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Das Buch „Kunststofftechnik leicht gemacht“ ist praxisorientiert, leicht verständlich und enthält viele Beispiele aus dem täglichen Leben. Es richtet sich an Schüler der Sekundarstufe und an Studenten, kann aber auch zu Ausbildungszwecken in Industrieunternehmen oder zum Selbststudium verwendet werden. An fast 600 Farbbildern wird die Vielzahl von unterschiedlichen Kunststoffarten und verschiedenen Verfahrensabläufen anschaulich dargestellt. Das Buch enthält außerdem eine Reihe von Computer-Tools, die von der Homepage des Autors herunter geladen werden können. Die umfassende Darstellung der Eigenschaften, der Verarbeitung und der Anwendung von Kunststoffen macht das Buch zu einem vielseitigen Kunststoff-Handbuch. EXTRA: E-Book inside
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Seitenzahl: 372
Veröffentlichungsjahr: 2016
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Ulf Bruder
Kunststofftechnik leicht gemacht
Der Autor:
Ulf Bruder, Barkassgatan 9, SE-371 32 Karlskrona, Schweden
Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht.
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© 2016 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.de
Lektorat: Ulrike Wittmann Übersetzung: Dr.-Ing. Harald Sambale, München Herstellung: Jörg Strohbach Coverrealisierung: Stephan Rönigk
ISBN 978-3-446-44957-2 E-Book ISBN 978-3-446-44981-7 ePub ISBN 978-3-446-45222-0
Verwendete Schriften: SourceSansPro und SourceCodePro (Lizenz) CSS-Version: 1.0.1
Titelei
Impressum
Inhalt
Vorwort
1 Polymere und Kunststoffe
1.1 Duroplaste
1.2 Thermoplaste
1.3 Amorphe und teilkristalline Kunststoffe
2 Standardkunststoffe
2.1 Polyethylen (PE)
2.1.1 Einteilung
2.1.2 Eigenschaften von Polyethylen
2.1.3 Recycling
2.1.4 Anwendungsgebiete
2.2 Polypropylen (PP)
2.2.1 Eigenschaften von Polypropylen
2.2.2 Recycling
2.3 Polyvinylchlorid (PVC)
2.3.1 Eigenschaften von PVC
2.3.2 Recycling
2.4 Polystyrol (PS)
2.4.1 Einteilung
2.4.2 Eigenschaften von Polystyrol
2.4.3 Recycling
2.4.4 Anwendungsgebiete
2.5 Styrol-Acrylnitril (SAN)
2.6 Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
2.6.1 ABS Blends
2.6.2 Eigenschaften von ABS
2.6.3 Recycling
2.6.4 Anwendungsgebiete
2.7 Polymethylmethacrylat (PMMA)
2.7.1 Eigenschaften von PMMA
2.7.2 Recycling
2.7.3 Anwendungsgebiete
3 Technische Kunststoffe
3.1 Polyamid (Nylon)
3.1.1 Einteilung
3.1.2 Eigenschaften von Polyamid
3.1.3 Recycling
3.1.4 Anwendungsgebiete
3.2 POM (Polyoxymethylen)
3.2.1 Eigenschaften von POM
3.2.2 Recycling
3.2.3 Anwendungsgebiete
3.3 Polyester
3.3.1 Eigenschaften von PBT und PET
3.3.2 Recycling
3.3.3 Anwendungsgebiete
3.4 Polycarbonat
3.4.1 Eigenschaften von Polycarbonat
3.4.2 Recycling
3.4.3 Anwendungsgebiete
4 Thermoplastische Elastomere
4.1 TPE-O
4.1.1 Eigenschaften von TPE-O
4.1.2 Anwendungsbereiche
4.2 TPE-S
4.2.1 Eigenschaften von TPE-S
4.2.2 Anwendungsbereiche
4.3 TPE-V
4.3.1 Eigenschaften von TPE-V
4.3.2 Anwendungsbereiche
4.4 TPE-U
4.4.1 Eigenschaften von TPE-U
4.4.2 Anwendungsbereiche
4.5 TPE-E
4.5.1 Eigenschaften von TPE-E
4.5.2 Anwendungsbereiche
4.6 TPE-A
4.6.1 Eigenschaften von TPE-A
4.6.2 Anwendungsbereiche
5 Hochleistungspolymere
5.1 Hochleistungsthermoplaste
5.1.1 Recycling
5.2 Fluorpolymere
5.2.1 Eigenschaften von PTFE
5.2.2 Anwendungsbereiche
5.3 Hochleistungs-Polyamid ‒ PPA
5.3.1 Eigenschaften von PPA
5.3.2 Anwendungsbereiche
5.4 Flüssigkristalline Polymere ‒ LCP
5.4.1 Eigenschaften von LCP
5.4.2 Anwendungsbereiche
5.5 Polyphenylensulfid ‒ PPS
5.5.1 Eigenschaften von PPS
5.5.2 Anwendungsbereiche
5.6 Polyetheretherketon ‒ PEEK
5.6.1 Eigenschaften von PEEK
5.6.2 Anwendungsbereiche
5.7 Polyetherimid ‒ PEI
5.7.1 Eigenschaften von PEI
5.7.2 Anwendungsbereiche
5.8 Polysulfon ‒ PSU
5.8.1 Eigenschaften von PSU
5.8.2 Anwendungsbereiche
5.9 Polyphenylsulfon ‒ PPSU
5.9.1 Eigenschaften von PPSU
5.9.2 Anwendungsbereiche
6 Biokunststoffe und Biokomposite
6.1 Definition
6.1.1 Was bedeutet Biokunststoff?
6.1.2 Markt
6.1.3 Produktion und Einsatz von Biokunststoffen
6.2 Biokunststoffe
6.3 Biopolymere
6.4 Polymere auf biologischer Basis: Biopolyester
6.5 Polymere auf biologischer Basis: Biopolyamide
6.6 Biopolymere auf Basis von Mikroorganismen
6.7 Bioethanol oder Biomethanol
6.8 Biokomposite
6.9 Weitere Information zu Biokunststoffen
7 Kunststoffe und Umwelt
7.1 Kunststoff ist klimafreundlich und spart Energie
7.2 Auswirkungen der Umwelt auf Kunststoffe
7.3 Recycling von Kunststoffen
7.3.1 Kunststoff-Recycling in der EU
8 Modifizierung von Polymeren
8.1 Polymerisation
8.2 Additive
8.2.1 Steifigkeit und Zugfestigkeit
8.2.2 Oberflächenhärte
8.2.3 Verschleißfestigkeit
8.2.4 Zähigkeit
8.3 Physikalische Eigenschaften
8.3.1 Erscheinungsbild
8.3.2 Kristallinität
8.3.3 Witterungsbeständigkeit
8.3.4 Reibungsverhalten
8.3.5 Dichte
8.4 Chemische Eigenschaften
8.4.1 Barriereeigenschaften
8.4.2 Oxidationsbeständigkeit
8.4.3 Hydrolysebeständigkeit
8.5 Elektrische Eigenschaften
8.6 Thermische Eigenschaften
8.6.1 Wärmestabilisierung
8.6.2 Wärmeformbeständigkeit
8.6.3 Einstufung des Brandverhaltens
8.7 Materialpreis
9 Materialdaten und Messgrößen
9.1 Zugfestigkeit und Steifigkeit
9.2 Schlagzähigkeit
9.3 Maximale Einsatztemperatur
9.3.1 Dauergebrauchstemperatur
9.3.2 Wärmeformbeständigkeit
9.4 Prüfung des Brandverhaltens
9.4.1 Brennbarkeitsklasse HB
9.4.2 Brennbarkeitsklasse V
9.5 Elektrische Eigenschaften
9.6 Fließeigenschaften: Schmelzindex
9.7 Schwindung
10 Materialdatenbanken im Internet
10.1 CAMPUS
10.1.1 Eigenschaften von CAMPUS 5.2
10.2 Material Data Center
10.2.1 Eigenschaften des Material Data Center
10.3 Prospector Plastics Database
10.3.1 Eigenschaften der Prospector Plastics Database
11 Prüfverfahren für Kunststoff-Rohstoffe und Formteile
11.1 Qualitätskontrolle bei der Herstellung des Rohstoffs
11.2 Visuelle Qualitätskontrolle von Kunststoffgranulaten
11.3 Visuelle Prüfung von Kunststoffteilen
11.4 Prüfungen, die der Spritzgießer durchführen kann
11.5 Spezielle Prüfverfahren
12 Spritzgießverfahren
12.1 Geschichte
12.2 Eigenschaften
12.2.1 Einschränkungen
12.3 Die Spritzgießmaschine
12.3.1 Einspritzeinheit
12.3.2 Schließeinheit
12.3.3 Spritzgießzyklus
12.4 Alternative Spritzgießverfahren
12.4.1 Mehrkomponenten-Spritzgießen
12.4.2 Gas- oder Wasser-Injektion
13 Nachbearbeitungsverfahren
13.1 Oberflächenbehandlung von Formteilen
13.1.1 Bedrucken
13.1.2 Heißprägen
13.1.3 Tampondruck
13.1.4 Siebdruck
13.1.5 IMD: In-Mould-Dekorieren
13.1.6 Lasermarkierung
13.1.7 Lackierung
13.1.8 Metallisierung/Verchromung
14 Verschiedene Bauarten von Werkzeugen
14.1 Zweiplattenwerkzeuge
14.2 Dreiplattenwerkzeuge
14.3 Schieberwerkzeuge
14.4 Werkzeuge mit rotierenden Kernen
14.5 Etagenwerkzeuge
14.6 Werkzeuge mit Auswerfern an der festen Werkzeughälfte
14.7 Familienwerkzeuge
14.8 Mehrkomponenten-Werkzeuge
14.9 Werkzeuge mit Schmelzkernen
15 Aufbau von Werkzeugen
15.1 Die Aufgaben des Werkzeugs
15.2 Angusssysteme ‒ Kaltkanal
15.3 Angusssysteme ‒ Heißkanal
15.4 Pfropfenfänger/Angusszieher
15.5 Temperier- und Kühlsysteme
15.6 Belüftungssyteme
15.7 Auswerfersysteme
15.8 Entformungsschrägen
16 Werkzeuggestaltung und Produktqualität
16.1 Durch das Werkzeug verursachte Probleme
16.1.1 Zu schwache Werkzeugplatten
16.1.2 Fehlerhafte Auslegung von Anguss und Düse
16.1.3 Fehlerhafte Auslegung der Angusskanäle
16.1.4 Fehlerhafte Auslegung bzw. Positionierung oder Fehlen des Pfropfenfängers
16.1.5 Fehlerhafte Auslegung des Anschnitts
16.1.6 Fehlerhafte Entlüftung
16.1.7 Fehlerhafte Regelung der Werkzeugtemperatur
17 Prototypenwerkzeuge und Analyse des Füllvorgangs
17.1 Prototypenwerkzeuge
17.2 Analyse des Füllvorgangs
17.2.1 Analyse des Füllvorgangs
17.3 Arbeitsablauf
17.3.1 Gitternetzmodell
17.3.2 Werkstoffauswahl
17.3.3 Verfahrensparameter
17.3.4 Auswahl des Anschnittpunkts
17.3.5 Simulation
17.3.6 Ergebnisse der Simulation
17.3.7 Füllverlauf
17.3.8 Druckverteilung
17.3.9 Schließkraft
17.3.10 Kühlzeit
17.3.11 Temperaturregelung
17.3.12 Schwindung und Verzug
17.3.13 Glasfaserorientierung
17.3.14 Analyse des Verzugs
17.3.15 Position des Anschnitts
17.3.16 Materialwechsel
17.3.17 Simulations-Software
18 Rapid Prototyping und Additive Fertigungsverfahren
18.1 Prototypen
18.2 Rapid Prototyping (RP)
18.2.1 SLA ‒ Stereolithographie
18.2.2 SLS ‒ Selektives Laser Sintern
18.2.3 FDM ‒ Fused Deposition Modeling
18.2.4 3D-Drucken
18.2.5 3D-Drucker
18.2.6 PolyJet
18.3 Generative Fertigung (Additive Manufacturing)
19 Kostenberechnungen für Formteile
19.1 Berechnung der Bauteilkosten
19.2 Szenarien Bauteilkosten
19.3 Kostenvergleich
20 Extrusion
20.1 Der Extrusionsprozess
20.1.1 Vorteile (+) und Grenzen (−)
20.2 Materialien für die Extrusion
20.3 Die Auslegung des Extruders
20.3.1 Der Zylinder
20.3.2 Einschneckenextruder
20.3.3 Barriereschnecken
20.3.4 Parallele Doppelschneckenextruder
20.3.5 Konische Doppelschneckenextruder
20.3.6 Rotationsrichtung
20.3.7 Vergleich von Einschnecken- und Doppelschneckenextrudern
20.3.8 Werkzeug/Düse
20.3.9 Kalibrierung
20.3.10 Korrugatoren
20.3.11 Kühlung
20.3.12 Abzug
20.3.13 Kennzeichnung
20.3.14 Nachbearbeitung
20.3.15 Trennen
20.3.16 Wickeln
20.4 Extrusionsverfahren
20.4.1 Extrusion mit geradem Werkzeug
20.4.2 Extrusion mit Umlenk-Werkzeug
20.4.3 Extrusion von Platten
20.4.4 Coextrusion
20.4.5 Folienblasen
20.4.6 Kabelherstellung
20.4.7 Monofilamente
20.4.8 Compoundierung
20.5 Gestaltung von extrudierten Produkten
20.5.1 Verrippung, Versteifung
20.5.2 Hohlräume
20.5.3 Dichtlippe
20.5.4 Scharnier
20.5.5 Führungen
20.5.6 Gleitverbindung
20.5.7 Schnappverbindung
20.5.8 Balg
20.5.9 Insert/Verstärkung
20.5.10 Reibung an der Oberfläche
20.5.11 Bedrucken/Stempeln
20.5.12 Dekoration der Oberfläche
20.5.13 Seitliche Löcher
20.5.14 Unregelmäßige Löcher
20.5.15 Korrugatoren
20.5.16 Spiralisierung
20.5.17 Schäumen
20.5.18 Extrudierte Schraubenlöcher
20.5.19 Muffen und Heizelementschweißen
21 Alternative Verarbeitungsmethoden für Thermoplaste
21.1 Blasformen
21.2 Rotationsformen
21.3 Vakuumformen
22 Vorgehensweise bei der Materialauswahl
22.1 Wie wählen Sie das richtige Material für Ihr Entwicklungsprojekt?
22.2 Entwicklungskooperation
22.3 Festlegung des Anforderungsprofils
22.4 Muss-Anforderungen
22.5 Kann-Anforderungen
22.6 Erstellung einer detaillierten Kostenanalyse
22.7 Erstellung eines aussagekräftigen Prüfprogramms
23 Anforderungen und Spezifikation von Kunststoffprodukten
23.1 Hintergrundinformationen
23.2 Losgröße
23.3 Formteilgröße
23.4 Toleranzanforderungen
23.5 Gestaltung des Formteils
23.6 Montage-Anforderungen
23.7 Mechanische Belastung
23.8 Chemische Beständigkeit
23.9 Elektrische Eigenschaften
23.10 Umweltauswirkungen
23.11 Farbe
23.12 Oberflächeneigenschaften
23.13 Sonstige Eigenschaften
23.14 Gesetzliche Anforderungen
23.15 Anforderungen des Recyclings
23.16 Kostenanforderungen
23.17 Anforderungsprofil: Checkliste
23.17.1 Hintergrundinformation
23.17.2 Batchgröße
23.17.3 Formteilgröße
23.17.4 Toleranzanforderungen
23.17.5 Formteilgestaltung
23.17.6 Montage-Anforderungen
23.17.7 Mechanische Belastung
23.17.8 Chemische Beständigkeit
23.17.9 Elektrische Eigenschaften
23.17.10 Umweltauswirkungen
23.17.11 Farbe
23.17.12 Oberflächeneigenschaften
23.17.13 Sonstige Eigenschaften
23.17.14 Gesetzliche Anforderungen
23.17.15 Recycling
23.17.16 Kosten
24 Konstruktionsregeln für thermoplastische Formteile
24.1 Regel 1: Kunststoffe sind keine Metalle
24.2 Regel 2: Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften von Kunststoffen
24.2.1 Anisotropes Verhalten
24.2.2 Temperaturabhängiges Verhalten
24.2.3 Zeitabhängige Spannungs-Dehnungs-Kurve
24.2.4 Geschwindigkeitsabhängige Eigenschaften
24.2.5 Umweltabhängige Eigenschaften
24.2.6 Einfache Bauteilauslegung
24.2.7 Einfache Einfärbung
24.2.8 Einfache Montage
24.2.9 Recycling
24.3 Regel 3: Konstruieren im Hinblick auf das zukünftige Recycling
24.3.1 Zerlegung
24.3.2 Wiederverwendete Materialien
24.3.3 Kennzeichnung
24.3.4 Reinigung
24.4 Regel 4: Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil
24.5 Regel 5: Einhaltung einer gleichmäßigen Wanddicke
24.6 Regel 6: Vermeidung von scharfen Kanten
24.7 Regel 7: Verwendung von Rippen zur Erhöhung der Steifigkeit
24.7.1 Einschränkungen bei der Gestaltung von Rippen
24.7.2 Materialsparende Konstruktion
24.7.3 Vermeidung von Einfallstellen bei Rippen
24.8 Regel 8: Sorgfältige Positionierung und Dimensionierung des Anschnitts
24.8.1 Bindenähte
24.9 Regel 9: Vermeiden von engen Toleranzen
24.10 Regel 10: Auswahl eines geeigneten Montageverfahrens
25 Verbindungstechniken für Thermoplaste
25.1 Verbindungstechniken, die die Demontage erleichtern
25.2 Integrierte Schnappverbindungen
25.3 Dauerhafte Verbindungstechniken
25.4 Ultraschallschweißen
25.5 Vibrationsschweißen
25.6 Rotationsschweißen
25.7 Heizelementschweißen
25.8 Infrarotschweißen
25.9 Laserschweißen
25.10 Nieten
25.11 Kleben
26 Der Spritzgießprozess
26.1 Analyse des Spritzgießprozesses
26.2 Kontaktangaben
26.3 Informationsbereich
26.4 Materialinformation
26.5 Angaben zur Maschine
26.6 Angaben zum Werkzeug
26.7 Trocknung
26.8 Angaben zur Verarbeitung
26.9 Temperaturen
26.10 Druck, Einspritzgeschwindigkeit und Schneckendrehzahl
26.11 Nachdruck
26.12 Einspritzphase
26.13 Schneckendrehzahl
26.14 Zeit- und Wegeinstellungen
27 Prozessparameter für das Spritzgießen
28 Problemlösung und Qualitätsmanagement
28.1 Höhere Qualitätsansprüche
28.2 Analytische Fehlerbehebung
28.2.1 Definition des Problems
28.2.2 Definition der Abweichung
28.3 Eingrenzung eines Problems
28.3.1 Einteilung von Problemen
28.3.2 Problemanalyse
28.3.3 Brainstorming
28.3.4 Überprüfung der Ursachen
28.3.5 Planung der zu ergreifenden Maßnahmen
28.4 Statistische Versuchsplanung (Statistical Design of Experiments ‒ DOE)
28.4.1 Faktorielle Versuchsplanung
28.5 Fehler- Möglichkeits- und Einflussanalyse ‒ FMEA
28.5.1 Allgemeine Konzepte der FMEA
29 Fehlersuche ‒ Ursachen und Auswirkungen
29.1 Probleme beim Spritzgießen
29.2 Füllgrad
29.2.1 Teilfüllungen ‒ Das Formteil ist nicht vollständig gefüllt
29.2.2 Gratbildung
29.2.3 Einfallstellen
29.2.4 Hohlräume oder Poren
29.3 Oberflächenfehler
29.3.1 Brandflecken
29.3.2 Spliss oder Silberschlieren (auf der gesamten Oberfläche)
29.3.3 Farbschlieren ‒ Schlechte Farbverteilung
29.3.4 Farbschlieren ‒ Ungünstige Pigmentorientierung
29.3.5 Oberflächenglanz ‒ Matte und glänzende Oberflächenabweichungen
29.3.6 Oberflächenglanz ‒ Corona-Effekt
29.3.7 Spliss, Streifen und Blasen
29.3.8 Glasfaserschlieren
29.3.9 Bindenähte
29.3.10 Freistrahlbildung
29.3.11 Delaminierung
29.3.12 Schallplattenrillen (Orangenschalenhauteffekt)
29.3.13 Kalter Pfropfen
29.3.14 Auswerfermarkierungen
29.3.15 Ölflecken ‒ braune oder schwarze Stippen
29.3.16 Wasserflecken
29.4 Geringe mechanische Festigkeit
29.4.1 Blasen oder Hohlräume im Inneren des Formteils
29.4.2 Risse
29.4.3 Unaufgeschmolzenes Material
29.4.4 Versprödung
29.4.5 Rissbildung
29.4.6 Probleme mit Mahlgut
29.5 Probleme mit der Maßhaltigkeit
29.5.1 Fehlerhafte Schwindung
29.5.2 Unrealistische Toleranzen
29.5.3 Verzug
29.6 Produktionsprobleme
29.6.1 Formteil haftet in der Kavität
29.6.2 Formteil haftet auf dem Kern
29.6.3 Formteil haftet an den Auswerferstiften
29.6.4 Anguss haftet im Werkzeug
29.6.5 Fadenbildung
30 Statistische Prozesskontrolle (SPC)
30.1 Warum SPC?
30.2 Begriffe der SPC
30.2.1 Normalverteilung (Gauß-Verteilung)
30.3 Standardabweichungen
30.3.1 Einfache Standardabweichung
30.3.2 Sechsfache Standardabweichung (Six Sigma)
30.3.3 Regelgrenzen
30.3.4 Zielwert
30.3.5 Zielwert Zentrierung (Target Value Centering, TC)
30.3.6 Maschinenfähigkeit (Cm)
30.3.7 Maschinenfähigkeitsindex (CmK)
30.3.8 Prozessfähigkeit (Cp)
30.3.9 Prozessfähigkeitsindex (Cpk)
30.3.10 Sechs wichtige Faktoren
30.3.11 Maschinenfähigkeit
30.3.12 Prozessfähigkeit
30.4 Anwendung der SPC in der Praxis
30.4.1 Software
30.4.2 Prozessdatenüberwachung
31 Internetadressen
Seit vielen Jahren hatte ich die Idee, ein Buch über Spritzgießen zu schreiben, da ich mich mehr als 45 Jahre meines Berufslebens mit diesem Thema beschäftigt habe.
Als ich im Jahr 2009 in den Ruhestand trat, erhielt ich große Unterstützung durch meine Freunde Katarina Elner-Haglund und Peter Schulz vom schwedischen Kunststoff-Magazin Plastforum. Sie baten mich, eine Reihe von Artikeln über Thermoplaste und deren Verarbeitung für diese Zeitschrift zu schreiben.
Zu dieser Zeit war ich auch an Ausbildungsprogrammen an der Lund University of Technology, der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm und bei einer Reihe von Industrieunternehmen in Schweden beteiligt. Im Rahmen dieser Tätigkeiten entstand dieses Buch.
Mein Ziel lag darin, so zu schreiben, dass jeder das Buch verstehen kann, unabhängig von seinem Vorwissen über Kunststoffe. Das Buch verfolgt einen praktischen Ansatz mit seinen zahlreichen Bildern und kann sowohl an Universitäten und in weiterführenden Schulen als auch in der betrieblichen Ausbildung und zum Selbststudium verwendet werden. In einigen Kapiteln gibt es Hinweise auf Excel-Arbeitsblätter, die von meiner Website kostenlos heruntergeladen werden können: www.brucon.se.
Zusätzlich zu den oben genannten Personen geht mein herzlicher Dank an meine Frau Ingelöv, die große Geduld aufbrachte, wenn ich völlig in der „wunderbaren Welt der Kunststoffe“ verschwand und das Buch anschließend Korrektur gelesen hat; sowie an meinen Bruder Hans-Peter, der unzählige Stunden mit der Feinabstimmung der Bilder usw. verbracht hat; und an meinen Schwiegersohn Stefan Bruder, der den Inhalt des Buches geprüft hat und zahlreiche wertvolle Kommentare eingebracht hat.
Ich möchte auch meinem früheren Arbeitgeber DuPont Performance Polymers danken und vor allem meinen Freunden und ehemaligen Managern Björn Hedlund und Stewart Daykin, die mich bei meiner Karriere als Trainer förderten, bis ich mein Ziel und Traumjob des „Leiters der globalen technischen Ausbildung“ erreicht hatte. Sie haben ebenfalls mit vielen Informationen und zahlreichen wertvollen Bilder in diesem Buch beigetragen.
Ich möchte mich auch herzlich bei meinen Freunden und Geschäftspartnern bei allen Ausbildungsprogrammen in den letzten Jahren bedanken, die mich unterstützt haben und vielen wertvolle Anmerkungen, Informationen und Bilder zu diesem Buch beigetragen haben. Die vollständige Liste wäre sehr lang, aber einige von ihnen sind in Kapitel 31 in diesem Buch zu finden.
Ulf Bruder Karlskrona, Schweden, Juni 2016
Manchmal stellt sich die Frage: Was ist eigentlich der Unterschied zwischen dem Begriff Polymer und dem Begriff Kunststoff? Das Wort „Polymer“ kommt aus dem Griechischen ‒ „Poly“ bedeutet viele, und „Meros“ bedeutet Teil. Der Begriff Polymer benennt also die Gruppe aller Stoffe, die aus vielen sich wiederholenden Grundbausteinen (Monomere) bestehen, Polymere sind organische Makromoleküle. Die Reaktion die ein Polymer bildet wird Polymerisation genannt.
Polymere die mit einem zusätzlichen Stoff (Additive) zu einem Werkstoff verarbeitet wurden bezeichnet man dann als Kunststoffe. Diese Zusatzstoffe geben dem Kunststoff die gewünschten Eigenschaften: z. B. Farbigkeit, Verarbeitbarkeit, Dichte.
Kunststoffe werden in drei Gruppen eingeteilt: die Thermoplaste, die Duroplaste und die Elastomere.
(Nach: Saechtling Kunststoff Taschenbuch, 31. Auflage, Carl Hanser Verlag, 2013)
Bild 1.1 Polymere sind große Makromoleküle, in denen sich Monomermoleküle zu langen Ketten verbinden. In einer einzelnen Polymerkette können sich mehrere Tausend Monomermoleküle befinden.
Bild 1.2 Bernstein ist ein natürliches Polymer. Das Insekt in diesem Stein wurde vor mehr als 50 Millionen Jahren im Harz eines Nadelbaums eingefangen ‒ dies sollte bedacht werden, wenn die Zersetzung bestimmter Polymere in der Natur betrachtet wird.
Die meisten Polymere werden synthetisch hergestellt, aber es gibt auch natürliche Polymere wie Naturkautschuk und Bernstein, die von der Menschheit seit Tausenden von Jahren verwendet werden.
Auch Proteine, Nukleinsäuren und DNA gehören zu den natürlichen Polymeren. Cellulose, die Hauptkomponente in Holz und Papier, ist ebenfalls ein natürliches Polymer.
Mit anderen Worten, Kunststoff ist ein synthetisch hergestelltes Material aus Monomer-Molekülen, die sich zu langen Ketten verbinden. Wenn die Polymerkette nur aus einem Monomer zusammengesetzt ist, wird das Polymer als Homopolymer bezeichnet. Wenn es mehrere Arten von Monomeren in der Kette gibt, wird das Polymer Copolymer genannt.
Ein Beispiel für einen Kunststoff, der sowohl als Homopolymer als auch als Copolymer auftritt, ist Polyoxymethylen (POM). POM besteht hauptsächlich aus dem Monomer Formaldehyd. Die Bausteine (Atome) von Formaldehyd sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.
Die meisten Kunststoffmaterialien bestehen aus organischen Monomeren, aber in einigen Fällen können sie auch aus anorganischen Säuren bestehen. Ein Beispiel für ein anorganisches Polymer ist Silikonharz. Es besteht aus Polysiloxanen, wobei die Kette aus Silizium- und Sauerstoffatomen besteht.
Kohlenstoff und Wasserstoff sind die anderen dominierenden Elemente bei Kunststoffen. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Silizium (Si) bestehen Kunststoffe typischerweise aus fünf weiteren Elementen: Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P), Schwefel (S) und Chlor (Cl).
Bild 1.3 Nach diesem Schema werden in der Regel die synthetischen Polymere in Kautschuk und Kunststoff unterteilt, mit den Untergruppen Duromere und Thermoplaste. Die Thermoplaste sind wiederum in amorphe und teilkristalline Kunststoffe unterteilt.
Bild 1.4 Naturkautschuk ist ein natürliches Polymer, das der Mensch seit Tausenden von Jahren verwendet. Im Jahre 1839 erfand der Amerikaner Charles Goodyear die Vulkanisation. Bei diesem Vernetzungsprozess wird der Naturkautschuk mit Schwefel vermischt, wobei sich die Molekülketten unter Hitze und Druck vernetzen. Dieser Prozess verbessert die Eigenschaften des Kautschuks erheblich.
Mit einem reinen Polymer wird äußerst selten gearbeitet. In der Regel werden verschiedene Additive (Modifikatoren) verwendet, um die Materialeigenschaften zu beeinflussen. Zu den üblichen Additiven gehören:
Oberflächengleitmittel (leichteres Auswerfen)
Wärmestabilisatoren (verbessertes Prozessfenster)
Farbpigmente
Verstärkungsstoffe wie Glas- oder Kohlenstofffasern (höhere Steifigkeit und Festigkeit)
Schlagzähmodifikatoren
UV-Modifikatoren (z. B. zum Schutz vor UV-Licht)
Flammschutzmittel
Antistatika
Treibmittel (z. B. EPS, geschäumtes Polystyrol)
1.1 DuroplasteBei Duroplasten treten ‒ wie bei Kautschuk ‒ Bindungen zwischen den Molekülketten auf. Dies wird als „Vernetzung“ bezeichnet. Diese Querverbindungen sind so stark, dass sie bei Hitze nicht brechen ‒ daher schmilzt das Material nicht.
Bild 1.5 So genannte Zwei-Komponenten-Klebstoffe kommen häufig im Haushalt zum Einsatz. Dabei werden die beiden Komponenten miteinander gemischt, um eine chemische Vernetzungsreaktion auszulösen, bei der das Material aushärtet. Eine der Komponenten wird daher als „Härter“ bezeichnet. In diesem Fall erfolgt die Reaktion bei Atmosphärendruck und wird als Niederdruckreaktion bezeichnet.
Bild 1.6 Polyurethane können als Duroplast oder als Thermoplast auftreten. Sie können auch hart oder weich sein, wie in den hier dargestellten Schaumblöcken.
Duroplaste treten in flüssiger und in fester Form auf, in einigen Fällen können sie mit Hochdruckverfahren verarbeitet werden. Zu den gebräuchlichen Duroplasten gehören:
Phenolharze (Anwendung als Griffe für Kochtöpfe)
Melaminharze (Anwendung in Kunststoff-Laminaten)
Epoxidharze (Anwendung in Zweikomponenten-Klebstoffen)
Ungesättigte Polyesterharze (Anwendung im Bootsbau)
Vinylester (Anwendung in der Automobilkarosserie)
Polyurethan (Anwendung als Schuhsohlen und Schaum)
Viele Duroplaste verfügen über hervorragende elektrische Eigenschaften und halten hohen Einsatztemperaturen stand. Sie erreichen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, wenn sie mit Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Kevlar-Fasern verstärkt sind. Die hauptsächlichen Nachteile sind langsamere Verarbeitungsverfahren und Schwierigkeiten beim Recycling.
1.2 ThermoplasteThermoplastische Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie schmelzen, wenn sie erhitzt werden. Sie sind einfach zu verarbeiten. Zu den zahlreichen Verarbeitungsverfahren gehören beispielsweise:
Spritzgießen (das häufigste Verarbeitungsverfahren für Thermoplaste)
Blasformmaschinen (für die Herstellung von Flaschen und Hohlkörpern)
Extrusion (für Rohre, Schläuche, Profile und Kabel)
Folienblasen (z. B. für Kunststoffbeutel)
Rotationsformen (für große Hohlkörper wie Behälter, Bojen und Leitkegel)
Vakuumformen (für Verpackungen, Paneele und Dachboxen)
Bild 1.7 Viele Haushalte sortieren ihren Müll, so dass Flaschen, Taschen, Folien und andere Kunststoffprodukte recycelt werden können.
Bild 1.8 Ausrangierte thermoplastische Produkte können recycelt werden. Diese Schallschutzgitter von Polyplank AB sind dafür ein hervorragendes Beispiel. [Foto: Polyplank AB]
Thermoplaste können mehrfach wieder eingeschmolzen werden. Es ist daher wichtig, Kunststoffprodukte nach Gebrauch wiederzuverwerten. Standardkunststoffe können in der Regel bis zu sieben Mal recycelt werden, bevor die Eigenschaften zu schlecht werden. Im Falle von technischen Thermoplasten und Hochleistungskunststoffen wird in der Regel maximal 30 % Regenerat empfohlen, damit die mechanischen Eigenschaften der Neuware nicht wesentlich beeinflusst werden. Wenn Kunststoffrezyklate nicht für neue Produkte verwendet werden können, ist die energetische Verwertung durch Verbrennung oft eine geeignete Wahl. Es gibt allerdings noch eine andere Option, die als chemische Verwertung bezeichnet wird. Dieser Prozess hat sich aufgrund der hohen Kosten im Vergleich zu Neumaterial noch nicht durchgesetzt.
1.3 Amorphe und teilkristalline KunststoffeWie in Bild 1.3 dargestellt, können Thermoplaste in Abhängigkeit von der Struktur in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: amorph oder teilkristallin. Glas ist ebenfalls ein weitverbreitetes amorphes Material und Metalle haben eine kristalline Struktur. Ein amorpher Kunststoff erweicht wie Glas, wenn die Temperatur erhöht wird. Daher kann er im Thermoformen umgeformt werden.
Amorphe Materialien haben keinen exakten Schmelzpunkt ‒ stattdessen wird die sogenannte Glasübergangstemperatur (Tg) verwendet, bei der die Molekülketten beginnen, sich zu bewegen. Teilkristalline Kunststoffe erweichen nicht in der gleichen Weise ‒ stattdessen gehen sie am Schmelzpunkt (Ts) vom Feststoff zur Flüssigkeit über.
Bild 1.9 Thermoplastisches Polyester (PET) kann in amorpher (Softdrink-Flaschen) oder teilkristalliner Form (Bügeleisen) eingesetzt werden.
Bild 1.10 Die amorphe Struktur ist völlig ungeordnet, während sich die Molekülketten in teilkristallinen Kunststoffen in geordneten Schichten (Lamellen) ausrichten.
In der Regel kommen teilkristalline Kunststoffe mit erhöhten Temperaturen besser zurecht als amorphe Kunststoffe. Außerdem verfügen sie über eine bessere Dauerfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Sie sind auch unempfindlicher gegen Spannungsrissbildung. Teilkristalline Kunststoffe sind eher wie Metall und haben eine bessere Elastizität als amorphe Kunststoffe. Amorphe Kunststoffe können vollkommen transparent sein und lassen sich im Thermoformen verarbeiten. Sie zeigen im Allgemeinen weniger Schwindung und weniger Verzug als teilkristalline Kunststoffe.
Es ist wichtig, dass die Konstrukteure und Verarbeiter von Kunststoffprodukten wissen, welcher Materialtyp verwendet wird, da amorphe und teilkristalline Werkstoffe sich unterschiedlich verhalten, wenn sie erhitzt werden, und unterschiedliche Prozessparameter erfordern.
Bild 1.11 Bei Erwärmung erhöht sich das spezifische Volumen des amorphen Materials linear über und unter der Glasübergangstemperatur (Tg). Das teilkristalline Material hat ebenfalls eine Glasübergangstemperatur, da Kunststoffe nie zu 100 % kristallin sind. Im Bereich des Schmelzpunkts (Ts) erhöht sich das spezifische Volumen deutlich. Für POM liegt dies bei etwa 20 %, was die große Schwindung beim Spritzgießen erklärt. Amorphe Materialien haben keinen Schmelzpunkt und eine deutlich geringere Schwindung. Die Energie, die für eine Temperaturerhöhung um ein Grad erforderlich ist, bleibt oberhalb der Tg des amorphen Materials konstant (rechtes Bild). Das teilkristalline Material benötigt eine erhebliche höhere Energie, um den Schmelzpunkt zu erreichen ‒ die sogenannte spezifische Wärme, um das Material vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Dies führt zu Problemen beim Spritzgießen, da es einen großen Energieaufwand erfordert, wenn teilkristalliner Kunststoff in der Düse oder im Heißkanalwerkzeug erstarrt. Manchmal ist eine Lötlampe nötig, um die Propfen in der Zylinderdüse aufzuschmelzen.
Polyethylen ist ein teilkristalliner Kunststoff und wird häufig mit seiner Abkürzung PE bezeichnet. Es ist der am häufigsten genutzte Kunststoff ‒ mehr als 60 Millionen Tonnen werden jährlich weltweit produziert. Polyethylen mit niedriger Dichte (LDPE) wurde im Jahr 1939 vom britischen Chemiekonzern ICI auf dem Markt eingeführt.
Chemische Grundlagen:
Polyethylen hat eine sehr einfache Struktur und besteht nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Es gehört zu den so genannten Polyolefinen. Bei diesen Polymeren haben die Monomere eine Doppelbindung und sind sehr reaktiv. Das chemische Symbol für Ethylen, das Monomer des PE, ist C2H4 oder CH2 = CH2, dabei steht das Zeichen „=“ für die Doppelbindung. Polyethylen kann graphisch wie folgt dargestellt werden:
Bild 2.1 Die umfangreiche Verwendung als Verpackungsmaterial ist ein Grund dafür, dass PE sich zum wichtigsten Standardkunststoff entwickelt hat. Kunststoffbeutel bestehen aus LDPE.
Polyethylen kann in Abhängigkeit von der Dichte und der Verzweigung der Polymerketten in verschiedene Gruppen eingeteilt werden:
UHMWPE: PE mit ultrahohem Molekulargewicht
HDPE: PE mit hoher Dichte
MDPE: PE mit mittlerer Dichte
LLDPE: lineares PE mit niedriger Dichte
LDPE: PE mit niedriger Dichte
PEX: Vernetztes PE
Bild 2.2 Bei der Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen gibt es verschiedene Verfahren, die zu mehr oder weniger Verzweigungen an den Molekülketten führen. Weniger Seitenketten erhöhen die Kristallinität, das Molekulargewicht und die Dichte, da die Ketten dichter gepackt werden können. HDPE hat wenige oder keine Seitenketten und wird auch als lineares Polyethylen bezeichnet.
+ Geringer Materialpreis und geringe Dichte + Hervorragende chemische Beständigkeit + Geringe Feuchtigkeitsaufnahme + Für Lebensmittel zugelassene Sorten sind verfügbar + Hohe Elastizität bis unter ‒ 50 °C
+ Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit (UHMWPE) + Leicht einzufärben − Steifigkeit und Zugfestigkeit − Nicht für Temperaturen über 80 °C geeignet − Schwierig zu lackieren
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark vom Verzweigungsgrad, der Kristallinität und der Dichte ab, also vom PE-Typ.
2.1.3 RecyclingPolyethylen ist eines der am häufigsten recycelten Kunststoffmaterialien. Viele der Beutel, wie Müllbeutel oder Tragetaschen, die wir verwenden, sind aus recyceltem Polyethylen. Wenn das Recycling-Material zur Energieerzeugung verwendet wird, ist der Energiegehalt vergleichbar mit Öl.
Beim Recycling wird die folgende Codierung verwendet:
2.1.4 AnwendungsgebieteUHMWPE wird hauptsächlich durch Extrusion zu Rohren, Folien oder Platten verarbeitet.
Bild 2.3 Gleitschiene.UHMWPE hat ausgezeichnete Reibungs- und Verschleißeigenschaften. Es wird für anspruchsvolle industrielle Anwendungen wie diese Gleitschiene (weiß) für ein Förderband aus POM (grau) eingesetzt.
Bild 2.4 Mülltonnen.HDPE ist kostengünstig herzustellen und einfach zu verarbeiten, auch bei großen Formteilen.
HDPE wird zum Spritzgießen, Blasformen, Extrusion, Folienblasen und Rotationsformen verwendet.
Bild 2.5 Tiegel und Flaschen.HDPE eignet sich für das Blasformen und erfüllt die Anforderungen der Lebensmittelindustrie.
Bild 2.6 Schläuche.HDPE eignet sich für die Extrusion. Ein Wasserschlauch ist zäh und stabil, für Trinkwasser zugelassen, und er kann dem Wasserdruck über einen langen Zeitraum standhalten.
LDPE wird für das Folienblasen und die Extrusion verwendet.
Ein großer Teil des hergestellten Polyethylens wird für das Folienblasen verwendet. Wenn die Folie weich und flexibel ist, besteht sie entweder aus LDPE oder LLDPE. Wenn sie raschelt wie die kostenlosen Tüten im Supermarkt, besteht sie wahrscheinlich aus HDPE. LLDPE wird auch verwendet, um die Festigkeit von LDPE-Folien zu verbessern.
Bild 2.7 Müllsäcke.LDPE eignet sich hervorragend für das Folienblasen. Es ist das am häufigsten verwendete Material für Tüten, Kunststoffsäcke und Baufolien.
Bild 2.8 Kabelummantelungen.LDPE wird für die Extrusion von Ummantelungen für Hochspannungskabel verwendet.
PEX
Vernetztes Polyethylen wird hauptsächlich bei der Extrusion von Rohren verwendet. Die Vernetzung verbessert die Kriechbeständigkeit und die Eigenschaften bei hohen Temperaturen.
Bild 2.9 Schläuche aus PEX widerstehen hohen Temperaturen (120 °C) und Drücken. Sie werden für die Warmwasserversorgung von Spül- oder Waschmaschinen eingesetzt.
Ethylen lässt sich auch mit polaren Monomeren copolymerisieren. Dies führt zu viskosen Produkten (z. B. Schmelzkleber), Folien mit hoher Festigkeit oder schlagzähen Hartschalen (z. B. Golfbälle).
Ein verbreitetes Copolymer ist EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat). Durch Variation der Konzentration des Vinylacetats (VA) von 2,5 bis 95 % können die Eigenschaften beeinflusst werden, so dass eine Reihe von verschiedenen Materialtypen entstehen. Ein höherer VA-Gehalt erhöht die Transparenz und die Zähigkeit.
Klebstoffe, Teppichunterlagen, Kabelisolierungen, Trägermaterialien für Farbmasterbatches, Stretchfolien und Beschichtungen für Pappe und Papier sind typische EVA-Anwendungen.
2.2 Polypropylen (PP)Chemische Grundlagen:
PP hat eine einfache Struktur und besteht wie PE nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Es gehört ebenfalls zu den so genannten Polyolefinen. Polypropylen besteht aus einer Kette aus Kohlenstoffatomen, wobei jedes zweite Kohlenstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen und jedes andere mit einem Wasserstoffatom und einer Methylgruppe verbunden ist. Die Strukturformel des Monomers wird wie folgend dargestellt:
Polypropylen kann graphisch wie folgt dargestellt werden:
Polypropylen ist ein teilkristalliner Kunststoff und wird üblicherweise als PP bezeichnet. nach LDPE ist PP mengenmäßig der zweitwichtigste Kunststoff auf dem Markt.
Polypropylen wurde 1954 von den beiden Forschern Ziegler und Natta fast gleichzeitig und unabhängig voneinander entdeckt. Im Jahr 1963 erhielten sie gemeinsam den Nobelpreis.
Das italienische Chemieunternehmen Montecatini brachte das Material im Jahr 1957 erstmals auf den Markt.
Die Polymerisation von Polypropylen kann sowohl die Kristallinität als auch die Größe der Moleküle beeinflussen. Es können auch Copolymere aus Polypropylen mit anderen Monomeren (z. B. Ethylen) hergestellt werden.
In Abhängigkeit von der Polymerisationsmethode kann Polypropylen als Homopolymer, Random-Copolymer oder Block-Copolymer auftreten. Polypropylen kann auch mit Elastomeren (beispielsweise EPDM) vermischt oder mit Talkum (Kreide) gefüllt bzw. mit Glasfasern verstärkt werden. Auf diese Weise lassen sich mehr verschiedene Typen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften als mit jedem anderen Kunststoff erzeugen. Bestimmte Polypropylen-Typen können bei einer Dauertemperatur von 100 °C und bei Spitzentemperaturen von bis zu 140 °C eingesetzt werden. Daher können sie als technische Kunststoffe eingestuft werden.
2.2.1 Eigenschaften von Polypropylen+ Geringe Materialkosten und geringe Dichte + Hervorragende chemische Beständigkeit + Nimmt keine Feuchtigkeit auf + Für Lebensmittelkontakt zugelassene Typen verfügbar
+ Dauerfestigkeit − Spröde bei niedrigen Temperaturen (unmodifiziert) − Geringe UV-Beständigkeit (unmodifiziert) − Geringe Kratzfestigkeit
Bild 2.10 Behälter aus Kunststoff.Haushaltsprodukte wie Schüsseln, Aufbewahrungsbehälter, Kunststoffboxen und Eimer sind häufig aus Polypropylen hergestellt in verschiedenen Farben.
Bild 2.11 Autobatterien.Polypropylen hat eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit und kann starken Säuren widerstehen. Daher eignet es sich ausgezeichnet für den Einsatz als Gehäuse für Autobatterien.
Bild 2.12 Klappboxen.PP wird oft für Behälter, Becher und Kisten verwendet. Scharniere aus PP sind nahezu unzerstörbar.
Bild 2.13 Schaft und Schulterstütze für Jagdgewehre.Glasfaserverstärktes PP hat die gleiche Steifigkeit und Schlagzähigkeit wie Polyamid, aber eine geringere Temperaturbeständigkeit. [Quelle: Plastinject AB]
Das Recycling von Polypropylen erfolgt vorzugsweise durch Materialrecycling, andernfalls durch Verbrennung zur Energiegewinnung. Der Recycling-Code für PP ist das dreieckige Recycling-Symbol mit der Zahl 5 oder > PP < bei technischen Formteilen:
2.3 Polyvinylchlorid (PVC)Chemische Grundlagen:
PVC hat eine einfache Struktur, unterscheidet sich jedoch von den anderen Standardkunststoffen dadurch, dass sich zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff auch Chlor in der Kette befindet. PVC besteht aus einer Kette von Kohlenstoffatomen, die alternierend mit zwei Wasserstoffatomen bzw. einem Wasserstoffatom und einem Chloratom verbunden sind. Das Monomer hat also die Formel:
Graphische Darstellung von PVC:
Polyvinylchlorid ist ein amorpher Standardkunststoff und wird üblicherweise als PVC bezeichnet. Mit einer Produktionsmenge von mehr als 20 Millionen Tonnen pro Jahr ist es die drittgrößte Kunststoffsorte.
PVC wurde im 19. Jahrhundert entdeckt, aber die industrielle Produktion begann erst 1936, als Union Carbide in den USA das Material als Ersatz für Kautschuk in der Kabelherstellung auf den Markt brachte.
Zur Herstellung von PVC können verschiedene Polymerisationsverfahren eingesetzt werden. Während der Compoundierung können die Materialeigenschaften mehr als bei jedem anderen Kunststoff beeinflusst werden. Das Spektrum reicht von sehr weich (z. B. Gartenschlauch) bis zu hart und zäh (z. B. Abwasserrohre).
PVC wird allgemein in drei verschiedene Typen unterteilt: Hart-PVC, Weich-PVC und Latex.
2.3.1 Eigenschaften von PVC+ Geringe Materialkosten und geringe Dichte + Hervorragende chemische Beständigkeit + Nimmt keine Feuchtigkeit auf + Beständig gegen Mikroorganismen + Gute Langzeitfestigkeit
+ Für Lebensmittel zugelassene Sorten stehen zur Verfügung + Selbstverlöschend (ohne Weichmacher) + Gute UV-Beständigkeit − Bei der thermischen Zersetzung wird Salzsäure gebildet (z. B. im Brandfall)
Bild 2.14 Abwasserrohre.PVC hat eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit und eine lange Haltbarkeit. Etwa 80 % des verarbeiteten PVCs wird im Bauwesen verwendet.
Bild 2.15 Beutel für Bluttransfusionen.Viele Einweg-Produkte im Gesundheitswesen werden aus Weich-PVC hergestellt.
PVC wird vorzugsweise durch Materialrecycling rezykliert. Andernfalls kann durch Verbrennung Energie gewonnen werden. Die Kunststoffindustrie investiert große Summen, um die verwerteten Mengen zu erhöhen.
Der Recycling-Code für PVC ist das dreieckige Recycling-Symbol mit der Ziffer 3 im inneren:
Bild 2.16 Kabel.Weich-PVC ist das vorherrschende Material bei der Ummantelung von Kabeln.
Bild 2.17 Gummihandschuhe.Schutzhandschuhe und Regenschutzkleidung werden oft aus Latex PVC hergestellt.
Chemische Grundlagen:
PS wird aus dem Monomer Styrol hergestellt, einem flüssigen Kohlenwasserstoff, der aus Erdöl produziert wird. Die chemische Darstellung des Styrolmonomers ist:
Wobei „=“ eine Doppelbindung ist und das Sechseck einen sogenannten Benzolring mit sechs Kohlenstoffatomen darstellt. Jedes der Kohlenstoffatome des Rings ist auch mit einem Wasserstoffatom verbunden. Polystyrol hat eine unregelmäßige Struktur, die wie folgt dargestellt werden kann:
Polystyrol ist ein kristallklarer amorpher Standardkunststoff, der als PS bezeichnet wird. Polystyrol ist traditionell der Kunststoff mit den niedrigsten Herstellungskosten und wird häufig für Einweg-Produkte verwendet.
Polystyrol wurde 1839 entdeckt, aber erstmals ab 1931 von IG Farben in Deutschland in einem kommerziellen Maßstab produziert.
Im Jahr 1959 wurde geschäumtes Polystyrol entwickelt, das als EPS bezeichnet wird. Der bekannteste Markenname ist Styropor.
2.4.1 EinteilungDie Polymerisation von Styrol führt zu einem transparenten, steifen und harten Kunststoff mit Hochglanz-Oberfläche. Leider ist PS sehr spröde.
PS kann mit 5 bis 10 % Butadien-Kautschuk (BR) gemischt werden, um das so genannte hochschlagfeste Polystyrol (HIPS) zu erhalten. Dabei geht allerdings die Transparenz und die Steifigkeit verloren. Die Schlagfestigkeit von HIPS ist bis zu fünfmal höher ist als die von Standard-Polystyrol.
Bild 2.18 Einwegbecher.Viele Einwegartikel werden aus Polystyrol hergestellt.
Bild 2.19 CD-Hüllen.CD-Hüllen sind ein typisches Polystyrol-Produkt.
Neben der Mischung von Polystyrol mit anderen Polymeren kann Styrol auch mit anderen Monomeren copolymerisiert werden, um Eigenschaften, wie Wärmebeständigkeit, Schlagfestigkeit, Steifigkeit, Verarbeitbarkeit und chemische Beständigkeit zu verbessern. Zu den weit verbreiteten Styrolkunststoffen gehören:
Styrol-Butadien-Kunststoff (SB)
Acrylnitril-Styrol-Acrylester (ASA)
Styrol-Acrylnitril (SAN)
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
2.4.2 Eigenschaften von Polystyrol+ Geringe Materialkosten + Hohe Transparenz (88 %) + Geringe Feuchtigkeitsaufnahme + für Lebensmittel zugelassene Sorten verfügbar + Hohe Härte und Oberflächenglanz
− Spröde − Geringe chemische Beständigkeit − Niedrige Erweichungstemperatur − Vergilbt bei Anwendung im Freien
Polystyrol ist einfach zu recyceln und trägt diese Kennzeichnung:
2.4.4 AnwendungsgebietePolystyrol kann spritzgegossen und extrudiert werden. Extrudierte Platten können vakuumgeformt werden.
Bild 2.20 Formteile aus geschäumtem Polystyrol (EPS).Dieses Material hat ungefähr ein 80-fach größeres Volumen als herkömmliches Polystyrol. Es wird oft als Isolationsmaterial in der Bauindustrie oder für Einwegbecher, stoßdämpfende Verpackungen für elektronische Produkte usw. oder auch als Schwimmkörper verwendet.EPS kann auch zu Folien extrudiert werden. Dickere Filme können heiß gestanzt und als Eierkartons, Fleischschalen und andere Lebensmittelverpackungen verwendet werden.
Chemische Grundlagen:
SAN ist ein Copolymer aus zwei Monomeren und enthält in der Regel 24 % Acrylnitril (rechts dargestellt).
SAN ist ein amorpher Kunststoff, der zur Styrolfamilie gehört. Das Material hat eine höhere Festigkeit, deutlich verbesserte Chemikalienbeständigkeit, beispielsweise gegenüber Fetten und Ölen, und ist weniger anfällig für Spannungsrissbildung als Polystyrol. SAN hat im Vergleich mit PS eine etwas höhere Einsatztemperatur und eine bessere Beständigkeit bei Anwendungen im Außenbereich.
Es wird in einigen Produkten als Ersatz für Glas verwendet und kommt oft bei Verpackungen für die Kosmetikindustrie zum Einsatz. Weitere Anwendungsgebiete sind Haushaltsprodukte, Zahnbürstengriffe, Kühlschrankinnenausstattung und medizinische Einwegprodukte. Die Kennzeichnung für das Recycling lautet > SAN <.
Bild 2.21 Aufgrund der guten chemischen Beständigkeit ist SAN ein ausgezeichneter Ersatz für Glas. Es wird häufig für transparente Kosmetikbehälter verwendet.
Bild 2.22 Schubladen, Regale und andere transparente Innenteile von Kühlschränken werden aus SAN hergestellt. Die ursprüngliche Farbe von SAN ist leicht gelblich, dies wird durch Zugabe eines blauen Pigments ausgeglichen.
Acrylnitril-Butadien-Styrol ist ein amorphes Copolymer, die übliche Kurzbezeichnung lautet ABS. ABS wurde im Jahr 1948 auf dem Markt eingeführt.
Chemische Grundlagen:
ABS ist ein Copolymer, das aus den folgenden Monomeren aufgebaut ist:
ABS enthält 15 bis 30 % Acrylnitril, 5 bis 30 % Butadien und 40 bis 60 % Styrol.
ABS wird durch Polymerisation von Acrylnitril und Styrol in Gegenwart von Polybutadien (Latex) hergestellt. Höhere Anteile von Acrylnitril ergeben eine höhere Festigkeit und bessere chemische Beständigkeit, führen aber auch zu einem geringeren Butadien-Anteil und damit zu einer verringerten Schlagfestigkeit.
Das Styrol schafft einen hohen Oberflächenglanz und gute Verarbeitungseigenschaften, und gewährleistet, dass ABS zu einem attraktiven Preis verfügbar ist.
2.6.1 ABS BlendsZusätzlich zu der Möglichkeit, die Eigenschaften von ABS durch Variation der Monomerkonzentration zu beeinflussen, können die Eigenschaften des Materials auch durch Zumischung bestimmter technischer Kunststoffe verbessert werden. Polycarbonat + ABS (PC/ABS) oder Polyester + ABS (PBT/ABS) sind Standard-Mischungen, die auch als „Blends“ bezeichnet werden. Diese Mischungen sind im Vergleich zu reinem Polycarbonat oder PBT zu einem niedrigeren Preis verfügbar und können sogar schwer entflammbar eingestellt werden.
PC/ABS-Blends vereinen die Vorteile beider Kunststoffe ‒ das Ergebnis ist ein Material mit besseren Fließeigenschaften und einer besseren Temperatur- und UV-Beständigkeit im Vergleich zu reinem ABS. Außerdem weisen PBT/ABS-Blends eine bessere Beständigkeit gegenüber Chemikalien (einschließlich Kraftstoffe) und eine bessere Dimensionsstabilität bei erhöhten Temperaturen auf als reines ABS. In der Automobilindustrie werden ABS, PP und PC/ABS durch Blends aus PBT/ABS ersetzt, da aufgrund der matten Oberfläche eine bessere Nachbildung von textilen Strukturen als mit anderen Kunststoffen möglich ist. Dies ist ein wichtiges Kriterium bei Bauteilen für die Innenausstattung etc.
2.6.2 Eigenschaften von ABS+ Kombination aus Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit + Formstabil unter Beanspruchung + Nimmt keine Feuchtigkeit auf + Guter Oberflächenglanz + Einfach zu färben und zu lackieren + Ausgezeichnet für Verchromung geeignet
+ Gute elektrische Isolation + Transparente Typen verfügbar − Hitzebeständigkeit − Empfindlich gegen Spannungsrissbildung − Schlechte UV-Beständigkeit − Lösungsmittelbeständigkeit
ABS eignet sich ideal für das Recycling. Die korrekte Recycling-Kennzeichnung lautet > ABS <. Manchmal wird als Kennzeichnung verwendet, daraus kann jedoch die verwendete Kunststoffsorte nicht ermittelt werden.
2.6.4 AnwendungsgebieteABS kann spritzgegossen und extrudiert werden. Extrudierte Platten können vakuumgeformt werden.
ABS ist der Kunststoff, der sich am besten zur Verchromung eignet. Während des Verchromungsvorgangs werden kleine Nitrilpartikel durch Ätzen aus der Oberfläche entfernt, was zur Bildung von kleinen Kratern führt. Das Chrom dringt dann in den Krater ein, so dass eine ausgezeichnete Haftung zwischen der Metalloberfläche und der ABS-Oberfläche erreicht wird. Neben der ästhetischen Aufwertung wird die Kratzfestigkeit wesentlich verbessert. Auch PC/ABS-Blends können verchromt werden. Aus verchromten PC/ABS-Blends werden unter anderem Fahrzeugtürgriffe hergestellt.
Bild 2.23 Verchromter Duschkopf.Viele Produkte aus verchromten ABS sehen aus, als ob sie aus Metall sind.
Bild 2.24 Türverkleidung.Große Formteile wie Türverkleidungen und Instrumententafeln für Fahrzeuge werden aus ABS hergestellt.
Bild 2.25 Büromaschinen.ABS wird häufig als Material für Gehäuse von Bürogeräten, Computern und Fernsehern verwendet.
Bild 2.26 Duplo-Steine.ABS wird für Lego und anderes Spielzeug aus farbigem Kunststoff verwendet.
Die meisten Menschen kennen den Begriff „PMMA“ nicht, aber bei „Plexiglas“, dem bekanntesten Handelsnamen, weiß jeder, was gemeint ist.
Chemische Grundlagen:
PMMA ist aus dem Monomer Methylmethacrylat aufgebaut. Dieses weist die folgende Struktur auf:
PMMA kann graphisch wie folgt dargestellt werden:
PMMA ist ein amorpher, glasklarer Acryl-Kunststoff. Es wurde im Jahr 1933 als Ersatz für Glas von Röhm & Haas in Deutschland unter dem Namen „Plexiglas“ auf den Markt gebracht.
PMMA besitzt eine Dichte von 1,15 bis 1,19 g/cm3, weniger als die Hälfte der Dichte von Glas. Der Durchbruch für das Material war der Einsatz als Cockpithauben für Flugzeuge im Zweiten Weltkrieg. PMMA wird normalerweise nicht in seiner reinen Form verwendet, sondern mit verschiedenen Additiven, um unter anderem die folgenden Eigenschaften zu verbessern:
Wärmebeständigkeit und Verarbeitbarkeit
Zähigkeit
Höhere Einsatztemperatur
UV-Stabilität
Im Vergleich mit Polystyrol, besitzt PMMA eine bessere Schlagfestigkeit und UV-Beständigkeit. Im Vergleich zu Polycarbonat hat PMMA eine niedrigere Schlagfestigkeit, bietet aber ein besseres Preis-Leistungsverhältnis. Gegenüber Glas hat PMMA eine genauso hohe Transparenz, ein geringeres Gewicht und eine bessere Schlagfestigkeit. Allerdings ist die Kratzfestigkeit geringer.
PMMA wird als Granulat für das Spritzgießen und Extrudieren, oder als Halbzeug (Platten, Stäbe, Rohre) geliefert.
2.7.1 Eigenschaften von PMMA+ Sehr hohe Transparenz (98 %) + Hohe Steifigkeit und Oberflächenhärte + Sehr gute UV-Beständigkeit + Gute optische Eigenschaften + für Implantate einsetzbar − Hoher Wärmeausdehnungskoeffizient
− Kratzfestigkeit − Geringe Spannungsrissbest ändigkeit − Lösemittelbeständigkeit − Hohe Schmelzviskosität (Schwierigkeiten bei der Füllung dünnwandiger Formteile)
PMMA lässt sich leicht recyceln, als Kennzeichnung wird > PMMA < verwendet.
2.7.3 AnwendungsgebietePMMA kann spritzgegossen und extrudiert werden. Halbzeuge aus PMMA lassen sich mit konventionellen Bearbeitungsmaschinen verarbeiten. Bei der Lasermarkierung hat PMMA Vorteile gegenüber Polycarbonat und Polystyrol.
Bild 2.27 PMMA eignet sich sehr gut für reflektierende Bauteile.
Bild 2.28 PMMA kommt vor allem in der Beleuchtungsindustrie, z. B. als Blende für Leuchtstoffröhren zum Einsatz.
Bild 2.29 Künstliche Augenlinsen.PMMA ist in hohem Maße mit dem menschlichen Körper kompatibel und wird daher für Implantate verwendet. Aufgrund seiner extrem guten optischen Eigenschaften werden künstliche Linsen, die chirurgisch in das Auge eingesetzt werden, aus PMMA hergestellt.
Bild 2.30 Sicherheitsglas in Sporthallen.Eishockey-Schutzverglasungen sind in der Regel aus PMMA, da das Material eine hohe Transparenz und eine ausreichende Zähigkeit hat.
Polyamid ist ein teilkristalliner technischer Kunststoff, die Kurzbezeichnung lautet PA. Es gibt verschiedene Arten von Polyamid, von denen PA6 und PA66 am häufigsten vorkommen. Polyamid war der erste technische Kunststoff, der auf den Markt gebracht wurde. Er ist auch mengenmäßig der wichtigste technische Kunststoff, da PA in der Automobilindustrie häufig eingesetzt wird.
Polyamid wurde von DuPont in den Vereinigten Staaten im Jahre 1934 erfunden und zunächst als Faser für Fallschirme und Damenstrümpfe unter dem Handelsnamen Nylon eingeführt.
Wenige Jahre später wurden PA-Typen für das Spritzgießen eingeführt. Nylon wurde ein allgemeiner Begriff; DuPont hat die Namensrechte verloren und vermarktet derzeit seine Polyamide unter dem Handelsnamen Zytel. Weitere bekannte Handelsnamen sind Ultramid von BASF, Durethan von Lanxess und Akulon von DSM.
3.1.1 EinteilungBei der Weiterentwicklung von Polyamid konzentrierte man sich auf die Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften und die Verringerung der Wasserabsorption. Dies hat neben PA6 und PA66 zu zahlreichen weiteren Varianten geführt. Die folgenden Typen sollten erwähnt werden: PA666, PA46, PA11, PA12 und PA612:
Vor rund zehn Jahren wurden aromatische „Hochleistungs-Polyamide“ eingeführt, die üblicherweise als PPA bezeichnet werden, eine Kurzbezeichnung für Polyphthalamid. Der neueste Trend sind „Bio-Polyamide“, die aus langkettigen Monomeren hergestellt werden, z. B. PA410, PA610, PA1010, PA10, PA11 und PA612.
Chemische Grundlagen:
Polyamid ist in vielen Varianten verfügbar. Die alphanumerischen Bezeichnungen, z. B. PA66, geben an, wie viele Kohlenstoffatome sich in den Molekülen befinden, die das Monomer bilden. PA6 ist der häufigste Polyamidtyp und hat die einfachste Struktur:
PA66 ist aus einem Monomer aufgebaut, das aus zwei verschiedenen Molekülen besteht, wobei jedes Molekül sechs Kohlenstoffatome aufweist, wie hier veranschaulicht:
Bild 3.1 Polyamid bietet eine hervorragende Kombination aus guten elektrischen Eigenschaften, hohe Betriebstemperaturen und Flammschutz (bis zu Brandschutzklasse UL V-0). Das Material wird daher für elektrische Komponenten wie Sicherungen, Leistungsschalter, Transformator-Gehäuse usw. verwendet. [Foto: DuPont]
Tabelle 3.1 Diese Tabelle zeigt die mechanischen Eigenschaften eines Standard-PA66 direkt nach dem Spritzgießen (DSG) sowie nach Absorption von 2,5 % Feuchtigkeit bei 23 °C und 50 % rel. Feuchtigkeit (Kond.). Die Steifigkeit verringert sich um 65 % und die Zugfestigkeit um 35 %, während die Zähigkeit (Dehnung) sich um den Faktor 5 erhöht.Die Schlagfestigkeit bei Raumtemperatur erhöht sich auf das Dreifache, sinkt aber um 33 % bei niedriger Temperatur. [Quelle: DuPont]
Mechanische Eigenschaften
DSG
Kond.
Einheit
Steifigkeit (Zugmodul)
3100
1400
MPa
Streckspannung
82
53
MPa
Streckdehnung bei + 23 °C
4,5
25
%
Charpy-Kerbschlagzähigkeit bei + 30 °C
5,5
15
kJ/m2
Charpy-Kerbschlagzähigkeit bei ‒ 30 °C
4,5
3
kJ/m2
+ Steifigkeit bei hohen Temperaturen (glasfaserverstärktes PA) + Hohe Einsatztemperaturen: 120 °C konstant, kurzzeitige Spitzentemperatur von 180 °C + Gute elektrische Eigenschaften + Für Lebensmittelkontakt zugelassene Typen verfügbar
+ Schwer entflammbare Typen verfügbar ‒ Absorbiert Feuchtigkeit aus der Luft, dadurch verändern sich die mechanischen Eigenschaften und die Dimensionsstabilität ‒ Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen, wenn das Material nicht schlagzähmodifiziert ist
Das Materialrecycling wird bei PA bevorzugt, aber auch die Verbrennung zur Energiegewinnung ist eine Option. Die Grundkennzeichnung lautet > PA <, sie wird manchmal mit zusätzliche Informationen ergänzt. So steht > PA66 GF30 < für ein PA66 mit 30 % Glasfasern.
3.1.4 AnwendungsgebietePolyamid kann durch Spritzgießen, Extrudieren und Blasformen verarbeitet werden.
Bild 3.2 Die Endstücke eines Fahrzeugkühlers bestehen aus einem speziellen hydrolyse-stabilisierten Polyamid 66. [Quelle: Polykemi AB]
Bild 3.3 Abdeckungen und Benzintanks für Kettensägen werden aus einem schlagzäh-modifizierten Polyamid hergestellt, das Benzin, Öl und rauen Bedingungen bei niedrigen Temperaturen standhalten kann.
Bild 3.4 Polyamid kommt häufig in der Automobilindustrie zum Einsatz. Das Bild zeigt ein Modul aus glasfaserverstärktem Zytel HTN PPA, das in der ersten kommerziell eingesetzten Kunststoff-Ölwanne verwendet wird. Dieser Teil wird für den neuen Vierzylinder-Dieselmotor der Mercedes C-Klasse verwendet. Daimler erhielt dafür die Auszeichnung „Most Innovative Use of Plastics“ im Bereich Powertrain der Society of Petroleum Engineers. [Quelle: DuPont]
Bild 3.5 Elektrohandwerkzeuge haben fast immer Abdeckungen aus schlagzäh-modifiziertem Polyamid, da das Material rauen Bedingungen standhält und gute elektrische Isoliereigenschaften hat.
Bild 3.6 Bei Fahrzeugpedalen wurde Metall durch glasfaserverstärktes Polyamid ersetzt, dies führte zu großen Gewichtseinsparungen. [Foto: DuPont]
Bild 3.7 Dieser Helm mit eingebauten Spiegeln besteht aus Zytel ST 801, einem hochfesten Polyamid 66 von DuPont. [Foto: DuPont]
Bild 3.8 Für das Blasformen gibt es spezielle Polyamidtypen. Dieser Entlüftungsschlauch wurde durch Blasformen aus Polyamid 66 hergestellt. [Foto: DuPont]
Polyoxymethylen hat den höchsten kristallinen Anteil unter allen technischen Kunststoffen. Als Kurzbezeichnung wird POM verwendet. Es gibt zwei Varianten von POM: POM-Homopolymer und POM-Copolymer. POM-Homopolymer wurde von DuPont in den Vereinigten Staaten im Jahre 1958 erfunden. Zwei Jahre später kam Celanese (ebenfalls in den USA) mit POM-Copolymer hinzu. Die Produktion von POM ist schwierig, daher gibt es weltweit nur wenige Hersteller. Die drei führenden Hersteller sind Celanese mit dem Handelsnamen Hostaform, DuPont mit Delrin und BASF mit Ultraform.
Chemische Grundlagen:
POM besteht aus dem Monomer Oxymethylen (auch als Formaldehyd bekannt). In der Homopolymer-Kette befinden sich etwa 1500 Formaldehyd-Moleküle (rot dargestellt). Beim POM-Copolymer befinden sich etwa 2,5 % andere Monomere (so genannte Copolymer-Gruppe, blau dargestellt) in der Polymerkette.
Das Homopolymer hat im Vergleich zum Copolymer bessere mechanische Eigenschaften, wobei das Copolymer eine bessere Beständigkeit gegenüber heißem Wasser aufweist. Im Hinblick auf Verarbeitung und Preis sind sie ungefähr vergleichbar.
Bild 3.9 Die Räder für Spülmaschinenkörbe sind aus POM-Copolymer hergestellt, da es eine bessere Heißwasserbeständigkeit als das Homopolymer hat.
+ Höchste Steifigkeit unter den unverstärkten technischen Kunststoffe + Die mechanischen Eigenschaften ändern sich im Temperaturbereich von ‒ 40 °C bis + 80 °C nur geringfügig + Hohe Zähigkeit ohne Schlagzähmodifikatoren + Hohe Dauerfestigkeit + Gute Kriechfestigkeit + Ausgezeichnete Federeigenschaften + Nimmt keine Feuchtigkeit auf und hat eine gute Dimensionsstabilität
+ Gute Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Lösungsmitteln + Ausgezeichnete Reibungs- und Verschleißeigenschaften + Für den Kontakt mit Lebensmittel zugelassene Typen verfügbar − Maximale Dauergebrauchstemperatur nur 80 °C, kurzzeitige Spitzentemperatur 120 °C − Quietschgeräusche (können mit Gleitmittel beseitigt werden) − Empfindlich gegen Spannungskonzentration (scharfe Kanten)
Das Materialrecycling wird bei POM bevorzugt, die Verbrennung zur Energiegewinnung ist jedoch eine weitere Möglichkeit. Die Kennzeichnung lautet > POM <.
3.2.3 AnwendungsgebietePOM kann durch Spritzgießen und Extrusion verarbeitet werden. In den letzten Jahren wurden POM-Typen entwickelt, die lackiert und verchromt werden können.
Bild 3.10 Skibindung aus Delrin.