Georg Menges, Edmund Haberstroh, Walter Michaeli, Ernst Schmachtenberg
Menges Werkstoffkunde Kunststoffe
Inhalt
6
Vorwortzur 6. Auflage
16
1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe
18
1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe
18
1.2 Definition und Namen
25
2 Kunststoffe – Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst
30
2.1 Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen
30
2.1.1 Kunststoffe sind leicht
30
2.1.2 Kunststoffe sind flexibel
30
2.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-) Temperatur und ihre Schmelzen sind oft zähflüssig
31
2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfähigkeiten
33
2.1.5 Eine ganze Reihe von Kunststoffen ist transparent
33
2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit
34
2.1.7 Kunststoffe sind durchlässig (Permeation, Diffusion)
34
2.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder verwenden bzw.verwerten (Recycling)
34
2.2 Anwendung der Kunststoffe
36
2.2.1 Strukturpolymere
36
2.2.2 Funktionspolymere
39
2.2.2.1 Allgemeines
39
2.2.2.2 Schaltbare Polymere
40
2.2.2.3 Elektrorheologische Flüssigkeiten
41
2.2.2.4 Polymere Datenspeicher
44
2.2.2.5 Polymere Displays
45
3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe
48
3.1 Bildung von Makromolekülen
48
3.2 Einführende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften
53
3.2.1 Lineare Makromoleküle
53
3.2.2. Vernetzte Makromoleküle
54
3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren
55
3.3.1 Thermoplaste
55
3.3.1.1 Ungesättigte Bindungen, Polymerisation
55
3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation
58
3.3.2 Elastomere und Duroplaste
61
3.3.2.1 Vernetzungen über ungesättigte Bindungen, die in den eingebundenen Monomeren noch verblieben sind
61
3.3.2.2 Vernetzung über reaktive Gruppen
61
3.3.2.3 Vernetzung über Strahlung oder Peroxide
62
3.3.2.4 Leiterpolymere
62
3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate
63
3.3.4 Polymerblends
65
3.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren
65
3.4 Biopolymere
67
3.4.1 Defnitionen
67
3.4.2 Produkte
69
3.4.3 Bandbreite der Biopolymere
69
3.4.4 Biopolymere natürlichen Ursprungs
70
3.4.4.1 Polylactid (Polymilchsäure)
70
3.4.4.2 Polysaccharide
71
3.4.4.3 Polyhydroxyalkanoate
71
3.4.5 Biopolymere fossilen Ursprungs mit der Eigenschaft biologischer Abbaubarkeit
72
3.4.5.1 Polyester
72
3.4.5.2 Polyesteramide
72
3.4.6 Marktsituation
73
4 Aufbau, Bindungskräfte, Füllstoffe und davon beeinflusste Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
76
4.1 Hauptvalenzbindungen
76
4.1.1 Kovalente Atombindung
76
4.1.2 Ionenbindung
78
4.2 Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzkräfte/Sekundärbindungen)
79
4.2.1 Dispersionskräfte
79
4.2.2 Dipolkräfte
80
4.2.3 Wasserstoffbrückenbindungen
80
4.2.4 Vergleichder verschiedenen Nebenvalenzkräfte
81
4.3 Struktur und Eigenschaften
82
4.3.1 Primärstruktur und Eigenschaften
82
4.3.1.1 Molekülordnung
83
4.3.1.2 Sterische Ordnung
83
4.3.1.3 Taktizität
84
4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette
85
4.3.1.5 Verzweigungen
85
4.3.2 Die Molmasse (früher Molekulargewicht)
87
4.3.2.1 Molmassen-(Molekulargewichts-) Bestimmung
90
4.3.2.2 Bestimmung der Molmassenverteilung
93
4.3.3 Sekundärstruktur und Eigenschaften
94
4.3.4 Supermolekulare Strukturen
99
4.3.4.1 Vernetzungen
99
4.3.4.2 Kristallisation
100
4.4 Einlagerung von Fremdmolekülen
101
4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette)
102
4.4.1.1 Amorphe Copolymere
102
4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP
103
4.4.1.3 Besondere Copolymere
105
4.4.2 Besondere Polymere
105
4.4.2.1 Flüssigkristalline Kunststoffe (liquid crystalline polymers, LCP)
105
4.4.2.2 Polysalze (intrinsisch leitfähige Polymere, intrinsic conductive polymers, ICP)
106
4.5 Polymergemische (Polymerblends)
107
4.5.1 Homogene Gemische aus verträglichen Polymeren
107
4.5.2 Mischungen aus begrenzt verträglichen Polymeren
107
4.5.3 Mehrphasengemische
108
4.6 Modifizierungen durch Füllstoffe (Polymercompounds)
111
4.6.1 Verarbeitungsfördernde Zusatzstoffe
111
4.6.1.1 Gleitmittel
111
4.6.1.2 Wärmestabilisatoren
112
4.6.1.3 Haftvermittler
112
4.6.1.4 Trennmittel
112
4.6.1.5 Thixotropiemittel
112
4.6.2 Produkteigenschaftsverbessernde Zusatzstoffe
112
4.6.2.1 Festigkeitserhöhende Zusatzstoffe
113
4.6.2.2 Steifigkeitserhöhende Zusatzstoffe
113
4.6.2.3 Weichmacher
113
4.6.2.4 Reagierende Zusatzstoffe
113
4.6.2.5 Gebrauchsfähigkeitsverlängernde Zusatzstoffe
114
4.6.2.6 Färbende Zusatzstoffe
114
4.6.2.7 Nanofüllstoffe
115
4.6.2.8 Treibmittel
117
5 Verhalten in der Schmelze
120
5.1 Viskose Kunststoffschmelzen unter stationärer Scherströmung
122
5.1.1 Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit
123
5.1.2 Abhängigkeit der Viskosität vonTemperatur und Druck
127
5.1.3 Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt
132
5.1.4 Druckströmungen in einfachen Fließkanälen
134
5.1.5 Erwärmung infolge des Scherfließens
137
5.1.6 Schergeschwindigkeitsbereiche in Verarbeitungsprozessen
138
5.2 Viskoelastische Kunststoffschmelzen und spezielle Fließphänomene
139
5.2.1 Viskoelastische Eigenschaften und ihre Beschreibung
139
5.2.2 Mechanische Ersatzmodelle
141
5.2.3 Die Deborah-Zahl
146
5.2.4 Bedeutung für die Verarbeitung
147
5.2.5 Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschaften
149
5.2.5.1 Vernetzende Systeme
150
5.2.5.2 Chemischer Abbau
151
5.3 Messtechnik
152
5.3.1 Prüftechnik zur Bestimmung der Scherviskosität
152
5.3.1.1 Das Schmelzindexmessgerät
152
5.3.1.2 Kapillarrheometer
153
5.3.1.3 Rotationsrheometer
156
5.3.1.4 Vergleich der Fließeigenschaften nach zwei unterschiedlichen Messprinzipien
159
5.3.2 Prüftechnik zur Bestimmung der Dehnviskosität
162
5.3.2.1 Messtechnik für die uniaxialen Dehnung
162
5.3.2.2 Messtechnik für die biaxialen Dehnung
166
5.4 Molekülorientierungen und Relaxation
167
5.4.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion
168
5.4.2 Orientierung
168
5.4.3 Halbwertzeiten der Relaxation
173
6 Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur
180
6.1 Struktur und innere Eigenschaen
180
6.1.1 Thermodynamischer Zustand
180
6.1.2 Morphologische Struktur
185
6.1.3 Kristallisation
186
6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung
186
6.1.3.2 Kristallstrukturen
187
6.1.3.3 Energetische Bedingung für Keimbildung und Wachstum der Kristallite
188
6.1.3.4 Modelle zur Beschreibung der Keimbildung
191
6.1.3.5 Keimbildung durch Nukleierung
192
6.1.3.6 Kristallit und Sphärolithbildung
192
6.1.3.7 Berechnung des Kristallisationsgrads
194
6.1.3.8 Gefügebeobachtungen
195
6.1.4 Verbindungen an Struktur-und Phasengrenzen im Innern von Polymeren
196
6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe
197
6.2.1 Bestimmung der mechanischen Eigenschaen viskoelastischer Kunststoffe
204
6.2.1.1 Die dynamisch-mechanische Analyse
204
6.2.1.2 Der Zugversuch
205
6.2.1.3 Der dehnungsgeregelte Zugversuch
207
6.2.1.4 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch)
207
6.2.1.5 Der Relaxationsversuch
208
6.2.1.6 Zeitraffende Prüfung
209
6.2.2 Theorie der Viskoelastizität
213
6.2.2.1 Modelle der Linearen Viskoelastizität
214
6.2.2.2 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität
218
6.2.2.3 Vorgehensweise bei der Berechnung des Verformungsverhaltens
220
6.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen
222
6.3.1 Amorphe Thermoplaste
222
6.3.2 Teilkristalline Thermoplaste
225
6.3.3 Verstreckte Thermoplaste
227
6.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere)
233
6.3.5 Nebenvalenzgele
235
6.3.6 Gefüllte und verstärkte Kunststoffe
236
6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung
236
6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefüllten Kunststoffen
238
6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustände bei Hochpolymeren
241
7 Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststoffteilen (Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren)
244
7.1 Allgemeines
244
7.2 Das Verhalten von (unverstärkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung
245
7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe unterhalb der kritischen Dehnung
245
7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch
250
7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher
252
7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung bei homogenen und gefüllten Kunststoffen
253
7.3.1 Abschätzende Festigkeitsberechnung (nach Menges)
254
7.3.1.1 Kennwerte für die abschätzende Festigkeitsrechnung
254
7.3.1.2 Praktisches Vorgehen bei abschätzender Festigkeitsrechnung
255
7.3.2 Festigkeitsrechnung nach üblichen Methoden
256
7.3.2.1 Vorschlag zu einer genauen Festigkeitsrechnung (nach Schmachtenberg)
256
7.3.2.2 Kennwerte aus Datenbanken
258
7.3.2.3 Festigkeitsberechnung nach der für metallische Konstruktionen üblichen Methode
259
7.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten
259
7.3.3.1 Kennwerte
259
7.3.3.2 Sicherheiten
260
7.3.3.3 Festigkeitsrechnung
260
7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder ähnlichen Methoden
260
7.3.4.1 Kennwerte
261
7.3.4.2 Sicherheiten
261
7.3.4.3 Rechnung
262
7.4 Tragfähigkeitsberechnung unter dynamischer Belastung
262
7.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich
262
7.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen
264
7.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte
265
7.4.2.1 Für eine Abschätzung der Stoßenergie brauchbarer Kennwert
266
7.4.2.2 Sicherheitskoeffizienten
267
7.4.2.3 Festigkeitsrechnung
267
7.4.2.4 Praktische Stoßprüfung
267
7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stäbe)
268
7.6 Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen
274
7.6.1 Faserarten
275
7.6.2 Aufmachung von Verstärkungsfasern
277
7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix
278
7.6.4 Mechanismus der Tragfähigkeit von kurzfaserverstärkten Kunststoffen
283
7.7 Reibung und Verschleiß
285
7.7.1 Reibung
285
7.7.2 Verschleiß
292
8 Thermische Eigenschaften
298
8.1 Thermische Stoffwerte
298
8.1.1 Enthalpie
298
8.1.2 Spezifische Wärmekapazität
300
8.1.3 Dichte
301
8.1.4 Wärmeleitfähigkeit
302
8.1.5 Temperaturleitfähigkeit
308
8.1.6 Wärmeeindringzahl
309
8.1.7 Wärmeausdehnung
310
8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur)
311
8.2 Messung kalorischer Daten
312
8.2.1 Messung der Wärmeleitfähigkeit
312
8.2.2 Messung der Dichte
314
8.2.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen (vgl. Abschnitte 5.1.3.2 und 15.7.2)
314
8.2.4 Wärmeformbeständigkeit
315
8.2.4.1 Die Vicat-Temperatur (DIN EN ISO 306)
316
8.2.4.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D648-72)
316
8.2.5 Thermoanalyse
317
8.2.5.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA)
317
8.2.5.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC)
318
8.2.5.3 Thermomechanische Analyse (TMA)
321
8.2.6 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)
322
8.2.7 Thermogravimetrie (TGA)
322
8.2.8 Druck-Volumen-Temperatur-Verhalten (pvT)
322
8.2.9 Wärmeübergang
323
9 Elektrische Eigenschaften
326
9.1 Das elektrische Isolationsverhalten
327
9.1.1 Der elektrische Durchgangswiderstand
327
9.1.2 Der elektrische Oberflächenwiderstand
328
9.1.3 Einfluss langzeitiger elektrischer Beanspruchung
329
9.1.4 Weitere für den praktischen Einsatz wichtige Prüfungen
331
9.2 Kunststoffe in elektrischen Feldern
331
9.2.1 Dielektrisches Verhalten
331
9.2.1.1 Die relative Permittivität
332
9.2.1.2 Die dielektrischen Verluste
333
9.3 Die elektrostatische Aufladung und Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen
335
9.3.1 Elektrostatische Aufladung
335
9.3.2 Schirmdämpfung, besser bekannt als Electro-Magnetic Interference (EMI)
336
9.3.3 Polymere mit besonderen elektrischen Eigenschaften
337
9.3.3.1 Intrinsisch leitfähige Polymere
337
9.3.3.2 Elektrete
340
9.3.3.3 Elektrooptische Polymere(OLED)
340
9.4 Magnetische Eigenschaen
340
9.4.1 Magnetisierbarkeit
340
9.4.2 Magnetische Resonanz
341
10 Optische Eigenschaften
344
10.1 Die Grundgesetzmäßigkeiten*)
344
10.2 Der Realteil der Brechung
345
10.3 Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichts)
347
10.4 Der imaginäreTeil der Brechzahl
349
10.4.1 Absorption und Streuung
349
10.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission
349
10.5 Die Totalreflexion
352
10.6 Farbe, Glanz und Trübung
353
10.7 Einfärben von Kunststoffen
356
10.7.1 Farbmessung
358
10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie
361
10.8.1 Infrarotspektroskopie
361
10.8.2 Aufheizung durch Infrarotstrahlung
362
10.8.3 Kunststoffschweißen mittels Infrarotstrahlung
364
10.8.4 Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen
365
10.9 Doppelbrechung
366
10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen
367
11 Akustische Eigenschaften
370
11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
371
11.2 Dämmung und Dämpfung
373
11.3 Körperschall
378
11.4 Was ist Schall?
378
11.5 Möglichkeiten der Lärmreduzierung
380
12 Oberflächenspannung
384
12.1 Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit
384
12.2 Grundlagen
385
12.3 Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern
387
12.3.1 Methode nach Zisman
387
12.3.2 Methode nach Fowkes
388
12.4 Charakterisierung der Oberflächenspannung von Festkörpern
389
12.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens
389
12.4.2 Die Wilhelmy-Methode
391
12.4.3 Die Steighöhenmethode
392
12.5 Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Schmelzen
393
12.5.1 Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop-Methode)
393
12.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume Methode)
394
12.5.3 Ringmethode nach du Noüy
394
12.5.4 Spinning Drop-Methode
396
13 Das Lösungsverhalten und der Einfluss der Nebenvalenzkräfte
398
13.1 Lösungen und Mischungen
398
13.2 Polymerlösungen
400
13.3 Anwendung
403
13.3.1 Herstellen von Gießfolien
403
13.3.2 Weichmachen
403
13.4 Polymergemische
404
14 Stofftransportvorgänge
408
14.1 Einführung
408
14.1.2 Permeation
409
14.2 Grundlagen
409
14.2.1 Physikalische Beschreibung
410
14.2.1.1 Adsorption
410
14.2.1.2 Absorption
411
14.2.1.3 Desorption
411
14.2.1.4 Diffusion
411
14.2.1.5 Permeation
412
14.3 Temperaturabhängigkeit des Stofftransports
414
14.4 Remeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere
417
14.4.1 Elastomere
417
14.4.2 Duroplaste
417
14.4.3 Thermoplaste
418
14.4.3.1 Kristallinität
418
14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten
419
14.5 Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten
420
14.5.1 Löslichkeitskoeffzient
420
14.5.2 Diffusionskoeffzient
421
14.6 Messung von Permeationsgrößen
423
14.6.1 Sorptionsmessverfahren
424
14.6.2 Trägergasverfahren
425
14.6.2.1 Time lag-Methode
426
14.7 Permeation von organischen Dämpfen durch Kunststoffe
428
14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe
430
14.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung
431
14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme
432
14.8.2 Anwendung bei Kunststoff-Folien
433
14.8.3 Anwendung bei Kunststoff-Rohren
433
14.8.4 Anwendung bei Kunststoff-Hohlkörpern
433
14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien
435
15 Der Abbau von Polymeren
442
15.1 Abbaumechanismen
442
15.2 Einwirkung thermischer Energie
444
15.2.1 Allgemeines
444
15.2.2 Depolymerisation
444
15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wärme und Scherung
445
15.3 Einwirkung von Chemikalien
447
15.3.1 Allgemeines
447
15.3.2 Hydrolyse
449
15.3.3 Oxidation
450
15.3.4 Degradation von PVC
450
15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung
451
15.4.1 Lichteinwirkung
451
15.4.2 Andere Strahlungsformen
451
15.4.3 Änderung von Struktur und Eigenschaften
453
15.4.4 Witterungseinflüsse
455
15.5 Biologische Einwirkungen
455
15.5.1 Biologische Angriffe auf Kunststoffe
455
15.5.2 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen)
456
15.6 Stabilisierung
457
15.7 Pyrolyse und Brand
458
15.7.1 Pyrolyse
458
15.7.2 Brandverhalten
458
15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Prüfungen
458
15.7.2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung des Brandverhaltens (oder der Verhinderung eines Brandes)
462
Sachverzeichnis
466
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