Kunststoffhandbuch für Dummies E-Book

Thomas Kümmer

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 608

Veröffentlichungsjahr: 2020

Beschreibung

Nachteile ein Kunststoff in Ihrem ganz besonderen Anwendungsfall hat? Dieses Buch führt Sie in das umfassende Thema Kunststoffe ein. Sie finden alle wichtigen Informationen zu Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren, auch zu den noch weniger gebräuchlichen. Chemischer Aufbau und Werkstoff-Kenndaten verstehen sich von selbst. Doch was noch viel wichtiger ist: Hier erfahren Sie, was Sie mit dem jeweiligen Kunststoff anfangen können und welche Kunststoffe sich für welchen Anwendungsfall eignen. Das Buch enthält die besten Hinweise eines Praktikers im Umgang mit Kunststoffen. So können Sie ressourcenschonend und gewinnbringend arbeiten. Inklusive zwei Online-Bonuskapitel!

Leseprobe

Kunststoffhandbuch für Dummies

Schummelseite

GRUNDLAGEN

Thermoplast: Kann mehrmals aufgeschmolzen und umgeformt werden.

Duromer: Engmaschig vernetzte Polymerketten, nach dem Aushärten (Vernetzen) irreversibel erstarrt.

Elastomer: Weitmaschig vernetzte Polymerketten, aber ebenfalls nach dem Aushärten irreversibel erstarrt.

Thermoplastische Elastomere: Weitmaschig physikalisch vernetzte Polymerketten, im erstarrten Zustand elastisch wie Elastomer, kann aber wie Thermoplast mehrmals aufgeschmolzen und umgeformt werden.

Polymerblend: mehrphasig; Polymerlegierung: einphasig

Zuschlagstoffe: Können entweder Füllstoffe oder Additive sein.

Matrix: In Verbundwerkstoffen der Werkstoff mit höherem Mengenanteil, somit der Werkstoff, in welchen der andere Werkstoff eingebettet ist.

Masterbatch: Zuschlagstoff-Konzentrat in Polymermasse dispergiert. Es gibt drei Typen:

Farb-MasterbatchAdditiv-MasterbatchKombinations-Masterbatch

SCHWEIßVERFAHREN

HeizelementstumpfschweißenHeizwendelschweißenInfrarotschweißenHeißluftschweißenReibschweißenUltraschallschweißenLaserdurchstrahlschweißen

PROZESSKONTROLLE

Thixotropie: Viskosität nimmt mit der Rührzeit ab.

Rheopexie: Viskosität nimmt mit der Rührzeit zu.

Strukturviskosität: Viskosität nimmt mit steigender Rührgeschwindigkeit ab.

Dilatanz: Viskosität nimmt mit steigender Rührgeschwindigkeit zu.

Hencky-Dehnung: Logarithmische Dehnung = wahre Dehnung, Bezugslänge wächst mit.

Cauchy-Dehnung: Technische Dehnung, Bezugslänge bleibt konstant.

MATERIALEIGENSCHAFTEN

Visko-elastisch: Der Werkstoff kriecht zwar unter der Last weg, federt aber nach Entlastung wieder vollständig in seine ursprüngliche Gestalt zurück.

Visko-plastisch: Der Werkstoff kriecht unter Last weg und ein Teil der Verformung bleibt auch nach der Entlastung erhalten und geht nicht mehr zurück.

Übersicht der Belastungskombinationen beim Dauerlauftest:

Belastung

Gepaart mit

Prüfverfahren

mechanisch

mechanisch

Dauerschwingversuch (statische Last + dynamische Last)

mechanisch

chemisch

Umgebungsbedingte Spannungsriss-Bildung

mechanisch

thermisch

Wärmeformbeständigkeit

mechanisch

thermisch und chemisch

Umgebungsbedingte Spannungsriss-Bildung bei erhöhter Temperatur

chemisch

thermisch

Einwirktest bei erhöhter Temperatur

mechanisch

physikalisch (Strahlung)

Gibt es (noch) nicht

THERMOPLASTE

Polyamid + Zahl bedeutet: besteht aus Monomer mit einem Rest,

Polyamid + Zahl + Zahl bedeutet: besteht aus Monomer mit zwei Resten.

Die Zahlen geben die Anzahl der Kohlenstoffatome im Monomer an.

Flüssigkristalline Polymere können hergestellt werden aus aromatischem Polyamid oder aromatischem Polyester.

DUROPLASTE

BMC (bulk mass compound): Duromer-Rohmasse mit kleinen Füllstoffen, geeignet für Formpressen und Spritzgießen.

SMC (sheet mass compound): Duromer-Rohmasse mit langen faserigen Füllstoffen, in Mattenform, nur für das Formpressen geeignet.

Prepreg (preimpregnated laminate): Fasermatten, die bereits vom Hersteller mit Harz getränkt worden sind und direkt und somit auch automatisiert in die Werkzeugform gelegt werden können.

Kunststoffhandbuch für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2020

© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form..

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: © srki66/Fotolia.comKorrektur: Karin Cordes

Print ISBN: 978-3-527-71400-1ePub ISBN: 978-3-527-82801-2

Über den Autor

Thomas Kümmer arbeitete in diversen Unternehmen als Projektleiter in der Entwicklung von Gummifedern. Er ist Spezialist für die Eigenschaften, die Verarbeitung und die Anwendung von Polymeren und hat besondere Erfahrung in der Konstruktion und im Einsatz von Elastomeren. Nach langer Tätigkeit als selbstständiger Ingenieur arbeitet er nun im höheren technischen Verwaltungsdienst.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Über den Autor

Einführung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über die Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Und jedem Zauber wohnt ein Anfang inne

Kapitel 1: Hier stimmt die Chemie

Einstieg in die Welt der Kunststoffe

Kunststoffe und der Rest der Werkstoff-Welt

Aus vielen eines

Synthese von Polymeren

Aufbau der Polymerketten

Eine Frage des Taktes

Was die Welt im Innersten zusammenhält

Amorphität und Teilkristallinität

Kapitel 2: Verarbeitungsverfahren bei Thermoplasten

Urformen

Umformen

Trennende Formgebung

Kleben

Schweißen

Kunststoff mit etwas beschichten

Etwas mit Kunststoff beschichten

Tempern

Generative Fertigungsverfahren

Kapitel 3: Exoten

Anorganische Polymere

Elektrisch leitfähige Polymere

Elektroaktive Polymere

Magnetische Kunststoffe

Teil II: Drum prüfe, wer sich ewig bindet

Kapitel 4: Materialanalysen

Beilsteinprobe

Thermogravimetrie

Infrarotspektroskopie

Energiedispersive Röntgenspektroskopie, REM-EDX

Kapitel 5: Messungen bei Herstellung und Verarbeitung

Wärmebildaufnahme

Feuchtigkeit des Granulats messen

Panta rhei – Alles fließt

Teil III: Werkstoffeigenschaften

Kapitel 6: Mechanische Eigenschaften

Linear-elastisches Verhalten

Viskoses Verhalten

Plastisches Verhalten

Viskoelastizität

Viskoplastizität

Universalprüfmaschine

Zugversuch

Schubversuch

Druckversuch

Biegeversuch

(Kerb-)Schlagbiegeversuch

Härteprüfung

Reibungsverhalten

Zeitstandversuch

Umgebungsbedingte Spannungsriss-Bildung

Dauerschwingversuch

Kapitel 7: Thermische Eigenschaften

Glasübergangstemperatur

Wärmeleitfähigkeit

Spezifische Wärmekapazität

Wärmedehnzahl

Wärmeformbeständigkeit

Kapitel 8: Brandverhalten

Prüfmethoden

Feuerschutz

Kapitel 9: Optische Eigenschaften

Auf den ersten Blick

Transparenz

Streuung

Brechungsindex

Es ist nicht alles Gold, was glänzt

Farbe bekennen

Kapitel 10: Weitere Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Elektrische Eigenschaften

Permittivität

Kapitel 11: Sonstiges

Akustische Eigenschaften, Dämpfung, Dämmung

Gasdurchlässigkeit, Verhalten im Vakuum

Was vom Tage übrig blieb…

Das Kleingedruckte

Teil IV: Flexibel muss man sein

Kapitel 12: Polyolefine

Polyethylen

Polypropylen

Polymethylpenten

Polybutylen

Kapitel 13: Polyvinylchlorid

Eigenschaften

Verarbeitung und Verwendung

Verarbeitung des Halbzeugs

PVC – der umstrittenste aller Kunststoffe

Polyvinylidenchlorid

Kapitel 14: Polystyrol

Geschäumtes Polystyrol

Standard-Polystyrol

Schlagzähes Polystrol

Vernetztes Polystyrol

Syndiotaktisches Polystyrol

Weitere Kunststoffe mit PS-Anteil

Styrol-Butadien-Styrol

Kapitel 15: Polyester

Polyethylenterephthalat

Polybutylenterephthalat

Polycarbonat

Polyvinylalkohol

Polyvinylacetat

Kapitel 16: Weitere Standard-Thermoplaste

Ethylen-Vinylacetat-Copolymer

Polyacrylnitril

Styrol-Acrylnitril

Acrylnitril-Butadien-Styrol

Acrylester-Styrol-Acrylnitril

Anmerkung

Polymethylmethacrylat

Polyallyldiglycolcarbonat

Kapitel 17: Polyamid

Eigenschaften

Verarbeitung

Verwendung

Polyaramid

Polyphthalamide

Kapitel 18: Weitere technische Thermoplaste

Polyoxymethylen

Polyphenylensulfid

Flüssigkristalline Polymere

Kapitel 19: Hochleistungsthermoplaste

Polyphenylenether

Polyarylethersulfone

Polysulfon

Polyethersulfon

Polyarylensulfon

Polyphenylensulfon

Zusammenfassung

Polyaryletherketone

Polyetheretherketon

Kapitel 20: Polyimide

Polyimid

Polyamidimid

Polyetherimid

Polybismaleimid

Polybenzimidazol

Polymethacrylimid

Polyimid kombiniert mit Polysulfon

Polyetherimidsulfon

Polyoxadiazole

Kapitel 21: Fluorkunststoffe

Polytetrafluorethylen

Ethylentetrafluorethylen

Ethylenchlortrifluorethylen

Polychlortrifluorethylen

Polyvinylidenfluorid

Perfluoralkoxy-Polymere

Perfluorethylenpropylen

Zusammenfassung

Für eine Handvoll Dollar

Einteilung nach Güte der Eigenschaften

Teil V: Gelobt sei, was hart macht

Kapitel 23: Werkstoffe

Phenoplaste

Aminoplaste

Polyesterharze

Acrylharz

Epoxidharze

Vinylesterharz

Polyurethane

Silikon

Kapitel 24: Verarbeitungsverfahren bei Duroplasten

Spritzgießen

Formpressen

Vergießen

Laminieren

Teil VI: Eine andere Sicht der Dinge

Kapitel 25: Am Anfang war … der Kunststoff

Vor der Industrialisierung

Industrielle Entwicklung

Entwicklung der Kunststoffproduktion

Kapitel 26: Kunststoffe und Umwelt

Schädliche Auswirkungen des Plastikmülls

Löst sich das Problem von selber auf?

Es gibt nichts Gutes, außer man tut es

Der Kreislauf des Lebens – für Kunststoffe

Schlusswort

Teil VII: Top-Ten-Teil

Kapitel 27: 10 wissenswerte Fakten über Kunststoffe

Was ist Kunststoff und was ist Polymer?

Grundtypen der Kunststoffe

Organisch - Anorganisch

Polymere und Natur

Polymere und die Menschheit

Polymere in der Technik

Polymere und die Umwelt

Kunststoffe als Problemlöser

Kunststoffe und die Wirtschaft

Kunststoffe – immer noch unter Wert verwendet

Index

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tabelle 1.1: Prinzipskizze Kohlenstoff- und Siliciumatom

Tabelle 1.2: Übersicht Copolymere

Tabelle 1.3: Übersicht Taktizität

Tabelle 1.4: Strukturformen von Polymeren

Tabelle 1.5: Dichte in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad

Tabelle 1.6: Kristallisationsgrade einiger Kunststoffe

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Methoden zum Entgraten

Tabelle 2.2: Eigenschaftsvergleich Fügeverfahren

Tabelle 2.3: Klebstoff-Vorschläge

Tabelle 2.4: Übersicht Infrarot-Schweiß-Varianten

Tabelle 2.5: Wertetabelle Vibrationsreibschweißen

Tabelle 2.6: Zusammenfassung generative Fertigungsverfahren

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Überblick Bezeichnungen intrinsisch leitfähiger Polymere

Tabelle 3.2: Vergleich organische zu anorganischen LEDs

Tabelle 3.3: Übersicht intrinsisch leitfähige Polymere

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Spezialfälle der Dehnviskosität

Kapitel 6

Tabelle 6.1: Spannungs-Dehnungs-Beziehungen im Masing-Modell

Tabelle 6.2: Spannungs-Dehnungs-Beziehung beim Bingham-Hooke-Modell

Tabelle 6.3: Berechnung des komplexen Schubmoduls mittels Ultraschall

Tabelle 6.4: Kennwerte im Spannungs-Stauchungs-Diagramm

Tabelle 6.5: Kraftwerte Kugeldruckversuch

Tabelle 6.6: Einflussgrößen Reibungsverhalten

Tabelle 6.7: Übersicht tribologische Grundversuche

Tabelle 6.8: Einflussfaktoren umgebungsbedingte Spannungsrissbildung

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Brandverhalten gemäß DIN 4102 beziehungsweise EN 13501

Tabelle 8.2: Brandparallele Erscheinungen

Tabelle 8.3: Referenz-Konzentrationen von Rauchgasen

Tabelle 8.4: Hazard Level von Rauchgasen bei 50 kW/m

2

Tabelle 8.5: Hazard Level von Rauchgasen bei 25 kW/m

2

Kapitel 9

Tabelle 9.1: Übersicht Normen zur Glanzmessung mit Reflektometer

Kapitel 10

Tabelle 10.1: Übersicht Messungen zur Dichteermittlung

Tabelle 10.2: Übersicht aggressive Chemikalien

Tabelle 10.3: Einteilung Oberflächenwiderstand gemäß DIN

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Schallwellenausbreitung in Feststoffen

Tabelle 11.2: Vergleichswerte für Longitudinal- und Transversalwellen

Tabelle 11.3: Absorptionsgrade von PVC und Velours

Tabelle 11.4: Übersicht Prüfnormen für verschiedene Gase

Tabelle 11.5: Klimate gemäß DIN 53122

Tabelle 11.6: Übersicht WDD einiger ausgewählter Werkstoffe

Tabelle 11.7: Übersicht Werkstoffeigenschaften

Kapitel 12

Tabelle 12.1: Übersicht Polyethylen-Typen

Tabelle 12.2: Einfluss der Kristallinität auf die Eigenschaften von PE

Tabelle 12.3: Vergleich Kennwerte PE-HD zu PE-LD

Tabelle 12.4: Kennwerte Polypropylen

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Weichmacheranteil Hart- und Weich-PVC

Tabelle 13.2: Eigenschaftsspektrum von PVC

Tabelle 13.3: Polymerisationsverfahren von PVC

Kapitel 14

Tabelle 14.1: maximal mögliche Druckbelastung von EPS-Hartschaumblö...

Kapitel 15

Tabelle 15.1: Vergleich Kennwerte A-PET vs. C-PET

Tabelle 15.2: Eigenschafts-Kennwerte von PBT

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Die am meisten verbreiteten EVAC-Marken nebst deren Herstellern

Tabelle 16.2: Eigenschaften von EVAC in Abhängigkeit des VA-Anteils

Tabelle 16.3: Einteilung der Polyacrylnitrile

Tabelle 16.4: Zusammensetzung von ABS

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Varianten der Polyamide

Tabelle 17.2: Mengenanteile und Verwendung der PA-Typen

Tabelle 17.3: Vergleich Eigenschafts-Kennwerte geläufiger PA-Typen

Kapitel 18

Tabelle 18.1: Vergleich mechanische Eigenschaften POM-H und POM-C

Tabelle 18.2: Vergleich thermische Eigenschaften POM-H und POM-C

Tabelle 18.3: Vergleich Brandverhalten POM-H und POM-C

Tabelle 18.4: Vergleich elektrische Eigenschaften POM-H und POM-C

Kapitel 21

Tabelle 21.1: Bekannte Markennamen von ETFE

Tabelle 21.2: bekannte Markennamen von PCTFE

Tabelle 21.3: Bekannte Markennamen von PVDF

Tabelle 21.4: Bekannte Markennamen von PFA

Tabelle 21.5: Bekannte Markennamen von FEP

Kapitel 22

Tabelle 22.1: Typische ca.-Preise gängiger Kunststoffe

Tabelle 22.2: Gebräuchliche Einteilung der Thermoplaste

Kapitel 23

Tabelle 23.1: Unterteilung der Alkydharze

Tabelle 23.2: Einfluss des Härters auf die chemische Beständigkeit

Tabelle 23.3: Abhängigkeit der Martens-Temperatur vom Härter

Kapitel 26

Tabelle 26.1: Übersicht Recycling-Code

Tabelle 26.2: Nachteile beim Recyclen mithilfe von Wärme

Tabelle 26.3: Herkunft der »Bio«-Kunststoffe

Tabelle 26.4: Übersicht Cellulose-Anteil einiger Naturstoffe

Kapitel 27

Tabelle 27.1: Grundtypen der Kunststoffe

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Ethylen-Monomer

Abbildung 1.2: Gleichgewichtsreaktion

Abbildung 1.3: Atommodelle von Polyethylen und –propylen nebst dere...

Abbildung 1.4: Duromer, schematisch

Abbildung 1.5: Elastomer, schematisch

Abbildung 1.6: Amorpher Thermoplast, schematisch

Abbildung 1.7: Temperaturverlauf über zugeführte Wärme bei am...

Abbildung 1.8: teilkristalliner Thermoplast, schematisch

Abbildung 1.9: Sphärolith, schematisch

Abbildung 1.10: Temperaturverlauf über zugeführte Wärme bei ...

Abbildung 1.11: Debye-Scherrer-Verfahren

Abbildung 1.12: Diffraktogramm

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Schneckenkolben-Spritzgussmaschine

Abbildung 2.2: Spritzguss-Werkzeug, geschlossen

Abbildung 2.3: Spritzguss-Werkzeug, geöffnet

Abbildung 2.4: Schraubendreher-Handgriff als Beispiel für Mehrkompo...

Abbildung 2.5: Sandwich-Verfahren

Abbildung 2.6: Beispiele für Outsert-Teile

Abbildung 2.7: Blasfolienextrusion

Abbildung 2.8: Übersicht Kalander-Bauformen

Abbildung 2.9: Bombierte Walzen

Abbildung 2.10: Vorgespanntes Walzenpaar

Abbildung 2.11: Geschränktes Walzenpaar

Abbildung 2.12: Arbeitsschritte beim Blasformen

Abbildung 2.13: Quetschnaht am Behälterboden

Abbildung 2.14: Angusspunkt am Behälterboden

Abbildung 2.15: Arbeitsschritte beim Spritzstreckblasen

Abbildung 2.16: Schnittpunkt von radial und axial verlaufender Nah...

Abbildung 2.17: Prinzipskizze Styroporschneider

Abbildung 2.18: Keine Maßhaltigkeit aufgrund von inneren Spannunge...

Abbildung 2.19: Winkel am Zerspanwerkzeug

Abbildung 2.20: Vergleich einzahniger zu zweizahnigem Gewindestreh...

Abbildung 2.21: Heizelementstumpfschweißen

Abbildung 2.22: Heizelementschweißen einer Muffenverbindung

Abbildung 2.23: Heizwendelschweißen

Abbildung 2.24: PET-Flasche vor und nach Heißwasser-Befüllung

Abbildung 2.25: Ziehschweißen

Abbildung 2.26: Zeitlicher Ablauf beim Reibschweißen

Abbildung 2.27: Gestaltung kegelförmige Reibschweißverbindung

Abbildung 2.28: Gestaltung stufenförmige Reibschweiß-Verbindung

Abbildung 2.29: Prinzipskizze Vibrationsreibschweißen

Abbildung 2.30: Prinzipskizze Ultraschallschweißen

Abbildung 2.31: (Ehemals) verchromter Kühlergrill

Abbildung 2.32: Prinzipskizze Wirbelsintern

Abbildung 2.33: Temperatur-Zeit-Verlauf beim Tempern

Abbildung 2.34: Abhängigkeit der Temperzeit von der Materialstärke

Abbildung 2.35: Selektives Lasersintern (SLS)

Abbildung 2.36: Fused Filament Fabrication (FFF)

Abbildung 2.37: Warping

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Polyphosphazen-Monomer

Abbildung 3.2: Dendrimer

Abbildung 3.3: Polysiloxan-Monomer

Abbildung 3.4: Polysilazan-Monomer

Abbildung 3.5: Valenzstrichformel von Tetracyanochinodimethan

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Thermogravimetrie-Mess-Schrieb

Abbildung 4.2: Mess-Schrieb einer IR-Spektroskopie

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Prinzipskizze Granulat-Trocknung mittels Warmluft

Abbildung 5.2: Prinzipskizze Schergefälle

Abbildung 5.3: Vergleich Scherviskositäten

Abbildung 5.4: Prinzipskizze Dehnviskosität

Abbildung 5.5: Verlauf von Dehn- und Scherviskosität über Dehn- bez...

Abbildung 5.6: Prinzipskizze Meißner-Dehnrheometer

Abbildung 5.7: Prinzipskizze equibiaxiale Dehnmessung

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Symbolbild Hookescher Körper

Abbildung 6.2: Symbolbild Newton-Element

Abbildung 6.3: Symbolbild Coulomb-Reibung

Abbildung 6.4: Maxwell-Modell

Abbildung 6.5: Kelvin-Voigt-Modell

Abbildung 6.6: Verlauf der Dehnung im Kelvin-Voigt-Modell

Abbildung 6.7: Zener-Modell

Abbildung 6.8: Burger-Modell

Abbildung 6.9: Prandtl-Modell

Abbildung 6.10: Spannungs-Dehnungs-Kurve unlegierter Stähle

Abbildung 6.11: Masing-Modell

Abbildung 6.12: Verlauf der Spannung über der Dehnung im Masing-Mo...

Abbildung 6.13: Bingham-Hooke-Modell

Abbildung 6.14: Prinzipskizze Universalprüfmaschine

Abbildung 6.15: Vielzweckprüfkörper

Abbildung 6.16: Spannungs-Dehnungs-Diagramm Kunststoffe

Abbildung 6.17: Arten der Schubbelastung

Abbildung 6.18: auf Schub belastetes Element

Abbildung 6.19: Ermittlung des G-Moduls mittels Torsion

Abbildung 6.20: Ermittlung des G-Moduls mittels Scherung

Abbildung 6.21: Ermittlung von Tangenten- und Sekantenmodul

Abbildung 6.22: Schubmodul in der komplexen Zahlenebene

Abbildung 6.23: DMTA-System

Abbildung 6.24: Rotary variable differential transformer

Abbildung 6.25: Zeitlicher Verlauf von Verdrehung und Schubspannun...

Abbildung 6.26: Torsionspendelverfahren, ohne und mit Gewichtsausg...

Abbildung 6.27: Messung des Verdrehwinkels

Abbildung 6.28: Mess-Schrieb der freien gedämpften Schwingung, Mes...

Abbildung 6.29: Mess-Schrieb der freien gedämpften Schwingung, Mes...

Abbildung 6.30: Messung des Schubmoduls mittels Ultraschall

Abbildung 6.31: Prinzipskizze Druckversuch

Abbildung 6.32: Druckprüfkörper

Abbildung 6.33: Spannungs-Stauchungs-Diagramme für unterschiedlich...

Abbildung 6.34: Prinzipskizze 3-Punkt-Biegeversuch

Abbildung 6.35: Spannungsverlauf bei Biegebelastung

Abbildung 6.36: Bezeichnungen und Koordinaten am Biegebalken

Abbildung 6.37: Prinzipskizze 4-Punkt-Biegeversuch

Abbildung 6.38: Prinzipskizze Pendelhammer

Abbildung 6.39: Prinzipskizze Charpy

Abbildung 6.40: Prinzipskizze Dynstat

Abbildung 6.41: Prinzipskizze Izod

Abbildung 6.42: Prinzipskizze Kugeldruckversuch Vorrichtung

Abbildung 6.43: Prinzipskizze Kugeldruckversuch Messwerte

Abbildung 6.44: Prinzipskizze Zeitstandzugversuch

Abbildung 6.45: Kriechkurven Zeitstandzugversuch

Abbildung 6.46: Zug-Kriechmodul über der Zeit

Abbildung 6.47: Isochrone Zeitstandskurven

Abbildung 6.48: Prinzipskizze Zeitstandbiegeversuch

Abbildung 6.49: Vergleich Wöhlerkurven Metalle und Kunststoffe

Abbildung 6.50: Spannungsgeregelter Versuch

Abbildung 6.51: Dehnungsgeregelter Versuch

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Temperaturabhängigkeit des E-Moduls von Kunststoffen

Abbildung 7.2: Temperaturverlauf über zugeführte Wärme bei te...

Abbildung 7.3: Wärmetransport

Abbildung 7.4: Prinzipskizze Vicat-Verfahren

Abbildung 7.5: Prinzipskizze Martens-Verfahren

Abbildung 7.6: Prinzipskizze HDT-Verfahren

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Groß- und Kleinwinkelstreuung

Abbildung 9.2: Prinzipskizze Ulbricht-Kugel

Abbildung 9.3: Prinzipskizze Refraktometer

Abbildung 9.4: Goniophotometrie-Diagramm

Abbildung 9.5: Munsell-System

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Übersicht spezifische Dichte einiger ausgewählter ...

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Gasdiffusion durch Festkörper

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Kettenstruktur von PE-HD und PE-LD

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Vergleich PE zu PVC

Abbildung 13.2: Monomer des PVdC

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Elastizität von Polystyrol

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Monomer-Typen des Polyamids

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Lineares Polyphenylensulfid

Abbildung 18.2: Vernetztes Polyphenylensulfid

Abbildung 18.3: LCP, verflüssigt und erstarrt

Abbildung 18.4: Erstarrter LCP im Detail

Kapitel 20

Abbildung 20.1: Imidgruppe

Kapitel 21

Abbildung 21.1: Vergleich ETFE zu PTFE

Abbildung 21.2: Vergleich ECTFE zu PCTFE

Kapitel 23

Abbildung 23.1: Monomer des ungesättigten Polyesterharzes

Abbildung 23.2: Herstellung von Weichschaum im kontinuierlichen Ve...

Abbildung 23.3: Prinzipskizze Core-Spun-Garn

Abbildung 23.4: Monomer des Silikons

Kapitel 24

Abbildung 24.1: Vorwärmen des Granulats

Abbildung 24.2: Dosiertes Einfüllen des Granulats

Abbildung 24.3: Aufschmelzen und Verflüssigen des Granulats

Abbildung 24.4: Formpressen

Abbildung 24.5: Vernetzen (Aushärten)

Abbildung 24.6: Auswerfen des Bauteils

Abbildung 24.7: Vergleich Gewebe zu Gelege

Abbildung 24.8: Imprägnierbad

Kapitel 25

Abbildung 25.1: Weltjahresproduktion Kunststoffe

Kapitel 26

Abbildung 26.1: Prozess-Schema CreaSolv

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-Verfahren

Abbildung 26.2: Lebenszyklus Kunststoffe

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Einführung

Falls Sie dieses Buch nicht als Geschenk erhalten haben, haben Sie es sicherlich gekauft, weil Sie Fragen zu Kunststoffen haben, zu denen Sie keine Antworten in bereits vorliegender Literatur finden oder zu finden erwarten. Ich freue mich, dass Sie mir das Vertrauen entgegenbringen, Ihnen Ihre Fragen beantworten zu können.

Die Welt der Kunststoffe ist spannend. Da es sich um einen extrem vielseitigen Werkstoff handelt, berührt er wirklich alle Lebensbereiche, nicht nur bei uns in den Industrieländern, sondern wirklich überall auf der Welt. Welcher Werkstoff kann das schon von sich behaupten? Leider haben Kunststoffe nicht nur nutzbringenden Einfluss. Durch Kunststoffe werden auch Lebensbereiche beeinträchtigt. Selbstverständlich unbeabsichtigt, die Folgen sind aber trotzdem schädlich.

Über dieses Buch

Dieses Buch will mehr sein als ein Sachbuch, erhebt aber nicht den Anspruch, ein wissenschaftliches Werk zu sein. Insbesondere steht nichts Neues, bisher nicht Dagewesenes drin. Dann wäre es ja sowieso eine Dissertation. Dieses Buch erhebt aber den Anspruch, das Fachwissen auf leicht verständliche, geradezu unterhaltsame Weise »rüberbringen« zu wollen. Insofern ist es schon etwas Neues, zumindest auf dem Gebiet der Kunststoffe.

Als ich mich ans Schreiben machte, war ich doch so vermessen, mir die Aufgabe zu stellen, alles zum Thema »Kunststoffe« abzudecken. nicht nur den Werkstoff und seine Eigenschaften »an sich« zu beschreiben, sondern auch, wie er verarbeitet und wofür er eingesetzt wird. Beim Zusammentragen des Materials tauchte dann noch sehr viel Interessantes zur historischen Entwicklung und zu den Umweltaspekten auf, das wollte ich Ihnen auch nicht vorenthalten. Meine Absicht ist es, für den Praktiker zu schreiben. Beim Schreiben hat mich stets die Frage »was kann man damit machen« geleitet. Die wissenschaftlich theoretischen Grundlagen sind ja hauptsächlich nur von Nutzen, wenn man selber Kunststoffe entwickeln will. Dementsprechend sparsam habe ich diese Bereiche abgehandelt. Ganz ließen sie sich aber nicht vermeiden.

Ziel dieses Buches ist nicht nur, Ihnen ein tieferes Verständnis auf dem Gebiet der Kunststoffe zu verschaffen, sondern bei Ihnen auch Appetit, Neugier, Interesse zu wecken auf mehr Informationen. Lassen Sie sich aber nicht abschrecken von weiterführender Literatur, nur weil diese höchstwahrscheinlich nicht so unterhaltsam geschrieben ist wie dieses Buch. Das Thema »Kunststoffe« ist auf jeden Fall spannend, interessant, vielfältig.

Ich habe mich bemüht, dieses Buch modular aufzubauen. Somit können Sie an jeder Stelle aufschlagen und los lesen, ohne die vorangegangenen hundert Seiten gelesen zu haben und auch nicht dauernd ins nächste, übernächste Kapitel blättern zu müssen, um Einzelheiten zu verstehen. Leider ließ sich dies nicht immer durchhalten.

Konventionen in diesem Buch

Da gibt es nur wenige Konventionen:

Neu eingeführte Begriffe habe ich fett geschrieben.

Formeln habe ich kursiv geschrieben, zum Beispiel:

Unter jeder Kapitelüberschrift finden Sie ein paar Stichpunkte, die Ihnen sagen, was im jeweiligen Kapitel drankommt. Ebenso finden Sie zu Beginn jedes Teils einen »Schnuppertext«, welcher den Themenbereich des Abschnitts kurz umreißt.

Was Sie nicht lesen müssen

Da ich das Goethe-Zitat »Getretener Quark wird breit, nicht stark« stets mahnend im Hinterkopf behielt, habe ich darauf achtgegeben, Sie, liebe Leser, mit jeder Zeile mit neuen Informationen zu versorgen. Es lohnt sich also, das ganze Buch zu lesen. Aber alles, was in den Infokästen steht, können Sie auch nur überfliegen. Da habe ich Hintergrundinformationen, Tiefergehendes aber auch Anekdoten reingepackt. Zum Verständnis des »Mainstreams« ist das Lesen dieser Kästen nicht unbedingt erforderlich.

Törichte Annahmen über die Leser

Ich nehme an, dass Sie entweder beruflich bislang nichts oder nur wenig mit Kunststoffen zu tun hatten, aber sich jetzt auf einmal doch damit beschäftigen sollen. Sie sollen sich beispielsweise Gedanken machen, andere Werkstoffe durch Kunststoffe zu ersetzen, weil die doch billiger oder leichter oder beständiger sind.

Oder Sie gehen mit offenen Augen durchs Leben und bemerken, wie uns Kunststoffe auf Schritt und Tritt begegnen. Brillengläser, Auto-Stoßfänger, Joghurtbecher, dass diese Gegenstände aus Kunststoff hergestellt worden sind, diese Antwort reicht Ihnen nicht aus. Aber ein »richtiges« Fachbuch zu lesen, ist zu langweilig, zu schwerfällig, befürchten Sie.

Eventuell kann Ihnen mein Buch sogar weiterhelfen, wenn Sie Schüler oder Student sind und Ihnen die Ausführungen Ihres Lehrkörpers zu wissenschaftlich, will sagen, zu unverständlich sind. Dieses Buch hat zwar den Anspruch, beim Lesen Vergnügen zu bereiten, hat aber auch den Anspruch, auf jeden Fall stets wissenschaftlich korrekt und richtig zu sein.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Die Schummelseite gleich zu Beginn haben Sie ja sicher schon entdeckt. Nach dieser Einleitung erwarten Sie sieben große Teile:

Teil I: Und jedem Zauber wohnt ein Anfang inne

In Teil I wird das Geheimnis gelüftet, was Kunststoffe sind, wie sie aufgebaut sind und was sie von anderen Feststoffen unterscheidet. Sinnvoll schließen sich die möglichen Verarbeitungsverfahren an. Aus dem prinzipiellen Aufbau leiten sich nicht nur die realen Werkstoffe ab, die Sie später im Buch kennenlernen werden. Auch unübliche, »exotische« Kunststoffe können so hergestellt werden. Diese stelle ich Ihnen ebenfalls gleich im ersten Teil vor.

Teil II: Drum prüfe, wer sich ewig bindet

Hier lernen Sie beispielhaft ein paar übliche Verfahren kennen, um Kunststoffe (und generell Werkstoffe) und ihre Zusammensetzungen zu analysieren.

Der allergrößte Teil der Kunststoffe wird urformend zu Gegenständen verarbeitet. Die Urformverfahren sind technologisch etwas aufwendiger als die klassische materialabtragende Bearbeitung von Halbzeugen. Dementsprechend müssen diese Fertigungsprozesse etwas genauer überwacht werden. Hier im zweiten Teil stelle ich Ihnen auch ein paar Grundlagen und Messmethoden vor, wie die Verarbeitung von Kunststoffen überwacht werden kann.

Teil III: Werkstoffeigenschaften

In Teil drei erfahren Sie Einiges über die Eigenschaften von Kunststoffen und die verschiedenen Prüf- und Testmethoden, die zur Ermittlung dieser Eigenschaften angewendet werden.

Teil IV: Flexibel muss man sein

Dieser Teil endlich stellt Ihnen alle, zumindest alle mehr oder weniger wichtigen, Thermoplaste vor. Die Schwerpunkte bei jedem vorgestellten Typ liegen auf:

Eigenschaften,

mögliche Ver- und Bearbeitungsverfahren und

typische Anwendungen, vermutlich für die Anwender unter Ihnen besonders wichtig.

Sortiert sind die Thermoplaste aufsteigend von den einfachsten, preiswertesten und am meisten verbreiteten Sorten hin zu den immer spezielleren Sorten mit höheren Eigenschaften. Und höheren Preisen.

Teil V: Gelobt sei, was hart macht

Teil fünf präsentiert Ihnen auf die gleiche Art und Weise das Feld der Duromere. Hinzu kommen noch ein paar Verarbeitungsverfahren, welche speziell für Duromere entwickelt wurden.

Teil VI: Eine andere Sicht der Dinge

In diesem Teil wage ich zwei andere Blickwinkel auf Kunststoffe, »über den Tellerrand« hinaus. Der eine Blick richtet sich auf die historische Entwicklung. Wie ist die Menschheit überhaupt auf diesen Werkstoff gekommen? Der andere Blick geht auf die ökologische Bedeutung. Welche Umweltprobleme werden durch Kunststoffe verursacht? Und welche Ansätze zur Lösung dieser Probleme gibt es bereits?

Teil VII: Der Top-Ten-Teil

Im Anschluss an diese sechs Teile kommt dann der Top-Ten-Teil. Falls dies nicht das erste Buch der »Dummies«-Reihe ist, das Sie in den Händen halten, kennen Sie das schon. In diesem Teil finden Sie zwei Kapitel. Im ersten stelle ich zehn Tatsachen vor, die meiner Meinung nach hilfreich sind für ein grundlegendes Verständnis dieses Werkstoffs. Im zweiten Kapitel zeige ich Ihnen zehn Bereiche, die ohne Kunststoffe gar nicht oder nicht in der heute üblichen, unkomplizierten Form möglich wären.

Und ganz am Ende kommt noch das obligatorische Stichwortverzeichnis. Weiter oben erwähnte ich ja bereits, ich habe auch das Ziel, Ihnen die Welt der Kunststoffe schmackhaft zu machen, sodass Sie Appetit auf mehr bekommen.

Zusätzlich zum Inhalt dieses Buchs finden Sie auf https://www.wiley-vch.de/de/dummies/downloads zwei kostenlose Bonuskapitel zum Download: »Die Mischung machts« und »Kunststoffgerechtes Konstruieren«.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Beim Lesen werden Sie immer wieder auf Abschnitte stoßen, die durch ein Symbol gekennzeichnet sind. Was Sie unter dem jeweiligen Symbol erwartet, erfahren Sie hier:

Wichtigkeit 4. Hier heißt es Achtung, Aufpassen, sonst kann etwas schiefgehen!

Wichtigkeit 3. Hier heißt es immer noch Aufpassen, aber es besteht keine große Gefahr mehr, dass etwas schiefgeht.

Wichtigkeit 2. Unter diesem Symbol finden Sie wichtige, erläuternde Hinweise.

Wichtigkeit 1. Und hier finden Sie Hintergrundinformationen, Zusätzliches, Weiterführendes, aber auch Anekdoten.

Als Techniker habe ich natürlich ein Faible für quantifizierbare Skalierungen. Aus diesem Grund habe ich die Symbole nach ihrer Wichtigkeit eingestuft. Wichtigkeit vier sollten Sie auswendig lernen, auf Ihren Unterarm tätowieren oder so. Wichtigkeit eins können Sie mit weißem Papier überkleben, falls Sie Platz für eigene Notizen benötigen.

Wie es weitergeht

Indem wir jetzt endlich anfangen. Sie haben die Wahl: Sie können dieses Buch von der ersten bis zur letzten Seite wie einen Roman durchlesen. Sie können aber auch gezielt das/die Kapitel aufschlagen, woran Sie im Moment interessiert sind. Auf jeden Fall wünsche ich Ihnen viel Spaß beim Lesen! Und außerdem, dass Sie viel Nutzen, viel Gewinn aus der Lektüre ziehen, kurz gesagt, dass Sie die Antworten auf Ihre Fragen finden.

Teil I

Und jedem Zauber wohnt ein Anfang inne

IN DIESEM TEIL …

Erfahren Sie

um was für eine Art von Werkstoffen es sich bei Kunststoffen überhaupt handelt,worin sich Kunststoffe von anderen Werkstoffen unterscheiden,wie die große Bandbreite an Eigenschaften erreicht wirdund welche Möglichkeiten zur Be- und Verarbeitung sich aus den Besonderheiten von Kunststoffen ergeben.

Kapitel 1

Hier stimmt die Chemie

IN DIESEM KAPITEL

Was sind Kunststoffe im Vergleich zu anderen WerkstoffenWie sind Kunststoffe chemisch aufgebautWas hat es mit der Taktizität auf sichWie können Kunststoffe teilkristallin sein und sind die nicht alle amorphWie kann man Kunststoffe herstellen

Es ist Samstagvormittag und der Wochenendeinkauf steht an. Sie ziehen Ihre Gore-Tex®-Jacke an, schnappen sich ein paar Einkaufstüten und setzen sich ins Auto. Auf der Fahrt ins Einkaufszentrum halten Sie das mit Kunststoff umschäumte Lenkrad fest in Ihren Händen. Im Treppenhaus des Einkaufszentrums hängen Leuchtkörper von der Decke. Die sollen auch aus »Plastik« sein. Im Baumarkt kaufen Sie ein paar Dübel. Auf dem Parkplatz kommen Sie an einer Mülltonne vorbei, die überquillt von Plastikbechern, Plastikfolie, Styroporschälchen.

Und die ganze Zeit müssen Sie an die Aufgabe denken, die Ihnen Ihr Chef gegeben hat: das xy-Bauteil, welches bislang aus Metall gefertigt wird, geht das nicht billiger aus Kunststoff? Und leichter wäre es auch noch. Und es bräuchte keinen Rostschutz. Aber aus welchem Kunststoff fertigt man das Teil am besten?

Was sind Kunststoffe überhaupt? Im Vergleich zu anderen Feststoffen wie zum Beispiel Metalle. Oder auch Stein, Beton, Glas?

Einstieg in die Welt der Kunststoffe

Für einen ersten Überblick können Sie die Welt der Kunststoffe grob in drei Schichten einteilen. Da ist zuerst mal – die Plastiktüte. Also die Kunststoffe im Alltag. Außer der Plastiktüte auch die Styropor-Verpackung, die Lego-Steine, der Kochlöffel oder der Plastikstuhl im Garten.

Das alles sind aber nur die äußeren Erscheinungsformen der zweiten Schicht. In dieser finden Sie die Kunststoffe in der technischen Anwendung. Nicht nur die Stoßfänger, auch die Kotflügel am Auto sind aus Kunststoff. Ebenso die Dachfolie des größten Zeltes der Welt. Waren Sie mal zur Vorsorgeuntersuchung? Das Blut, das man Ihnen abgenommen hat, könnte gar nicht korrekt analysiert werden, wenn es nicht in Röhrchen aus Spezial-Kunststoff gehandhabt würde.

Und wenn Sie noch tiefer schürfen, dann stoßen Sie auf Hightech. Kunststoffe, die leuchten wie eine Glühbirne. Kunststoffe, die nur eine bestimmte Sorte Gas durchlassen, Kunststoffe, die sich in der Natur wieder zersetzen. Kunststoffe, die wie Medikamente wirken. Kunststoffe, die gar nicht aus »Kunststoff« im landläufigen Sinne, nämlich aus Kohlenwasserstoff, aufgebaut sind.

Es ist der alltägliche Kontakt mit immer wieder denselben Kunststoff-Sorten, der den Blick auf diese tieferen Schichten verstellt (mir ging es wenigstens so).

Um diese Vielfalt besser zu verstehen, möchte ich in diesem Buch die folgenden Fragen beantworten:

Was sind Kunststoffe überhaupt?

Wie kann man sie verarbeiten?

Wie werden Kunststoffe untersucht, geprüft, vermessen? Was halten sie aus?

Welche Kunststoffsorten gibt es denn konkret?

Wer hat sich das alles ausgedacht?

Und was ist mit der Umwelt? Wo bleibt das Zeug, wenn ich es weggeschmissen habe?

Mit diesem Buch möchte ich Ihnen zeigen, was alles mit Kunststoffen möglich ist, was noch möglich sein wird und wie sehr unser Leben inzwischen von Kunststoffen geprägt ist.

Kunststoffe und der Rest der Werkstoff-Welt

Kunststoffe sind ganz allgemein Substanzen mit technisch verwertbaren Eigenschaften. Solche Substanzen werden als Werkstoffe bezeichnet.

Werkstoffe müssen bei Raumtemperatur nicht fest sein. Auch Flüssigkeiten und Gase sind Werkstoffe. Falls Sie es schaffen, weit genug in diesem Buch zu lesen, werden Ihnen auch Kunststoffe begegnen, die bei Raumtemperatur flüssig sind.

Werkstoffe kann man unterteilen in drei große Gruppen:

Metallische Werkstoffe,

nichtmetallische, anorganische Stoffe (Keramik, Glas, Stein, Beton) und

die anderen, die nicht in eine der beiden ersten Gruppen passen. Diese werden Polymere genannt. Darunter fallen auch die Kunststoffe.

Manche Werkstoff-Techniker definieren noch die Verbundwerkstoffe als eigene Gruppe. Verbundwerkstoffe sind zusammengesetzt aus Werkstoffen der drei genannten Gruppen.

Was ist mit Holz? Auch aus diesem Material werden seit Jahrtausenden Gegenstände hergestellt.

Der Naturstoff Holz setzt sich zusammen aus mikroskopisch kleinen Zellen. Und diese sind aufgebaut aus Cellulose und ähnlichen Stoffen. Und weil diese Stoffe Polymere sind, werden Naturstoffe wie Holz, aber beispielsweise auch Wolle, Seide oder Leder ebenfalls den Polymeren zugerechnet. Zur genaueren Abgrenzung werden diese Naturstoffe Biopolymere genannt.

Metalle finden Sie im Periodensystem der Elemente. Die sind halt einfach da in unserer Welt. Und die anorganischen Stoffe, wie Ton, Steine, Scherben sind gar nicht Thema dieses Buches.

Und was sind nun Polymere?

Aus vielen eines

Das Wort Polymer ist zusammengesetzt aus den altgriechischen Wörtern poly = viel und meros = Teil. Ein Polymer ist also etwas, was aus vielen Teilen besteht.

Haha, das hilft jetzt aber nicht weiter, denn alle Stoffe bestehen aus vielen kleinen chemischen Teilchen. Das können Atome sein oder Ionen oder Moleküle. Aber bei Polymeren haben wir eine besondere Form von Molekülen, die sogenannten Makromoleküle. Und die bestehen aus vielen Teilchen! Die Makromoleküle in Polymeren sind Ketten von einzelnen Molekülen. Es sind dabei durchaus einige tausende Moleküle in einer einzigen solchen Kette anzutreffen. Weil die Moleküle in dieser Kette die Eigenschaft besitzen, miteinander verbunden werden zu können, haben sie auch eine extra Bezeichnung. Der Chemiker nennt so ein Molekül Monomer.

Ein Monomer ist also ein Molekül, das fähig ist, sich mit anderen Monomeren chemisch zu verbinden. Und ein Polymer ist so eine Verbindung, die aus mindestens einigen tausend Monomeren besteht. Gibt es auch etwas dazwischen? Ja, gibt es. Makromoleküle, die nur aus »ein paar« Monomeren bestehen, nennt man Oligomere. Es geht noch detaillierter: zwei Einheiten = Dimer, drei Einheiten = Trimer, vier Einheiten = Tetramer. Unterschieden wird danach, ob das Hinzufügen eines weiteren Monomers schon eine deutliche Änderung der Eigenschaften bewirkt.

Die Monomere sind in der Kette kovalent miteinander verbunden. Die einzelnen Atome im Monomer sind ebenfalls kovalent miteinander verbunden.

Die kovalente Bindung ist so ziemlich die stärkste Bindung, welche die Chemie anzubieten hat. Hierbei teilen sich die miteinander verbundenen Atome die äußeren Elektronen. Die schwirren nicht mehr um »ihre eigenen« Atomkerne herum, sondern um den kompletten Verbund. Von außen sieht es (fast) aus wie ein Atom.

Hierin finden Sie schon einen Hinweis darauf, warum Kunststoffe im Allgemeinen viel höhere chemische Beständigkeit haben als zum Beispiel Metalle.

Was es braucht, um ein Kunststoff zu sein

Mit den Atomen sind wir wieder beim Periodensystem der Elemente. Da sind zwar über 100 Elemente verzeichnet, aber um Kunststoffe zu erzeugen, reicht eine Handvoll davon aus.

Die Kernforderung, nämlich dass die Moleküle miteinander verbunden werden können, können die Chemiker (bislang) nur mit drei Elementen erfüllen:

Kohlenstoff,

Silicium und

Phosphor (dieser zusammen mit Stickstoff).

In der Praxis spielen zurzeit allerdings nur Kohlenstoff und Silicium eine Rolle.

Des Weiteren benötigt ein Polymer-Designer in seinem Labor in der Hauptsache nur

Wasserstoff,

Sauerstoff,

Stickstoff,

Schwefel,

Chlor und

Fluor,

um die große Vielfalt an Polymeren zu erschaffen.

Kohlenstoff ist der »Multifunktions-Baustein« für die synthetische Chemie, weil er gleich vier freie Elektronen in seiner äußersten Elektronenhülle hat. Dieses Atom kann also mit bis zu vier weiteren Atomen verbunden werden. Das Siliciumatom verfügt ebenso über vier freie Elektronen.

Das sind also die beiden Stars der Kunststoffindustrie. Diese beiden schaffen hunderttausende Arbeitsplätze und Milliarden Euro Umsatz.

Wie Sie in Tabelle 1.1 sehen können, besitzt das Siliciumatom eine Elektronenhülle mehr als das Kohlenstoffatom. Dadurch wird die äußerste Hülle größer, die Elektronen sind hier auf einer größeren Fläche verteilt. Mit der Folge, dass die Siliciumverbindungen in der Regel schwächer sind als die Kohlenstoffverbindung. Mit Kohlenstoff können Sie beständigere Kunststoffe erzeugen als mit Silicium.

Kohlenstoffatom

Siliciumatom

Tabelle 1.1: Prinzipskizze Kohlenstoff- und Siliciumatom

Verbindungen mit Kohlenstoff nennt man organische Verbindungen. Und das Gebiet der Chemie, das sich mit Kohlenstoffverbindungen beschäftigt, nennt man Organische Chemie. Organisch deshalb, weil lebende Organismen aus Kohlenstoffverbindungen aufgebaut sind.

Polymere, die aus Silicium aufgebaut sind, kann man somit nicht zu den organischen Verbindungen zählen. Zur genaueren Abgrenzung werden solche Polymere als »siliziumorganische Verbindungen« oder auch »Organosilicium-Verbindungen« bezeichnet.

Mit der Erzeugung von Polymeren, organisch oder anorganisch, beschäftigt sich die Polymerchemie. Diese beschäftigt sich aber auch mit natürlichen Polymeren, wie Stärke oder Zellulose. Die Herstellung, also das Zusammensetzen von Monomeren aus den chemischen Elementen und von Polymeren aus den Monomeren, nennt der Chemiker Synthese.

Mit den physikalischen Eigenschaften der Polymere beschäftigt sich die Polymerphysik.

Synthese von Polymeren

Und wie erzeugt man die langen Molekülketten? Dafür wurden (bislang) vier Verfahren entwickelt, und zwar die

Polymerisation,

Polyaddition,

Polykondensation,

Polyinsertion.

Polymerisation

Bei der Polymerisation oder korrekter »Kettenpolymerisation« liegt als Ausgangsstoff ein Monomer vor, dessen Kohlenstoffatome per Doppelbindung miteinander verbunden sind, beispielsweise Ethylen.

Abbildung 1.1: Ethylen-Monomer

Wie Sie in Abbildung 1.1 erkennen können, ist eine Doppelbindung nicht etwa doppelt so fest wie eine Einfachbindung, sondern im Gegenteil, weil die beiden Elektronenpaare sich aneinander vorbei quetschen müssen, steht diese Bindung unter Spannung und kann leichter aufgebrochen werden als eine Einfachbindung. Aufgebrochen wird diese Doppelbindung mithilfe eines Initiators. Als Initiatoren können unter anderem Peroxide verwendet werden. Das Besondere an ihnen ist: sie haben ein bis zwei Elektronen zu viel und sind somit negativ geladen. Diese »Kontaktstellen« sind quasi auf der Suche nach ihrer elektrochemischen Neutralisation, somit wirken die Peroxide sehr reaktionsfreudig auf andere Stoffe. Im Gegensatz zu Katalysatoren, die ebenfalls eine chemische Reaktion überhaupt erst ermöglichen, werden die Initiatoren bei der Reaktion verbraucht. Die Katalysatoren selber bleiben bei der Reaktion unbeteiligt.

Ein Peroxid-Molekül bricht also die Doppelbindung eines Ethylen-Moleküls auf. Sein einzelnes freies Elektron bildet mit einem Elektron eines Paares der Doppelbindung ein stabiles Elektronenpaar. Und was macht das andere Elektron? Das sucht sich das nächste Monomer und bricht dort die Doppelbindung auf und so weiter. Somit kommt die Reaktion theoretisch erst zum Stillstand, wenn keine Monomere mit Doppelbindungen mehr vorhanden sind.

Der Fachmann spricht hier von einer Kettenwachstums-Reaktion, da an die schon bestehenden Ketten die noch freien Monomere angehängt werden.

Nachteil dieses Verfahrens: Die schon bald entstehenden langen Makromoleküle behindern sich gegenseitig im Wachstum und schirmen gegenseitig die noch freien Monomere ab. Die Reaktion kommt zum Stillstand, obwohl noch beträchtliche Mengen an freien Monomeren vorhanden sind. Da dies äußerst unpraktisch ist, wenn man wirtschaftlich, also mit hoher Ausbeute einen Kunststoff synthetisieren will, wurde ein anderes Verfahren entwickelt, nämlich die:

Polyaddition

Hier verbinden sich im ersten Schritt nur zwei Monomere zu einem Dimer. Und an dieses Dimer hängt sich noch ein weiteres Monomer und es entsteht ein Trimer. Erst wenn sich mehr als drei Viertel der anfangs vorhandenen Monomere zu Trimeren verbunden haben, setzen sich diese zu den langen Polymerketten zusammen. Dabei kann es auch vorkommen, dass sich zwei schon gebildete längere Polymerketten zu einer noch längeren verbinden.

Daher der Name: Ungefähr gleich große Moleküle setzen sich zusammen, sie addieren sich. Im Gegensatz zur Polymerisation, wo an eine schon bestehende Kette immer mehr angehängt wird. Hier spricht der Fachmann von einer Stufenwachstums-Reaktion. Erst wenn eine Stufe erreicht ist (von Monomer zu Dimer, von dort zu Trimer), springt die Reaktion weiter zur nächsten Stufe.

Polykondensation

Bei manchen Polyadditionen werden noch Nebenprodukte, meistens Wasser, freigesetzt. In diesem Fall haben wir es mit einer sogenannten Gleichgewichtsreaktion zu tun. Das bedeutet, die Reaktion kann in beide Richtungen verlaufen, wie in Abbildung 1.2 dargestellt.

Abbildung 1.2: Gleichgewichtsreaktion

Da die Synthese des Polymers ja möglichst effektiv verlaufen soll, man will ja möglichst viel Kunststoff mit den eingesetzten Monomeren erzeugen, wird bei der Synthese das freigesetzte Wasser kontinuierlich entzogen, indem man es irgendwo außerhalb des Reaktors kondensieren lässt.

Aber später, beim Gebrauch des Kunststoffes in den unterschiedlichen Artikeln, kann es sein, dass dieser wieder dem Wasser oder, noch schlimmer, Wasserdampf ausgesetzt ist. Deswegen geben die Hersteller immer an, ob ihr Kunststoff wasser(-dampf)beständig ist oder nicht. Das Fachwort für die Auflösung oder Aufspaltung einer chemischen Verbindung mittels Wasser lautet Hydrolyse. Dementsprechend können Kunststoffe hydrolysebeständig sein oder eben nicht.

Polyinsertion

Hier wird die Polymerkette mithilfe eines Katalysators gebildet. Dieser verbindet sich zunächst mit einem Monomer. Über eine weitere Reaktion schieben sich dann weitere Monomere in diese Verbindung hinein. Bekanntestes Beispiel dieser Methode ist das Ziegler-Natta-Verfahren zur Herstellung von Polyethylen und Polypropylen.

Polymere werden somit völlig zu Recht als Kunststoffe bezeichnet. Ausgehend von kleinsten Molekülen werden sie komplett künstlich hergestellt. Die Moleküle werden meistens aus Erdöl gewonnen.

Aufbau der Polymerketten

Die Polymerketten können aus nur einem Typ Monomer aufgebaut sein. So ein Stoff wird Homopolymer bezeichnet.

Sie können aber auch aus zwei (oder noch mehr) verschiedenen Typen Monomer aufgebaut sein. Das wird dann als Copolymer oder Heteropolymer bezeichnet.

In der Kunststofftechnik ist eher der Begriff »Copolymer« geläufig. Handelt es sich um Biopolymere, beispielsweise Proteine oder auch die DNA, wird eher der Begriff »Heteropolymer« verwendet, um auf die Heterogenität der Zusammensetzung hinzuweisen.

Die Copolymere werden noch in verschiedene Klassen unterteilt. Hierzu eine kleine Übersicht:

Bei den Copolymeren ist auch eine Steigerung möglich, die Polymerketten können sogar aus drei unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sein. Zur genaueren Abgrenzung werden solcherart aufgebaute Polymere als Terpolymere bezeichnet.

Ob es ein Homo- oder ein Heteropolymer ist, hängt von der Kunststoffsorte ab. Beispielsweise liegen die Kunststoffe Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid als Homopolymer vor, Acryl-Butadien-Styrol oder Styrol-Acrylnitril sind hingegen Copolymere.

Das letzte Bild in Tabelle 1.2 stellt es bereits dar: an der Polymerkette kann noch seitlich etwas dranhängen! Bei diesen Anhängseln kann es sich um

Seitenketten oder um

Seitengruppen

handeln.

Bild + Bezeichnung

Beschreibung

Statistischer Copolymer

Die beiden Monomerarten sind unregelmäßig verteilt

Gradient-Copolymer

Entlang des Strangs nimmt die Anzahl der Monomere des einen Typs zu, die des anderen nimmt ab

Block- oder Segment-Copolymer

Jeder Typ Monomer bleibt unter sich, ein Streckenabschnitt nur der eine Typ, der andere Abschnitt nur der andere

Alternierender Copolymer

Die beiden Monomerarten sind gleichmäßig abwechselnd verteilt

Pfropf-Copolymer

Der eine Typ Monomer ist aufgepfropft und hängt als Verästelung an der Kette, die nur aus Monomeren des anderen Typs besteht (für sich genommen somit ein Homopolymer bildet)

Tabelle 1.2: Übersicht Copolymere

Die Polymere ohne Seitenketten werden auch lineare Polymere genannt. Und die Polymere mit Seitenketten werden auch als verzweigte Polymere bezeichnet.

Und bei den Seitengruppen gibt es noch ein paar Fälle zu unterscheiden, die ich Ihnen im folgenden Unterpunkt vorstellen möchte.

Eine Frage des Taktes

Zunächst ist danach zu unterscheiden, woher die Seitengruppen kommen. Entweder handelt es sich um ein anderes Monomer, das auf die Hauptkette aufgepfropft wurde. Oder das Monomer, aus dem die Hauptkette aufgebaut ist, ist asymmetrisch. Wieso es dann Seitengruppen gibt, können Sie anschaulich am Beispiel Polypropylen erkennen (siehe Abbildung 1.3).

Abbildung 1.3: Atommodelle von Polyethylen und –propylen nebst deren Monomere

Das Monomer Propen hat an einer Ecke eine CH3-Gruppe anstelle eines einfachen Wasserstoffatoms. Und diese Gruppe steht nach der Polymerisation seitlich von der Kette ab. Im Gegensatz dazu ist das ebenfalls abgebildete Ethen-Monomer symmetrisch. Somit ist die zugehörige Polyethylenkette ebenfalls symmetrisch aufgebaut (zumindest prinzipiell).

Die CH3-Gruppe kann nun auf drei verschiedene Arten von der Hauptkette abstehen, eine entsprechende Übsersicht finden Sie in Tabelle 1.3.

Der Oberbegriff für diese Verschiedenartigkeit lautet Taktizität. Eine andere Bezeichnung dafür lautet Stereoregularität.

Das Wort Taktizität kommt aus dem Altgriechischen. Taxis heißt wörtlich übersetzt Anordnung. Der Takt in der Überschrift hat damit nichts zu tun, der kommt aus dem Lateinischen und bezeichnet wörtlich übersetzt den Gefühlssinn.

Bei manchen Kunststoffen, beispielsweise Polypropylen und auch Polystyrol, können alle drei Formen auftreten. Und sie haben großen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Bei anderen Kunststoffen existiert nur eine der drei Formen.

Bild + Bezeichnung

Beschreibung

Ataktisch

Die Seitengruppen sind zufällig verteilt

Isotaktisch

Die Seitengruppen liegen alle auf einer Seite der Hauptkette

Syndiotaktisch

Die Seitengruppen liegen schön abwechselnd an beiden Seiten der Hauptkette an

Tabelle 1.3: Übersicht Taktizität

Was uns die Taktizität sagt

Die Taktizität haben die Polymerchemiker nicht einfach definiert, damit sie etwa eine Laune der Natur beschreiben könnten. Zum einen kann die Taktizität über die Wahl der Katalysatoren bei der Polymerisation beeinflusst werden. Zum anderen hat sie erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers. Je gleichmäßiger die Seitengruppen verteilt sind, desto eher wird das Polymer teilkristallin. Ansonsten wird es amorph. Zur Teilkristallinität beziehungsweise Amorphität mehr unter Punkt »Amorphität und Teilkristallinität«, hier ist erst mal nur wichtig zu wissen, dass in den kristallinen Bereichen die Bindungskräfte zwischen den Polymerketten stärker wirken als in den amorphen Bereichen. Polymere mit ataktischen Seitengruppen sind praktisch immer amorph. Das hat zur Folge, dass diese Polymere weicher und elastischer sind und bereits bei niedrigeren Temperaturen beginnen zu fließen als teilkristalline Polymere. Außerdem sind sie in der Regel transparent.

Was es mit syndiotaktischen und isotaktischen Polymeren auf sich hat

Syndiotaktische und isotaktische Polymere sind härter, steifer, aber auch spröder und werden erst bei höheren Temperaturen fließfähig, im Gegensatz zu den ataktischen. Sie halten aber auch eine höhere Gebrauchstemperatur aus. Also sollte die Polymerchemie zusehen, dass möglichst alle Polymere syndio- oder isotaktisch sind? Nein, denn auch hier gibt es ein Zuviel des Guten. Beispielsweise braucht rein isotaktisches Polystyrol zu lange zum Kristallisieren. Von daher wäre es für eine industrielle Verwertung nicht zu gebrauchen.

Im Gegensatz dazu kann Polypropylen nur in isotaktischer Form technisch verwertet werden. Nur in dieser Form bildet es einen stabilen Kunststoff. Da ein möglichst hoher Anteil an isotaktischen Polymerketten somit ein Merkmal hoher Qualität bei diesem Kunststofftyp ist, hat die Kunststoffindustrie extra den sogenannten Isotaxie-Index definiert. Dieser ist genormt in DIN 16774. Zur Bestimmung dieses Index wird Polypropylen in Heptan oder Xylol gekocht, dann wird gemessen, wieviel herausgelöst worden ist. Da isotaktisches Polypropylen unlöslich in diesen Flüssigkeiten ist, kann ja nur das ataktische Polypropylen herausgelöst worden sein. Der Index berechnet sich dann folgendermaßen:

Formel 1.1: Berechnung Isotaxie-Index

Mit:

XC = Isotaxie-Index

mges = Gesamtmasse der Probe

matakt = Masse des herausgelösten (=ataktischen) Anteils

Zu den verzweigten Polymeren mit aufgepfropften Seitenketten ist noch zu erwähnen, dass auch so viele Seitenketten aufgepfropft sein können, dass sich diese nicht mehr an die Hauptkette anlegen können, sondern sich von dieser wegstrecken müssen. Diese Form wird anschaulich Polymerbürste genannt.

Ich fasse zusammen. Handelt es sich bei den seitlichen Anhängseln an einer Hauptkette um Seiten-GRUPPEN dann spricht man von Taktizität, um die Art und Weise, wie diese Gruppen angeordnet sind, zu unterscheiden. Handelt es sich bei den Anhängseln um Seiten-KETTEN so spricht man von Verzweigungen.

Was die Welt im Innersten zusammenhält

Jetzt sind also aus den Einzelmolekülen diese elend langen Polymerketten chemisch zusammengebaut worden. Aber was hält diese Ketten untereinander fest? Spaghetti flutschen doch auch aneinander vorbei? Ja, solange sie nicht anfangen, trocken zu werden und miteinander zu verkleben…

Die Wärme machts

So ähnlich ist es auch mit den Polymeren. Da gibt es zunächst mal ganz schwache Bindungskräfte von den Monomeren der einen Kette rüber zu denen einer anderen Kette. Diese werden fachsprachlich Van-der-Waals-Kräfte genannt. Derartige »Klebe«-Verbindungen können relativ leicht mittels Zufuhr von Wärmeenergie gelöst werden, also durch Erhitzen. Das Material wird flüssig. Wenn anschließend die aufgenommene Wärmeenergie wieder abgegeben wird, können diese Bindungskräfte die Polymerketten wieder zusammenhalten. Das Material erstarrt wieder. Weil dieser Typ Polymer unter Zufuhr thermischer Energie plastisch verformbar wird, nennt man ihn Thermoplast.

Härtere Verbindungen

Dann gibt es Polymerketten, deren Monomere sich über kleine Molekülbrücken chemisch miteinander verbinden. Meistens muss die Substanz, die diese Brücken bildet, extra untergemischt werden. Es bildet sich ein festes, hartes Netzwerk (siehe Abbildung 1.4).

Abbildung 1.4: Duromer, schematisch

Das lateinische Wort für »hart« lautet »durum«. Somit erhielt dieser Typ Polymer den Namen Duroplast, in Analogie zur Bezeichnung Thermoplast. Bei diesem Polymertyp ist aber nichts mehr plastisch. Nachdem sich diese Brücken gebildet haben, kann dieses Material nicht mehr aufgeschmolzen werden. Um das in der Bezeichnung zu berücksichtigen, wird dieser Polymer auch Duromer genannt.

Ganz elastisch

Mit dem Vernetzen verhält es sich aber nicht so digital, entweder vernetzt = hart oder nicht vernetzt = weich. Das Ausmaß der Vernetzung kann in einem weiten Bereich kontinuierlich eingestellt werden. Wenn die Polymerketten nur weitmaschig miteinander vernetzt werden, dann können sich diese untereinander noch sehr wohl bewegen (siehe Abbildung 1.5).

Abbildung 1.5: Elastomer, schematisch

Und da sind wir beim Elastomer. In Analogie zum Duromer. Oder einfach auf Deutsch Gummi. Und das ist eine eigene Welt, beziehungsweise genug Stoff für ein eigenes Buch…

Auch beim Gummi lassen sich die Vernetzungen, wenn sie einmal gebildet worden sind, nicht mehr lösen. Außerdem geht das mit dem Vernetzen nicht so schnell wie mit dem Erstarren bei den Thermoplasten. Und weil diese beiden Merkmale äußerst unpraktisch sind, haben sich die Makro-Chemiker Copolymere einfallen lassen, die aus elastischen, gummiartigen Abschnitten und thermoplastischen Abschnitten bestehen. Die thermoplastischen Abschnitte sorgen für den Zusammenhalt, wie bei den reinen Thermoplasten, die elastischen Abschnitte sorgen für die gummiartige Elastizität. Diese Art Werkstoffe lässt sich im erwärmten Zustand verformen und ist im abgekühlten Zustand elastisch. Also war es naheliegend, diesem Werkstofftyp die Bezeichnung thermoplastisches Elastomer zu geben. Dies wäre ebenfalls genug Stoff für ein weiteres Buch.

Hier noch mal aufgelistet alle vier Strukturformen von Polymeren, zusammen mit der Art der inneren Bindung:

Strukturform

Innere Bindung

Thermoplast (Plastomer)

Intermolekulare Kräfte

Duromer (Duroplast)

Viele kovalente Vernetzungsstellen

Elastomer (Gummi)

Wenige kovalente Vernetzungsstellen

Thermoplastisches Elastomer

Intermolekulare Kräfte

Tabelle 1.4: Strukturformen von Polymeren

Auch die DIN 7724 teilt die Polymere in diese vier Gruppen ein, allerdings auf Basis der Temperaturabhängigkeit ihres mechanischen Verhaltens. Über die Norm hinaus werden innerhalb einer Gruppe verschiedene Sorten unterschieden, zum Beispiel die Sorte der Polyolefine. Und innerhalb einer Sorte werden noch verschiedene Typen unterschieden. Beim Beispiel Polyolefine sind dies Polyethylen und Polypropylen.

Amorphität und Teilkristallinität

Ordnung ist nur das halbe Leben

Im Unterpunkt »Eine Frage des Taktes« habe ich geschrieben, das Polymere teilkristallin sein können. Das hat Sie vielleicht ebenso stutzig gemacht wie mich, als ich das erste Mal von teilkristallinen Kunststoffen hörte. Bis dato waren Kristalle für mich diese schönen, bunten Steine. Auf jeden Fall sind doch Kristalle hart und Kunststoffe im Vergleich dazu weich?

In der Chemie hat das Wort Kristall eine andere Bedeutung als in der Umgangssprache. Alle Stoffe, deren Moleküle (oder Ionen oder Atome) in einer gleichmäßigen, sich wiederholenden Struktur angeordnet sind, sind für den Chemiker Kristalle. Da sich diese Struktur über das gesamte Material wiederholt, wird auch gesagt, im Material liegt eine Fernordnung vor.

Im Gegensatz dazu besagt Nahordnung, dass nur nahe um die einzelnen Moleküle (Ionen, Atome) herum, das heißt nur bis zum nächsten Nachbarn, eine Struktur erkennbar ist. Solche Stoffe werden amorphe Stoffe genannt.

In Thermoplasten halten die schwachen Van-der-Waals-Kräfte die Polymerketten aneinander. Diese Kräfte wirken aber nicht punktuell oder abschnittsweise, sondern entlang der gesamten Kette. Wenn zwei Ketten erst mal an einer Stelle über diese Kräfte verbunden sind, dann können sie sich weiter zusammenschließen, ähnlich wie die beiden Zahnreihen eines Reißverschlusses. Und wenn erst mal ein Doppelstrang vorliegt, werden sich diesem weitere Polymerketten dazu gesellen. Die besagte Fernordnung über mehrere Moleküle hinweg entsteht. Das Polymer kristallisiert.

Nur Thermoplaste können amorph oder teilkristallin sein. In Duromeren und Elastomeren sind die Ketten über die Vernetzungsstellen miteinander verbunden und die noch freien Abschnitte erzwungenermaßen immer amorph. Die Van-der-Waals-Kräfte sind viel zu schwach, um da noch etwas auszurichten (im doppelten Wortsinn). Die Materialeigenschaften dieser beiden Polymertypen werden maßgeblich vom Vernetzungsgrad geprägt.

Das Wort Kristall kommt aus dem Griechischen. »Krystallos« heißt auf Deutsch Eis. Die alten Griechen haben Quarz-Kristalle für Brocken aus Eis gehalten, das bei so tiefen Temperaturen gefroren ist, dass es nicht mehr schmelzen kann.

Amorphe Thermoplaste

Auch das Wort amorph kommt aus dem Altgriechischen, »morphos« bezeichnet die Gestalt und das »a« davor ist eine Negation. Also bedeutet »ámorphos« wörtlich übersetzt gestaltlos.

Viele Verzweigungen hindern die Polymerketten daran, sich zu ordnen. Es kann sich kein regelmäßiges Muster bilden (siehe Abbildung 1.6). Nur eine Nahordnung ist erkennbar, aber keine Fernordnung.

Abbildung 1.6: Amorpher Thermoplast, schematisch

Dieses Durcheinander bewirkt eine geringe Packungsdichte, deswegen haben die amorphen Bereiche ein geringeres spezifisches Gewicht als die teilkristallinen. Hier als Beispiel die Dichtewerte von Polyethylen in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad:

Polymerart

Kristallisationsgrad in %

Dichte in g/cm3

Polyethylen LLD

10 bis 50

0,87 bis 0,94

Polyethylen LD

40 bis 50

0,915 bis 0,935

Polyethylen HD

60 bis 80

0,94 bis 0,97

Tabelle 1.5: Dichte in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad

Beim Erwärmen von amorphen Thermoplasten findet kein Phasenübergang statt. Das Material wird einfach immer weicher, bis es flüssig ist (siehe Abbildung 1.7).

Ab Übergangsbereich nimmt die Temperatur mit zugeführter Wärme nicht mehr so stark zu wie vorher. Siehe dazu auch den Unterpunkt »Glasübergangstemperatur« in Kapitel 9, »Thermische Eigenschaften«.

Amorphe Thermoplaste sind in der Regel durchsichtig. Sie sind nur mäßig beständig gegenüber Chemikalien. Aber unterhalb des Glasübergangs sind sie sehr hart und fest. Somit bieten sie eine gute Dimensions-Stabilität und verziehen sich nur wenig.

Viel mehr gibt es nicht zu sagen. Der Bereich der amorphen Thermoplaste ist überschaubar. In der Hauptsache können nur Thermoplaste mit ataktischen Seitengruppen amorph sein. Hier ein paar Beispiele: Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polystyrol (PS), beide durchsichtig. Des Weiteren gibt es Thermoplaste, deren Moleküle derart komplex sind, dass sie nicht kristallisieren können. Ein Beispiel hierfür ist Polycarbonat (PC), ebenfalls durchsichtig. Auch Polymere mit stark verzweigten Seitenketten sind immer amorph. Ein Beispiel hierfür ist Silikon.

Abbildung 1.7: Temperaturverlauf über zugeführte Wärme bei amorphen Thermoplasten

Teilkristalline Thermoplaste

Haben die Polymerketten nur wenig bis gar keine Seitengruppen, welche zudem noch regelmäßig angeordnet sind, dann können sie sich, zumindest abschnittsweise, aneinander ausrichten, wie Abbildung 1.8 veranschaulicht.

Abbildung 1.8: teilkristalliner Thermoplast, schematisch

Die Abschnitte, die aneinander liegen, müssen nicht von verschiedenen Polymerketten stammen. Es kann sich auch eine Polymerkette so schön ordentlich zusammenfalten. Sie können es, aber warum machen sie es auch? Die Ketten könnten ja weiterhin ungeordnet verknäuelt bleiben.

Je dichter die Monomere aneinander liegen, desto weniger sind die Van-der-Waals-Kräfte zwischen ihnen »gespannt«. Deswegen »wollen« sich die Ketten von selber eng aneinanderlegen. Das gelingt aber nicht vollständig, weil die Polymerketten sehr lang sind. Stellen Sie sich diese nicht als Spaghetti vor, sondern besser als ein Faden-Wirrwarr. Einzelne Verschlaufungen darin lösen sich ja auch nicht von selber auf. Und diese behindern im Polymer ein weiteres Ausrichten der Ketten. Somit kristallisiert das Polymer nicht vollständig, sondern nur zum Teil. Er wird teil-kristallin. So ein parallel ausgerichteter, eng zusammenliegender Abschnitt von Polymerketten wird Kristallit genannt. Er ist typischerweise zwischen fünfzehn bis einhundert Nanometer groß. Zwischen den Kristalliten bleiben weiterhin ungeordnete, amorphe Bereiche erhalten.

Wie entstehen die Kristallite?

Jedes Kristallit-Wachstum benötigt einen Kristallisationskeim als Ursprung. Und welche Stoffe taugen als Keim für eine Kristallisation?

Kristallite können sich bilden, wenn schon ein paar Ketten zufällig passend zueinander liegen. Solange das Material geschmolzen ist, muss so ein Keim aber eine gewisse Größe haben, damit er nicht aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle sofort wieder zerfällt.

Kristallite bilden sich aber auch an Fremdkörpern in der Schmelze. Diese Fremdkörper können sein:

Verunreinigungen,

eingemischte Farbstoffe,

weitere Zuschlagstoffe,

absichtlich hinzugefügte Nukleierungsmittel.

Beliebte, weil erfolgreiche Nukleierungsmittel, sind Metallsalze von organischen Säuren.

Bleibt es bei den Kristalliten oder kommt noch mehr?

An die Kristallite legen sich weitere Polymerketten-Schleifen an. Es entsteht ein langes Band, welches aufgrund der eng zusammenliegenden Schleifen aussieht wie eine Lamelle und dementsprechend so benannt wird.

Ein Keim ist ja nicht mit der Bildung einer Lamelle vollauf beschäftigt. Vielmehr wachsen von diesem Keim aus strahlenförmig, radial ringsum Lamellen. Wie die Speichen eines Rades. Es bildet sich ein sogenannter Sphärolith (siehe Abbildung 1.9).

Abbildung 1.9: Sphärolith, schematisch

Wieder ein alter Grieche. Das Wort »Sphärolith« setzt sich zusammen aus dem altgriechischen »Sphaira« für Kugel und »lithos«, auf Deutsch Stein. Noch eine Info: Ein Sphärolith ist kein Kristall mehr. Er ist »nur« noch eine Anhäufung, ein Aggregat von kleinen kristallinen Bereichen.

Sogar innerhalb eines Sphäroliths bleiben einige Bereiche amorph. Somit bleibt das Material weiterhin nur teil-kristallin, auch wenn die Probe ausschließlich aus Sphärolithen besteht.

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit

Weiter vorne hieß es, Kristallite bilden sich auch von selber an zufällig passend zueinander liegenden Kettenabschnitten. Welche aber in der Schmelze sofort wieder zerfallen, wenn dieser Keim nicht groß genug ist. Daraus folgt: bei schnellem Abkühlen bilden sich viele kleine Sphärolithe. Bei langsamem Abkühlen bilden sich wenige große Sphärolithe. Dadurch wird das Material aber brüchig und spröde. In der Regel will man ein gleichmäßiges, festes Gefüge haben. Das wird erreicht durch viele kleine Sphärolithe. Und eben um das zu erreichen, ohne sich mit der Abkühlgeschwindigkeit zu sehr einschränken zu müssen, mischt man das Nukleierungsmittel unter.