Menges Werkstoffkunde Kunststoffe

Inhalt

Vorwortzur 6. Auflage

1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe

1.2 Definition und Namen

2 Kunststoffe – Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst

2.1 Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen

2.1.1 Kunststoffe sind leicht

2.1.2 Kunststoffe sind flexibel

2.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-) Temperatur und ihre Schmelzen sind oft zähflüssig

2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfähigkeiten

2.1.5 Eine ganze Reihe von Kunststoffen ist transparent

2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit

2.1.7 Kunststoffe sind durchlässig (Permeation, Diffusion)

2.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder verwenden bzw.verwerten (Recycling)

2.2 Anwendung der Kunststoffe

2.2.1 Strukturpolymere

2.2.2 Funktionspolymere

2.2.2.1 Allgemeines

2.2.2.2 Schaltbare Polymere

2.2.2.3 Elektrorheologische Flüssigkeiten

2.2.2.4 Polymere Datenspeicher

2.2.2.5 Polymere Displays

3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe

3.1 Bildung von Makromolekülen

3.2 Einführende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften

3.2.1 Lineare Makromoleküle

3.2.2. Vernetzte Makromoleküle

3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren

3.3.1 Thermoplaste

3.3.1.1 Ungesättigte Bindungen, Polymerisation

3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation

3.3.2 Elastomere und Duroplaste

3.3.2.1 Vernetzungen über ungesättigte Bindungen, die in den eingebundenen Monomeren noch verblieben sind

3.3.2.2 Vernetzung über reaktive Gruppen

3.3.2.3 Vernetzung über Strahlung oder Peroxide

3.3.2.4 Leiterpolymere

3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate

3.3.4 Polymerblends

3.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren

3.4 Biopolymere

3.4.1 Defnitionen

3.4.2 Produkte

3.4.3 Bandbreite der Biopolymere

3.4.4 Biopolymere natürlichen Ursprungs

3.4.4.1 Polylactid (Polymilchsäure)

3.4.4.2 Polysaccharide

3.4.4.3 Polyhydroxyalkanoate

3.4.5 Biopolymere fossilen Ursprungs mit der Eigenschaft biologischer Abbaubarkeit

3.4.5.1 Polyester

3.4.5.2 Polyesteramide

3.4.6 Marktsituation

4 Aufbau, Bindungskräfte, Füllstoffe und davon beeinflusste Eigenschaften von Polymerwerkstoffen

4.1 Hauptvalenzbindungen

4.1.1 Kovalente Atombindung

4.1.2 Ionenbindung

4.2 Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzkräfte/Sekundärbindungen)

4.2.1 Dispersionskräfte

4.2.2 Dipolkräfte

4.2.3 Wasserstoffbrückenbindungen

4.2.4 Vergleichder verschiedenen Nebenvalenzkräfte

4.3 Struktur und Eigenschaften

4.3.1 Primärstruktur und Eigenschaften

4.3.1.1 Molekülordnung

4.3.1.2 Sterische Ordnung

4.3.1.3 Taktizität

4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette

4.3.1.5 Verzweigungen

4.3.2 Die Molmasse (früher Molekulargewicht)

4.3.2.1 Molmassen-(Molekulargewichts-) Bestimmung

4.3.2.2 Bestimmung der Molmassenverteilung

4.3.3 Sekundärstruktur und Eigenschaften

4.3.4 Supermolekulare Strukturen

4.3.4.1 Vernetzungen

4.3.4.2 Kristallisation

4.4 Einlagerung von Fremdmolekülen

4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette)

4.4.1.1 Amorphe Copolymere

4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP

4.4.1.3 Besondere Copolymere

4.4.2 Besondere Polymere

4.4.2.1 Flüssigkristalline Kunststoffe (liquid crystalline polymers, LCP)

4.4.2.2 Polysalze (intrinsisch leitfähige Polymere, intrinsic conductive polymers, ICP)

4.5 Polymergemische (Polymerblends)

4.5.1 Homogene Gemische aus verträglichen Polymeren

4.5.2 Mischungen aus begrenzt verträglichen Polymeren

4.5.3 Mehrphasengemische

4.6 Modifizierungen durch Füllstoffe (Polymercompounds)

4.6.1 Verarbeitungsfördernde Zusatzstoffe

4.6.1.1 Gleitmittel

4.6.1.2 Wärmestabilisatoren

4.6.1.3 Haftvermittler

4.6.1.4 Trennmittel

4.6.1.5 Thixotropiemittel

4.6.2 Produkteigenschaftsverbessernde Zusatzstoffe

4.6.2.1 Festigkeitserhöhende Zusatzstoffe

4.6.2.2 Steifigkeitserhöhende Zusatzstoffe

4.6.2.3 Weichmacher

4.6.2.4 Reagierende Zusatzstoffe

4.6.2.5 Gebrauchsfähigkeitsverlängernde Zusatzstoffe

4.6.2.6 Färbende Zusatzstoffe

4.6.2.7 Nanofüllstoffe

4.6.2.8 Treibmittel

5 Verhalten in der Schmelze

5.1 Viskose Kunststoffschmelzen unter stationärer Scherströmung

5.1.1 Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit

5.1.2 Abhängigkeit der Viskosität vonTemperatur und Druck

5.1.3 Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt

5.1.4 Druckströmungen in einfachen Fließkanälen

5.1.5 Erwärmung infolge des Scherfließens

5.1.6 Schergeschwindigkeitsbereiche in Verarbeitungsprozessen

5.2 Viskoelastische Kunststoffschmelzen und spezielle Fließphänomene

5.2.1 Viskoelastische Eigenschaften und ihre Beschreibung

5.2.2 Mechanische Ersatzmodelle

5.2.3 Die Deborah-Zahl

5.2.4 Bedeutung für die Verarbeitung

5.2.5 Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschaften

5.2.5.1 Vernetzende Systeme

5.2.5.2 Chemischer Abbau

5.3 Messtechnik

5.3.1 Prüftechnik zur Bestimmung der Scherviskosität

5.3.1.1 Das Schmelzindexmessgerät

5.3.1.2 Kapillarrheometer

5.3.1.3 Rotationsrheometer

5.3.1.4 Vergleich der Fließeigenschaften nach zwei unterschiedlichen Messprinzipien

5.3.2 Prüftechnik zur Bestimmung der Dehnviskosität

5.3.2.1 Messtechnik für die uniaxialen Dehnung

5.3.2.2 Messtechnik für die biaxialen Dehnung

5.4 Molekülorientierungen und Relaxation

5.4.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion

5.4.2 Orientierung

5.4.3 Halbwertzeiten der Relaxation

6 Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur

6.1 Struktur und innere Eigenschaen

6.1.1 Thermodynamischer Zustand

6.1.2 Morphologische Struktur

6.1.3 Kristallisation

6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung

6.1.3.2 Kristallstrukturen

6.1.3.3 Energetische Bedingung für Keimbildung und Wachstum der Kristallite

6.1.3.4 Modelle zur Beschreibung der Keimbildung

6.1.3.5 Keimbildung durch Nukleierung

6.1.3.6 Kristallit und Sphärolithbildung

6.1.3.7 Berechnung des Kristallisationsgrads

6.1.3.8 Gefügebeobachtungen

6.1.4 Verbindungen an Struktur-und Phasengrenzen im Innern von Polymeren

6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe

6.2.1 Bestimmung der mechanischen Eigenschaen viskoelastischer Kunststoffe

6.2.1.1 Die dynamisch-mechanische Analyse

6.2.1.2 Der Zugversuch

6.2.1.3 Der dehnungsgeregelte Zugversuch

6.2.1.4 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch)

6.2.1.5 Der Relaxationsversuch

6.2.1.6 Zeitraffende Prüfung

6.2.2 Theorie der Viskoelastizität

6.2.2.1 Modelle der Linearen Viskoelastizität

6.2.2.2 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität

6.2.2.3 Vorgehensweise bei der Berechnung des Verformungsverhaltens

6.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen

6.3.1 Amorphe Thermoplaste

6.3.2 Teilkristalline Thermoplaste

6.3.3 Verstreckte Thermoplaste

6.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere)

6.3.5 Nebenvalenzgele

6.3.6 Gefüllte und verstärkte Kunststoffe

6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung

6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefüllten Kunststoffen

6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustände bei Hochpolymeren

7 Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststoffteilen (Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren)

7.1 Allgemeines

7.2 Das Verhalten von (unverstärkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung

7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe unterhalb der kritischen Dehnung

7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch

7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher

7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung bei homogenen und gefüllten Kunststoffen

7.3.1 Abschätzende Festigkeitsberechnung (nach Menges)

7.3.1.1 Kennwerte für die abschätzende Festigkeitsrechnung

7.3.1.2 Praktisches Vorgehen bei abschätzender Festigkeitsrechnung

7.3.2 Festigkeitsrechnung nach üblichen Methoden

7.3.2.1 Vorschlag zu einer genauen Festigkeitsrechnung (nach Schmachtenberg)

7.3.2.2 Kennwerte aus Datenbanken

7.3.2.3 Festigkeitsberechnung nach der für metallische Konstruktionen üblichen Methode

7.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten

7.3.3.1 Kennwerte

7.3.3.2 Sicherheiten

7.3.3.3 Festigkeitsrechnung

7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder ähnlichen Methoden

7.3.4.1 Kennwerte

7.3.4.2 Sicherheiten

7.3.4.3 Rechnung

7.4 Tragfähigkeitsberechnung unter dynamischer Belastung

7.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich

7.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen

7.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte

7.4.2.1 Für eine Abschätzung der Stoßenergie brauchbarer Kennwert

7.4.2.2 Sicherheitskoeffizienten

7.4.2.3 Festigkeitsrechnung

7.4.2.4 Praktische Stoßprüfung

7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stäbe)

7.6 Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen

7.6.1 Faserarten

7.6.2 Aufmachung von Verstärkungsfasern

7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix

7.6.4 Mechanismus der Tragfähigkeit von kurzfaserverstärkten Kunststoffen

7.7 Reibung und Verschleiß

7.7.1 Reibung

7.7.2 Verschleiß

8 Thermische Eigenschaften

8.1 Thermische Stoffwerte

8.1.1 Enthalpie

8.1.2 Spezifische Wärmekapazität

8.1.3 Dichte

8.1.4 Wärmeleitfähigkeit

8.1.5 Temperaturleitfähigkeit

8.1.6 Wärmeeindringzahl

8.1.7 Wärmeausdehnung

8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur)

8.2 Messung kalorischer Daten

8.2.1 Messung der Wärmeleitfähigkeit

8.2.2 Messung der Dichte

8.2.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen (vgl. Abschnitte 5.1.3.2 und 15.7.2)

8.2.4 Wärmeformbeständigkeit

8.2.4.1 Die Vicat-Temperatur (DIN EN ISO 306)

8.2.4.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D648-72)

8.2.5 Thermoanalyse

8.2.5.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA)

8.2.5.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC)

8.2.5.3 Thermomechanische Analyse (TMA)

8.2.6 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)

8.2.7 Thermogravimetrie (TGA)

8.2.8 Druck-Volumen-Temperatur-Verhalten (pvT)

8.2.9 Wärmeübergang

9 Elektrische Eigenschaften

9.1 Das elektrische Isolationsverhalten

9.1.1 Der elektrische Durchgangswiderstand

9.1.2 Der elektrische Oberflächenwiderstand

9.1.3 Einfluss langzeitiger elektrischer Beanspruchung

9.1.4 Weitere für den praktischen Einsatz wichtige Prüfungen

9.2 Kunststoffe in elektrischen Feldern

9.2.1 Dielektrisches Verhalten

9.2.1.1 Die relative Permittivität

9.2.1.2 Die dielektrischen Verluste

9.3 Die elektrostatische Aufladung und Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen

9.3.1 Elektrostatische Aufladung

9.3.2 Schirmdämpfung, besser bekannt als Electro-Magnetic Interference (EMI)

9.3.3 Polymere mit besonderen elektrischen Eigenschaften

9.3.3.1 Intrinsisch leitfähige Polymere

9.3.3.2 Elektrete

9.3.3.3 Elektrooptische Polymere(OLED)

9.4 Magnetische Eigenschaen

9.4.1 Magnetisierbarkeit

9.4.2 Magnetische Resonanz

10 Optische Eigenschaften

10.1 Die Grundgesetzmäßigkeiten*)

10.2 Der Realteil der Brechung

10.3 Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichts)

10.4 Der imaginäreTeil der Brechzahl

10.4.1 Absorption und Streuung

10.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission

10.5 Die Totalreflexion

10.6 Farbe, Glanz und Trübung

10.7 Einfärben von Kunststoffen

10.7.1 Farbmessung

10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie

10.8.1 Infrarotspektroskopie

10.8.2 Aufheizung durch Infrarotstrahlung

10.8.3 Kunststoffschweißen mittels Infrarotstrahlung

10.8.4 Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen

10.9 Doppelbrechung

10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen

11 Akustische Eigenschaften

11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen

11.2 Dämmung und Dämpfung

11.3 Körperschall

11.4 Was ist Schall?

11.5 Möglichkeiten der Lärmreduzierung

12 Oberflächenspannung

12.1 Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit

12.2 Grundlagen

12.3 Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern

12.3.1 Methode nach Zisman

12.3.2 Methode nach Fowkes

12.4 Charakterisierung der Oberflächenspannung von Festkörpern

12.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens

12.4.2 Die Wilhelmy-Methode

12.4.3 Die Steighöhenmethode

12.5 Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Schmelzen

12.5.1 Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop-Methode)

12.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume Methode)

12.5.3 Ringmethode nach du Noüy

12.5.4 Spinning Drop-Methode

13 Das Lösungsverhalten und der Einfluss der Nebenvalenzkräfte

13.1 Lösungen und Mischungen

13.2 Polymerlösungen

13.3 Anwendung

13.3.1 Herstellen von Gießfolien

13.3.2 Weichmachen

13.4 Polymergemische

14 Stofftransportvorgänge

14.1 Einführung

14.1.2 Permeation

14.2 Grundlagen

14.2.1 Physikalische Beschreibung

14.2.1.1 Adsorption

14.2.1.2 Absorption

14.2.1.3 Desorption

14.2.1.4 Diffusion

14.2.1.5 Permeation

14.3 Temperaturabhängigkeit des Stofftransports

14.4 Remeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere

14.4.1 Elastomere

14.4.2 Duroplaste

14.4.3 Thermoplaste

14.4.3.1 Kristallinität

14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten

14.5 Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten

14.5.1 Löslichkeitskoeffzient

14.5.2 Diffusionskoeffzient

14.6 Messung von Permeationsgrößen

14.6.1 Sorptionsmessverfahren

14.6.2 Trägergasverfahren

14.6.2.1 Time lag-Methode

14.7 Permeation von organischen Dämpfen durch Kunststoffe

14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe

14.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung

14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme

14.8.2 Anwendung bei Kunststoff-Folien

14.8.3 Anwendung bei Kunststoff-Rohren

14.8.4 Anwendung bei Kunststoff-Hohlkörpern

14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien

15 Der Abbau von Polymeren

15.1 Abbaumechanismen

15.2 Einwirkung thermischer Energie

15.2.1 Allgemeines

15.2.2 Depolymerisation

15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wärme und Scherung

15.3 Einwirkung von Chemikalien

15.3.1 Allgemeines

15.3.2 Hydrolyse

15.3.3 Oxidation

15.3.4 Degradation von PVC

15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung

15.4.1 Lichteinwirkung

15.4.2 Andere Strahlungsformen

15.4.3 Änderung von Struktur und Eigenschaften

15.4.4 Witterungseinflüsse

15.5 Biologische Einwirkungen

15.5.1 Biologische Angriffe auf Kunststoffe

15.5.2 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen)

15.6 Stabilisierung

15.7 Pyrolyse und Brand

15.7.1 Pyrolyse

15.7.2 Brandverhalten

15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Prüfungen

15.7.2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung des Brandverhaltens (oder der Verhinderung eines Brandes)

Sachverzeichnis