Kunststoffe physikalische und mechanische Eigenschaften Flashcards
Definiere Fließtemperatur und Glastemperatur
Bei der Fließtemperatur sind Kunststoffe flüssig genug, um auf handelsüblichen Maschinen verarbeitet zu werden.
Unterhalb der Glastemperatur sind Kunststoffe unabängig vom Vernetzungsgrad hart und spröde.
Wann ist jeder Kunststoff amorph?
IM Zustand der Schmelze, wenn die Moleküle völlig regungslos vorliegen.
Welche 2 Strukturen können Kunststoffe beim Abkühlen annehmen?
Sie können bei der Erstarrung ihre amorphe Schmelzstruktur beibehalten, oder kristalline, geordnete Bereiche ausbilden.
Nenne 4 typisch amorphe Thermoplasten:
Polyvinylchlorid
Polycarbonat
Polymethylmethacrylat
Polystyrol
Wo liegt der Gebrauchsbereich amorpher Thermoplasten?
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 einem gummiähnlichen Zustand wechseln.
Nenne zwei limitierende Faktoren, die eine vollständige Kristallisation eines teilkristallinen Thermoplasten verhindern:
- eingeschränkte Kettenmobilität durch Verschlaufung
- 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 aus 2 Phasen. einer amorphen und einer kristallinen Phase mit gleicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.
So entsteht oft eine lamellenartige Anordnung der Molekülketten.
Nenne 3 typische teilkristalline Thermoplasten:
Polyethylen
Polypropylen
Polyamid
Wechen grad der Kristallisation können PE und PET erreichen?
PE : 80%
PET: 5% ( durch schnelles Abkühlen )
Was ist die wichtigste Kristallstruktur und was sind ihre Eigenschaften ?
sphärolitische Struktur:
Sie macht meistens den dominanten Anteil des Gefüges aus. Sie entstehen aus einem kleinen kristallinen Block, um den sich radiale Strukturen ausbilden. Sphäolite wachsen in amorpher Umgebung solange, bis sie aufeinandertreffen.
Merkmal: Malteserkreuz
Welche 3 Teilprozesse umfasst der Kristallisationsprozess?
1: Keimbildung
2: Kristallwachstum
3: Nachkristallisation
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.
Homogener Keim:
Entsteht durch Faltung und Aneinanderlegung reiner Polymerschmelze.
Heterogener Keim:
Entsteht durch Verunreinigungen bei der Bildung.
>absichtlich herbei geführt durch Nukleirungsmittel, um die Keimdichte zu erhöhen
Was ist beim Kristallwachstum zu beachten und welches Gefüge ergibt sich ?
Der 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.
Was beschreibt die Nachkristallisation ?
Sie beschriebt den Prozess der nachdem Wachstum einsetzt und über Monate dauern kann.
Es gibt Bereiche im Gefüge, die ihren Phasenwechsel verzögert durchlaufen.
Durch Nachkristallisation erhöht sich der Kristallisationsgrad.
Nenne die 2 bekanntesten Duroplasten:
Polyesterharz
Epoxidharz
Nenne die 2 bekanntesten Elastomere
Syros-Butadien-Kautschuk
Ethylen-Propylen-Dien-Katschuk
Was beschreibt die Molmassenverteilung ?
Da man synthetischen Polymeren keine exakte Kettenlänge bzw. Molmasse zuordnen kann bedient man sich der Molmassenverteilung. Sie beschreibt die anteilsmäßige Aufteilung der unterschiedlich langen Polymere im Werkstoff.
Wie misst man die Molmassen Verteilung ?
Das bekannteste Verfahren ist die Gel-Permeations-Chromatographie.
Bei dieser werden die Moleküle auf Grund ihrer Größe getrennt.
Was verdeutlicht die sogenannte Uneinheitlichkeit?
Umso einheitlicher die Molekülgröße eines Werkstoffs, umso kleiner wird die Uneinheitlichkeit:
U= Mw/Mn -1
Was bewirkt eine höhere Molmasse eines Polymers
Eine höhere Molmasse/ Molekühllänge führt zu :
> höhere Festigkeit
höhere Zähigkeit
schlechteres Fließverhalten
eine höhere Anzahl an Verschlaufungen
Welche 2 Bindungsmechanismen sind für die Kunststoffe von Bedeutung ?
innenmolekulare Bindungskräfte (Hauptvalenz / kovalent)
zwischenmolekulare Bindungskräfte (Nebenvalenz)
Was ist eine kovalente Bindung
Eine Bindung zwischen 2 Elektronen.
Sie entstehen, wenn der Abstand zwischen 2 Atome kleiner als die Summe der mittleren Atomradien ist.
Sie sind gerichtet und sehr stark.
Welche kovalente Bindungstypen sind sind besonders wichtig für Kunststoffe ?
1,2,3
Wie hoch ist die Bindungsenergie typischerweise?
ca. 250-400 kJ/mol
die Bindungsenergie steigt mit der Anzahl der beteiligten Elektronen.
was zeichnet eine Ionen-Bindung aus ?
Sie beruht ausf elektrostatischer Anziehung zwischen einem + Kation und einem - Anion
Bindungsenergie ca. 600-100kJ/mol
Wie nennt man Kunststoffe die nicht kovalent sonder ionisch binden?
Sie werden Ionomere genannt und sind meistens Copolymere (sie bestehen aus 2 verschiedenen Monomeren)
Welche 4 Nebenvalenzkräfte sind zu unterscheiden ?
- London-Kräfte
- Deby-Kräfte
- Keesom-Kräfte
- Wasserstoffbrückenbindungen
Welche Valenzkräfte beruhen auf einem Dipoleffekt ?
Keesom, Debye,London
Sie werden auch Van-der-Waals-Wechselwirkungen genannt.
Wann wirken die Keesom Kräfte
Sie wirken zwischen 2 polaren Molekülen mit einem permanenten Dipolelement. Die umgebenden Dipolfelder erzeugen eine Anziehungskraft. die Anziehungskraft hängt von der Orientierung ab.
Wo wirken die Debye Kräfte
Die Debye- Kräfte wirken zwischen einem permanenten und einem induzierten Dipol.
Der permanente Dipol induziert dabei in einem elktischneutralen Molekül eine Ladungstrennung, wodurch der induzierte Dipol entsteht.
Wo wirken London Kräfte (Relevanz)
Sie wirken zwischen 2 umpolaren Molekülen.
Elektronenbewegung erzeugen minimal einen Dipol, wodurch durch Kettenreaktion ein induzierter Dipol entsteht… etc
Auch wen die Kraft sehr gering ist, ist sie trotzdem von Bedeutung , da sie bei Kunststoffen am häufigsten auftritt .
besonders für Thermoplasten sind sie von Bedeutung.
Wo wirken Wasserstoffbrückenbindungen und welche Relevanz haben sie ?
Bei Kunststoffen mit vielen elektronegativen Atomen (z.B. Polyamide bestimmt dieser Effekt maßgeblich die Eigenschaften.
Von welchen 4 Faktoren hängt die Fließfähigkeit eines Stoffes ab ?
Die Fließfähigkeit hängt von der Beweglichkeit der Molekülsegmente ab, also von ihrer
- Gestalt
- Temperatur
- Größe
- Verschlauchung
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 ?
Kunststoffschmelze fließen stets laminar.
Sie haften bei geringen Geschwindigkeiten an den Oberflächen eines Kanals.
Daraus resultiert das Scherfließen, bei dem sie Flüssigkeitsschichten aneinander abgleiten.
Charakterisierend ist die Schergeschwindigkeit bzw. die Schubspannung.
Wie lautet die Formel für die Abhängigkeit von Schubspannung, Viskosität und Schergeschwindigkeit?
t=n*y
Welche Art von Vikosität ist für Kunststoffe relevant?
Die Strukturviskosität.
Bei Kunststoffschmelzen, insbesondere den Elastomeren, besteht dazu noch eine Fließgrenze ( Bingham-Fluid)
Von welchen 3 Faktoren hängt die Viskosität ab?
Schergeschwindigkeit
Temperatur
Druck
Wie verändert sich die Viskosität bei steigender Temperatur, Druck und Molmasse?
Temperatur steigt >V. sinkt
Druck steigt>V. steigt leicht an
M steigt >V. steigt deutlich
Was kann man im Verlauf des spezifischen Volumens über der Temperatur eines Kunststoffes deutlich erkennen ?
Die Glasübergangstemperatur bzw. den Glasübergang, bei dem die Schmelze völlig erstarrt.
Wie lautet die Gleichung für die Dichte in Abhängigkeit von der Temperatur
! Die Gleichung gilt nur für den linearen Bereich im pvt-Diagramm!
𝞀(T)= (𝞀o): ((1+𝝰) (T-To))
Ordne Polypropylen Polyamid Eisen und Aluminium nach ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Polypropylen 200x10^-6 K^-1
Polyamid 120 “
Aluminium 24 “
Eisen 12 “
Wie lautet die Volumentrische Mischungsregel und wann wird sie angewendet ?
Sie wird im Bereich des linearen Wärmeasdehnungskoeffizieten von gefüllten Kunststoffen benutzt.
𝝰c=𝝰k ( 1-vf ) + 𝝰f * vf
Wie korreliert die Wärme Leitfähigkeit mit der Temperatur bei Thermoplasten?
Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Teilkristalline sind dabei stärker abhängig als amorphe Kunststoffe > Diagramm
Wo raus berechnet sich die Temperaturleitfähigkeit ?
a= 𝝺 / (c*p)
ordne Kunststoffe, Aluminium Eisen und Wasser nach Wärmekapazität.
Eisen 0,45
Alu 0,9
Kunststoffe 0,4-2,7
Wasser 4,18
Was ist das Besondere an der Temperaturleitfähigkeit von teilkristallinen Thermoplasten?
Die teilkristallinen Thermoplasten zeigen…
…eine Unstetigkeit im Schmelzpunkt
Welche arten von mechanischer Belastung unterscheidet man?
- Kurzzeitbelastung
- Langzeitbelastung
- Stoßbeanspruchung
- dynamisch bzw. zyklische Beanspruchung
Welche art von Prozessen treten bei mechanische Belastung von Kunststoffen auf?
bzw Wie können Prozesse auf Kunststoff wirken?
reversibel /irreversibel
Was bedeutet Elastizität:
Die Elastizität beschreibt die reversible Verformung unter Last.
Den Sonderfall der linearen Elastizität beschriebt das Hooksche Gesetz
𝛔= E*𝛜
Was bedeutet Plastizität
Die Plastizität beschreibt die irreversible Verformung.
Dieses verhalten wird bei Polymeren auch als Fließen bezeichnet.
Wie bestimmt man den Elastizitätsmodul
Über den universellen Zugversuch auf einer Universalzugprüfmaschine.
Der Versuch wird unter quasistatischer Bedingung durchgeführt bei einer Dehnung zwischen 0,05-0,25 %
Was ist der unterschied zwischen berührenden und optischen Messverfahren ?
berührend > technische Spannung (längs)
optisch > wahre Spannung ( längs und quer)
Wie werden technische und wahre Spannung verrechnet ?
technisch : 𝛔 = F/Ao
Ao= Anfangsquerschnitt
wahr : 𝛔 =F/An
An= momentaner Probenquerschnitt
Welche 2 Einflussfaktoren verändern insbesondere das mechanische Werkstoffverhalten
- Umgebungstemperatur
- Belastungsdauer
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 pysikalisches Gesetz).
Das ZTV verringert den zeitlichem Aufwand für Versuche mit geringer Dehngeschwindigkeit, indem sie diese durch Versuche mit erhöhter Temperatur und hoher Dehngeschwindigkeit ersetzen.
Dafür müssen nur der werkstoffabhängige f-Faktor der Verschiebungsgradregel bekannt sein, um den Verschiebungsfaktor der Masterkurve zu berechnen
Was ist bei der Untersuchung des Langzeitverhaltens von Polymeren zu beachten ?
Auf Grund der Viskoelastizität fließen Polymere unter langzeitigen Belastungen
Typischerweise werden Relaxations und Retardationsverhalten untersucht.
Wie ermittelt man das Relaxations/Retardationsverhalten ?
Relaxationsverhalten:
Proben werden um einen festen Wert gedehnt und Spannungen über der Zeit gemessen. ( Dehnung konstant)
Retardationsverhalten:
Proben werden mit festgelegter Belastung beansprucht, Dehnungen werden gemessen. (Last konstant)
Was ist der Unterschied von einem isochronen zu einem normalen Spannungs- Dehnungs Diagramm
Im isochronen Diagramm dient die Belastungszeit als Parameter.
Im normalen Diagramm wird die Belastungsgeschwindigkeit parametrisiert.
Welcher Kunststoff ist besonders gut für Stoßbelastungen geeignet ? Auf Grund welcher Eigenschaft ist er dass ?
Teilkristalline Elastomere
Auf Grund ihrer …
… hohen Verformbarkeit
… hohen Zähigkeit
… mechanischen Dämpfung
Wie verändert sich das Verformungsverhalten bei Stoßbelastung ?
Von einem linearviskoelastischen zu einem linearelastischen Verhalten.
Damit fällt die Bruchdehnung ab.
Wie berechnet man gekerbte Teile hinsichtlich des Stoßverhaltens?
Ein Dehnungsgrenzwert kann nicht verwendet werden.
Stattdessen kann man die kritische Energie verwenden, welche der Fläche inter der Spannungs- Dehnungskurve im entsprechenden Diagramm entspricht.
Diese nimmt mit der Verformungsgeschwindigkeit zunächst zu, um anschließend auf ein Minimum zu fallen.
Wie verlassen schnell zerreiß und Impactversuche ab ?
Schnellzerreißversuch:
Analog zum Zugversuch, nur mit einer höheren Abzugsgeschwindigkeit.
Impactversuch:
Eine Fallmasse wird aus definierter Höhe auf die Probe fallen gelassen.
Wie verhalten sich Kunststoffe bei dynamischer Belastung ?
Die Viskoelastizität bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen Dehnung und Spannung ( Spannung eilt vorraus )
Durch welches Modell kann eine dynamisch-zyklische Beanspruchung veranschaulicht werden ?
Durch das Maxwell-Modell.
Dabei speichert die Feder Energie und der Dämpfer gibt Wärme ab.
Was it eine Grammatur?
Die Grammatur ist die Masse pro Fläche,
auch Flächen Gewicht genannt
