Kunststoffe 2

Für den Einsatz von Kunststoffen in Tragweken und selbsttragende Elementen müssen sie einer gesicherten rechnerischen Bemessung zugänglich sein

\(\sigma = R/(A_1A_2A_3A_4)*1/v \)

sigma: zulässige Spannung, R: Kurzzeitfestigkeit, A: Abminderungsbeiwerte für Festigkeitsverluste infolge Kriechen, Alterung, erhöhter Temperatur, Produktionsschwankung, v: Sicherheitsbeiwert

Eine entsprechende Gleichung kann für den Verformungsmodul aufgestellt werden.

Aus Laborergebnissen wurden für GF-UP(glasfaserverstärkte Polyester) folgende Abminderungsbeiwerte hergeleitet:

\(A_1\) (Kriechen): 1,4...3,4

A2 (Alterung): 1,1...1,6

A3 (Temp): 1,1...1,8

A4 (Produnktionsschwankung): 1,1...1,5

Der Sicherheitsbeiwert v zwischen 1,7 und 2,1

Eine bestimmte Grenzdenung \(\epsilon_n\) darf nicht überschritten werden. Man nimmt an, dass \(\epsilon_n\) ein von der Temp, Zeit und Alterung nahezu unabhängiger Kennwert ist (z.B. amorphe Kunststoffe 0.7 bis 0.9%)

Zur Erfassung des Kriecheinflusses wird der Kriechmodul Ec benutzt

Bei seiner Ermittlung wird die Kurzzeitdehnung um die Kriechdehung erhöht. Aus einem Kriechversuch lassen sich so die Kriechmodullinien errechnen.

• Teilkristalline Thermoplaste
• Gute chemische Beständingkeit
• Hohe Zähigkeit und Bruchdehnung
• Mengenmässig wichtigster Kunststoff
• PE-LD (low density): mit Hochdruckpolymersation hergestelltes PE mit vorwiegend verzweigten Makromolekülen
• PE-HD (high density): in Niederdruckpolymerisationsverfahren hergestelltes PE mit vorwiegend linearen ;olekülen
• Breites Spektrum unterschiedlihcer PEs mit Copolymerisaten und Polyblends
• Verarbeitung: Spritzgissen, Extrudieren, Folienblasen, Hohlkörperblasen, Schweissen
• PE-Sondertypen: Ultrahochmolekulares PE, vernetztes PE (PE-V), Chloriertes PE, lineares Polyethylen mit niedriger Dichte

• Teilkristalliner amorpher Thermoplast
• CH3 Gruppe kann iso-, syndio, und ataktisch angeordnet sein-> Kristallisationsfrag, Schmelztemp, Zugfestigkeit, Steifigkeit und Härte des PP
• Sehr harter, fester und steifer Kunststoff mit der geringsten Dichte aller Kunststoffe. 
• Glasübergangstemperatur bei Homopolymerisate (PP-H) 0°C -> meist Copolymersiate (PP-B/PP-R/PP-Q).
• Ungefärbt opak.
• Füllbar mit Talkum, Kreide, Glas.
• Spritzgiessen, Extrudieren, Folienblasen, Hohlkörperblasen, verstrecken, expandieren (PP-E), Tiefziehen.
• Spanen, Kleben, Schweissen

Amorpher Thermoplast.

Man unterscheidet PVC hart (PVC-U) und PVC weich (PVC-P).

PVC-U (u=unplasticized)

• Hat hohe Festigkeit, Steifigkeit und Härte.
• Hat hohe chemische Beständigkeit.
• Ist schlagempfindlich in Kälte.
• Selbstlöschend nach Entfernen der Flamme. 

PVC-P (p=plasticized)

• Hat einstellbare Flexibilität und Zähigkeit.
• Nicht selbstlöschend wegen Weichmachern.
• Verarbeitung: Spritzgiessen, Extrudieren, Hohlkörperblasen, Kalandrieren, Schweissen, Kleben. 

• Entweder als thermoplastischer Werkstoff oder als Schaumstoff.
• Beständig gegen Lauge aber nicht gegen Lösungsmittel.
• Nicht UV-beständig (Festigkeitsverlust und Mattierung). ->kein Ausseneinsatz. 
• Glasklares Polymerisat, hart und schlagempfindlich, formstabil.
• Neigt zu Spannungsrissbildung mit relativ hoher Sprödigkeit.
• Hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit.
• Extrudieren, Spritzgiessen.
• Schweiss- und klebbar. 

• Polystyrol lässt sich gut schäumen. Polystyrolhartschaum.
• Geschlossenzellige Schäume.
• Porenanteil bis 98%.
• Niederer Wärmeleitungskoeffizient 0.035-0.04W/(mK).
• Wärmeschutz- und Dämmplatten, Trittschalldämmung. 

Verfahren:

• Partikelschaum (Styropor)
• Extrusionsschaum (Styrofoam) • Strukturschaum 

• Geschlossenzelliger, zäher, harter Schaumstoff.
• Dämmplatten sind alterungsbeständig, verrottungsfest und nehmen nur wenig Wasser auf. 

Dämmplatten aus expandiertem Polystyrol (EPS) = Styropor, die aus Blöcken geschnitten werden (z.B. Trittschallschutz) . 

• Automatenplatten aus Partikelschaum, die bereits bei der Fertigung ihre endgültige Form erhalten.
• Extrudierte PS-Hartschaumplatten (XPS) = Polyfoam, die im Strangpressverfahren hergestellt werden (an dichter, glatter Oberfläche zu erkennen). 

PS-Schaumgranulat wird auch als leichte

• Glasähnlicher, thermoplastischer Kunststoff.
• Grosse Härte, Festigkeit und Steifigkeit, splitterfreier Bruch.
• Hohe Kratzfestigkeit und Polierfähigkeit. 
• Gute Temperaturwechselbe- ständigkeit.
• Glasklar mit hoher Brillanz.
• Gute spanabhebende Bearbeitung möglich.
• Ab 100 °C leicht verformbar. Bei Abkühlung in Wasser bleibt diese Form erhalten .
• Kleben und Schweissen möglich.
• Transmittiert Licht besser als normales Glas. 

• PIB ist je nach Polymerisationsgrad ein viskoses Öl, eine plastisch-klebrige Masse oder ein rohgummiartiger Stoff.
• Hohe Reissdehnung.
• Temperaturbeständig von -50 bis 90°C.
• Mit Russ gegen UV-Licht stabilisiert.
• Niedermolekulares PIB für Klebstoffe, Fugenmassen.
• Hochmolekulares PIB für Folien und Dichtungsbahnen und Dachbahnen (Oppanol® von BASF). 

• Mitglied der Klasse der Fluorpolymere.
• Hervorragende Chemikalien-, Lösungsmittel- und Wetterbeständigkeit.
• Ausgezeichnete Gleit- und Reibeigenschaften.
• Antiadhäsives Verhalten.
• Gebrauchstemperatur -200 bis 327°C.
• Hohe Kristallinität (53-70%).
• Neigt leicht zum Kriechen.
• Unbrennbar.
• Geringe Härte und Festigkeit.
• Geringe Kerbempfindlichkeit. 

• Rohrgleitlager, Brückenauflager
• Schiebe- / Auflager für schwere Lasten
• Beschichtungen für Membranen
• Teflon (®DuPont), Hostaflon (®Hoechst), Fluon (®ICI) 

• Stickstoffhaltige, teilkristalline Thermoplaste.
• Herstellung per Polykondensation oder ionischer Polymerisation.
• Bezeichnung nach Zahl der C-Atome im Monomer: Nylon (PA6.6), Perlon (PA 6), Rilsan (PA 11), Vestamid (PA 12)....
• Wasserstoffbrücken zwischen Amidgruppen (NH·CO „NH & Company“).
• Hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit.
• Gutes Dämpfungsvermögen, Abriebfestigkeit und gute Gleiteigenschaften. 

• Polymer mit Esterverbindung (-CO-O-)

Polyethylenterephthalat (PET)

• Äusserst widerstandsfähig gegen Licht und Wärme.
• Schwer entflammbar.
• Hohe Bruchdehnungen.

Polycarbonate (PC)

• Amorpher Thermoplast.
• Glasklar bis schwach gelblich. • Steif, schlagzäh bis -100°C und witterungsbeständig. 

• Es existieren PUR-Elastomere, thermoplastische Elastomere und duroplastisches PUR.
• Polyaddukte eines Polyalkohols mit einem Polyisocyanat.
• Je nach Wahl des Alkohols und Isocyanats kann PUR unterschiedlichste Eigenschaften aufweisen.
• Sie können, je nach Herstellung hart und spröde, aber auch weich und elastisch sein.
• Charakteristisch für Polyurethane ist die Urethan-Gruppe (NH−CO−O). 

•Je feinporiger, desto schlechtere Wärmeleitung.

•Es gibt harte und weichelastische Schaumstoffe.

•Als Weichschäume werden Erzeugnisse auf der Basis von PUR, PVC, PE z.B. für Isolationen oder das Hinterfüllen von Fugenmassen verwendet.

•Ortschäume sind zäh bis spröd hart vernetzte Schäume aus den Rohstoffen PUR und UF, die erst am Bauwerk aufgeschäumt werden. 

+Tabelle

• Elastomere
• Naturkautschuk (NR) aus dem Saft des = Kautschukbaums (Latex) oder Synthetischer Kautschuk aus Butadien (C4H6) -> Dien-Elastomere.
• Vernetzung mit Schwefel -> Vulkanisation stark (Hartkautschuk) oder schwach (Weichgummi).
• Füllstoffe (Russ, Kreide, Weichmacher).
• Polyisopren auch durch Polymersationsreaktion herstellbar. -> Isoprenkautschuk (IR) 

• Seitliches Ausweichen von Elastomer bei Druckbeanspruchung.
• Verhindern durch Bewehrung.
• Verhindern durch Einschluss des Materials in einem stählernen "Topf” mit beweglichem, abgedichtetem "Deckel„.
• Elastomere werden im Temperaturbereich von -30 bis +70 °C als Baulager eingesetzt.
• Die Temperaturabhängigkeit ist in diesem Bereich vernachlässigbar. 

UF

• Duroplast.
• UF durch Polykondensation von Harnstoff (CO(NH2)2) .
• Glasklar, farblos, lichtbeständig.
• Hitze- und feuchteempfindlich. 
• +Bild

MF

• Duroplast.
• MF durch Polykondensation von Melamin (C3H6N6).
• Glasklar, farblos, licht-, feuchte- und wärmebeständig. 
• + Bild

• Erste vollsynthetische Kunststoffe überhaupt (Bakelite von L:H: Baekeland 1907).
• Duroplastisches Polykondensat des Formaldehyds mit Phenol (C6H6O) oder Resorcin (C6H6O2) zu Phenolharzen oder mit Harnstoff (CH4N2O) oder Melamin (C3N6H6) zu Aminoplasten.
• Mehrere funktionale Gruppen für räumliche Vernetzung.
• Herstellung mit Zwischenstufen.
• Vernetzung durch Härter und/oder Wärme (=tempern).
• Duroplast: Hart, spröde, fest, steif -> Füllstoffe zur Eigenschaftsverbesserung.
• Schwer entflammbar, thermisch formstabil.
• Schaumherstellung durch Verdampfen des Kondensationswassers, durch schaumig- schlagen des Harzes oder Treibmittel. 

• Duroplast.
• Polykondensation zu ungesättigten Polyesterharzen.
• Hergestellt aus gesättigten und ungesättigten Dicarbonsäuren und Diolen.
• UP wird in copolymerisierbaren Monomeren (Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol, Methylmethacrylat, Divinylbenzol u.a.) gelöst.
• Bei Vernetzung tritt Volumenschwindung von 9% auf.
• Klarer Kunststoff. 

• Duroplast.
• Moleküle sind durch endständige Epoxydgruppen charakterisiert.
• n<1 flüssig, n>2 fest bei Raumtemperatur (RT).
• Harze können bei RT als auch bis zu 200°C härten.
• Härter sind Diamine (Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin u.a.).
• Hohe Typenvielfalt von Systemen.
• Hohe Schlagzähigkeit. 

• Die Aufnahme von flüssigem Wasser und von Schadstoffen, z.B. Chlorid, die im Wasser transportiert werden, soll behindern werden.
• Bei Stahlbetonbauten sollen sie den CO2-Zutritt bremsen, da die trocken liegenden Bauteile sonst rascher carbonatisieren würden.
• Sie sollen aber andererseits, besonders bei Hochbauten, den Transport von Wasserdampf möglichst wenig beeinträchtigen, Wasseranreicherungen hinter der Beschichtung können zu Frostschäden führen.
• Die Massnahmen reichen von Hydrophobierung über Imprägnierungen bis zu Reprofilierungen von tiefen Ausbrüchen.
• Die Schutzschichten müssen fest auf dem Untergrund haften. 

• EP als Kleber für Beton/Beton, Metall/Metall und Beton/Metall.
• Hohe Viskosität, um ablaufen zu verhindern (z B. mit Quarzmehl gefüllt).
• Vorteil: hohe Alkalibeständigkeit und geringer Reaktionsschwund.
• Untergrundvorbereitung und Ausführung der Klebearbeiten wie bei Beschichtungen.
• Ein EP-System ist derzeitig in Deutschland für Verklebungen zwischen Stahl und Beton bei vorwiegend ruhender Belastung (aussen liegende Bewehrung) zugelassen.
• Brücken in Segmentbauweise sind seit rund 25 Jahren bekannt. 

• Fasern haben einen im Vergleich zur Länge sehr kleinen Durchmesser.
• Die Zugfestigkeiten der Fasern sind gegenüber den kompakten Ausgangsmaterialien viel grösser.
• Glasfasern sind seidenartige, elastische Fäden mit Durchmessern von ca. 10 μm. Ihre Oberfläche ist für eine bessere Verbindung mit dem Harz geschlichtet.
• Fasern werden in Strängen zu 3000 bis 20000 Stück gebündelt. Solche Stränge (Rovings) können direkt in die Harzmatrix eingebettet werden. 

• GFK sind mit Glasfasern verstärkte Duroplaste (=Matrix). •
• Für die Eigenschaften des Komposits sind bestimmend:
• Festigkeit, E-Modul und die Länge der Faser,
• Festigkeit, E-Modul und Bruchdehnung der Matrix,
• Anordnung und Volumenanteil der Fasern (max. ca. 80 Vol.-%),
• Eigenschaft der Faser-Matrix Grenzschicht. 

• Alle Fasern in einer Richtung = unidirektionaler Rovingverstärkung.
• Gewebe oder zu kurzen Stückchen zerschnittene und zu regellosen Filz gepresste Matten = Gewebe- bzw. Mattenverstärkung.
• Bauteileigenschaften hängen vom Last-Faserwinkel ab: Matten haben keine bevorzugte Tragrichtung, Gewebe tragen in zwei Richtungen, Rovings in eine.
• Matrixmaterial ist häufig Polyesterharz (GF-UP), EP und PF Harze.
• Nicht eingefärbt ist GFK transparent und deshalb für raumabschliessende, lichtdurchlässige Elemente geeignet. 

• Gruppe synthetischer Polymere, bei denen Siliziumatome über Sauerstoffatome zu Molekülketten und/oder netzartig verknüpft sind.
• Hybride zwischen anorganischen und organischen Verbindungen.
• Siliconöle, Siliconharze und Siliconkautschuk (heiss- und kaltvulkanisierend).
• Extrem temperaturbeständig.
• Sehr guter Isolator.
• Sehr gute Witterungs- und Alterungsbeständigkeit.
• Zähviskose Siliconöle lassen sich zu Elastomeren vulkanisieren.