während der Keimbildung im Kristallisationsprozess?
Es entstehen kleine kristalline Bereiche in der Schmelze.
Ab einer bestimmten Größe (kritischer Keimradius) ist es für diese energetisch günstiger zu wachsen als zu zerfallen.
Unterscheidung zwischen homogenen und heterogenen Keimen.
Homogen:
Entsteht durch Faltung und Aneinanderlegung reiner Polymerschmelze.
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 Temperatur.
Eine langsame Abkühlung führt bspw. zu einem grobsphärolitischen Gefüge, welches sehr inhomogen ist (außen feine, innen grobe Kristalle).
Durch Nukleirungsmittel kann man ein feinsphärolitisches Gefüge erreichen.
Wie nennt man Kunststoffe, die nicht kovalent, sondern ionisch binden?
Sie werden Ionomere genannt und die meisten sind Copolymere (bestehen aus zwei verschiedenen Monomeren).
Welche vier Nebenvalenzkräfte sind zu unterscheiden?
- Keesom-Kräfte
- Debye-Kräfte
- London-Kräfte
- Wasserstoffbrückenbindungen
Welche zwei Bindungsmechanismen sind für die Kunststoffe von Bedeutung?
Nebenvalenzbindungen sind von großer Bedeutung für die Thermoplasten.
Bild: https://docs.google.com/document/d/1i0CaOHpsg4_HpoebPf1lKgsSNmKgv-Uxtr_KDLSpTXw/edit
Welche Nebenvalenzkräfte beruhen auf Dipolkräften?
- Keesom-Kräfte
- Debye-Kräfte
- London-Kräfte
Diese werden deshalb auch als van-der-Waals-Wechselwirkungen bezeichnet.
Welche Eigenschaften der Nebenvalenzkräfte sind besonders wichtig?
Sind deutlich schwächer als die kovalenten/ionischen Bindungen.
Allerdings haben sie einen maßgeblichen Einfluss auf das mechanische Verhalten der Thermoplasten.
Ordne die vier Nebenvalenzkräfte nach ihrer Bindungsenergie.
Kraft: Bindungsenergie:
London-Kräfte 0,1-5 kJ/mol
Debye-Kräfte ?
Keesom-Kräfte 0-10 kJ/mol
Wasserstoffbrückenbindung 10-20kJ/mol
Wann wirken die Keesom-Kräfte?
Die Keesom-Kräfte wirken zwischen zwei polaren Molekülen mit einem permanenten Dipolmoment.
Die umgebenden Dipolfelder erzeugen eine Kraft.
Diese Anziehungskraft hängt von der Orientierung der Dipole ab.
Wo wirken die Debye-Kräfte?
Die Debye-Kräfte wirken zwischen einem permanentem und einem induzierten Dipol.
Der permanente Dipol induziert dabei in einem elektrisch neutralen Molekül eine Ladungstrennung, wodurch der induzierte Dipol entsteht.
Wo wirken London-Kräfte und welche Relevanz haben sie?
London-Kräfte wirken zwischen zwei umpolaren Molekülen.
Obwohl sie elektrisch neutral sind, bewirkt die Elektronenbewegung einen Dipol. Dieser erzeugt in einer Kettenreaktion induzierte Dipole.
Daraus resultiert eine anziehende Wechselwirkung.
Bei den meisten Kunststoffen ist diese Kraft dominant, da sie sehr häufig auftritt.
Von besonderer Bedeutung sind sie für Thermoplaste.
Wo wirken Wasserstoffbrückenbindungen und welche Relevanz haben sie?
Wasserstoffbrückenbindungen entstehen anschaulich durch:
- Ein Wasserstoffatom gibt ein Elektron ab.
- Ein Ion entsteht, das nur aus einem Proton besteht.
- Das Proton polarisiert die Bindungsmoleküle.
Bei Kunststoffen mit vielen elektronegativen Atomen (z.B.) Polyamide) bestimmt dieser Effekt maßgeblich die Eigenschaften.
Von welchen vier Faktoren hängt die Fließfähigkeit eines Stoffes ab?
Die Fließfähigkeit hängt von der Beweglichkeit der Molekülsegmente ab, also von ihrer…
- Gestalt
- Temperatur
- Größe
- Verschlaufung
Was ist die Viskosität?
Die Viskosität beschreibt den inneren Widerstand eines Werkstoffes gegen eine während des Fließend stetig wirkende Kraft.
Wodurch kommt es zum sogenannten Scherfließen?
Kunststoffschmelzen fließen stets laminar.
Sie haften bei geringen Geschwindigkeiten an den Oberflächen eines Kanals.
Daraus resultiert das Scherfließen, bei dem die Flüssigkeitsschichten aneinander abgleiten.
Charakteristisch ist die Schergeschwindigkeit, bzw. die Schubspannung.
Wie lautet die Formel für Schubspannung, Viskosität und Schergeschwindigkeit?
τ = η x γ τ = Schubspannung η = Viskosität γ = Schergeschwindigkeit
Was verdeutlicht die Uneinheitlichkeit?
Je einheitlicher die Molekülgröße eines Werkstoffs, umso kleiner wird die Uneinheitlichkeit
Welche Werte, in Bezug auf die Molmassenverteilung, charakterisieren einen Polymerwerkstoff?
Zahlenmittel, Massenmittel
Wie berechnet sich die Temperaturleitfähigkeit?
a=λ/(cp*Rho)
Welche Art von Viskosität ist für Kunststoffe relevant?
Strukturviskos (+ Bingham bei Schmelzen)
Von Welchen Faktoren hängt die Viskosität ab?
Schergeschwindigkeit
Temperatur (stark)
Druck (gering)
Wie ändert sich die Viskosität bei steigender 1.Temperatur, 2.Druck, 3.Molmasse
- Viskosität singt
- Viskosität steigt leicht
- Viskosität steigt deutlich
Was kann man im Verlauf des spezifischen Volumens über der Temperatur eines Kunststoffs deutlich erkennen?
Die Glasübergangstemperatur bei der die Schmelze vollständig erstarrt. (Knick im Diagramm)
Gleichung für die Dichte in Abhängigkeit von der Temperatur?
nur in linearen Bereichen im p-v-T Diagramm:
Rho(T)=Rho0/(1+a(T-T0))
a: linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
Rho0: Dichte bei Referenztemperatur T0
Ordne Polypropylen, Polyamid, Eisen, Aluminium nach Wärmeausdehnungskoeffizient
Polypropylen: 20010^-6 K^-1
Polyamid 12010^-6
Aluminium 2410-6
Eisen 1210^-6
Wie lautet die volumetrische Mischungsregel und wann wird sie angewendet?
zur Berechnung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (i.W.) von gefüllten Kunstoffen (compouds) benutzt.
ac=ak(1-vf)+afvf
ac: I.W. des Compounds
ak: l.W. des Kunststoffs
af: l.W. des Füllstoffs
vf: Volumenanteil des Füllstoffs
Wie korreliert die Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur bei den Thermoplasten?
Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab.
Orden Kunststoffe, Aluminium, Eisen und Wasser nach Wärmekapazität.
Eisen: 0,54 kJ/(kg K)
Aluminium: 0,9
Kunststoffe: 0,4-2,7
Wasser 4,18
Welches Modell kann für Relaxation verwendet werden?
- Maxwell-Modell
- Reihenschaltung von Feder und Dämpfer
Welches Modell kann für Retardation verwendet werden?
- Voigt-Kelvin-Modell
- Parallelschaltung von Feder und Dämpfer
Vor- und Nachteile des Handlaminierverfahrens
Vorteile:
- sehr geringe Anlagen- und Werkzeugkosten
- geeignet für Prototypenbau
- gute Oberflächenqualität durch Gelcoatschichten
Nachteile:
- Bauteilqualität abhängig vom Handlaminierer
- Lange Zykluszeit (mehrere Stunden)
- Reproduzierbarkeit gering
Vor- und Nachteile des Vakuuminfusionsverfahren
Vorteile:
- relativ geringe Werkzeug- und Anlagenkosten
- geeignet für Prototypenfertigung und Kleinserien, insbesondere großflächige Bauteile
- Konstante, hohe Laminatqualität
Nachteile:
- lange Zykluszeiten (mehrere Stunden)
- bisher hoher Verbrauchsmittelbedarf
Vor- und Nachteile vom Harzinjektionsverfahren (RTM)
Vorteile:
- relativ geringe Werkzeug- und Anlagenkosten
- geeignet für Prototypenfertigung und Kleinserien, besonders großflächige Bauteile
- Konstante, hohe Laminatqualität
Nachteile:
-zweiteilige Werkzeuge und Schließmechanismus notwendig
Vor- und Nachteile des Faserwickelverfahrens
Vorteile:
- geeignet für kleine und mittlere Serien
- Konstante, sehr hohe Laminatqualität
- auch große Bauteile herstellbar
- vollständig automatisierbar
Nachteile:
- Grenzen bei kleinen Wickelwinkeln und stark konkav gekrümmten Geometrien
- relativ lange Zykluszeiten
- einseitig glatte Oberflächen
Vor- und Nachteile des Prepreg/Autoklavverfahren
Vorteile:
- geringe Fertigungstoleranzen
- geringe Werkzeugkosten
- exzellente mechanische Eigenschaften
- Darstellbarkeit komplexer Geometrien
Nachteile:
- lange Zykluszeiten
- hoher manueller Aufwand
- schlecht automatisierbar
- kostenintensive Werkstoffe (teure Prepregs mit begrenzter Lagerfähigkeit)
Unter welchen Vereinfachungen ist ein analytisches Dimensionierungsverfahren zulässig?
- einfache Bauteilgeometrie
- einfache Lastfälle
- Konstante Temperatur
Nenne die drei Schichten in einem Bauteil nach dem Spritzgießen und ihre morphologische Struktur.
- Randschicht (optisch amorph)
- randnahe Schicht (feinsphärolitisch)
- Kernschicht (grobsphärolitisch)
Formel mechanischer Verlustfaktorbei dynamischer Beanspruchung.
d=tan(Delta)
Delta entspricht der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Dehnung
Nenne vier Möglichkeiten, um thermoplastische Materialien zu recyceln.
Sorgenfreien: zerkleinern, waschen, trocknen, aufschmelzen —> neue Produkte
- Mischungen: dickwandige Produkte
- Zersetzung in Grundbausteine
- energetische Verwertung
Formel für die Uneinheitlichkeit
U= (Mw/Mn)-1
Formel Zahlenmittel
Mn=Summe(NiMi)/Summe(Ni)
Formel Massenmittel
Mw=Summe(NiMi^2)/Summe(NiMi)
