Werkstoffe 3 FHNW FS 2018

Thermoplaste bestehen aus langkettigen, linearen Makromolekülen, die nur durch Nebenvalenzen miteinander verbunden sind. Bei teilkristallinen Thermoplasten sind die Makromoleküle in bestimmten Bereichen parallel zueinander gelagert. Dabei können die Polymerketten auch seitliche Verzweigungen besitzen. Bei amorphen Thermoplasten sind die einzelnen Molekülketten völlig regellos ineinander verknäult.

Teilkristalline Thermoplaste:
- PE Polyethylen
- PP Polypropylen
- POM  Polyoxymethylen (Polyacetale)
- PA Polyamid

- PET Polyethylenterephthalat

- PBT Polybutylenterephthalat

Amorphe Thermoplaste:
- PS  Polystyrol
- PVC Polyvinylchlorid
- PMMA Polymethylmethacrylat
- PC Polycarbonat
- CAB  Celluloseacetobutyrat
- CAP  Celluloseacetopropionat
- SAN  Styrol-Acrylnitril (Beispiel eines Copolymerisates)
- ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol (Beispiel eines Terpolymerisates)

Copolymere oder Heteropolymere sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenartigen Monomereinheiten zusammengesetzt sind. Damit bilden sie den Gegensatz zu Homopolymeren.

Die Copolymerisation bietet die Möglichkeit, die Eigenschaften von Kunststoffen zu beeinflussen, indem man verschiedene Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigen Kunststoff vereint. Copolymere bestehen also nicht nur aus einer Art von Kunststoff wie z.B. Polyacryl, sondern aus zwei oder sogar mehreren, z.B. Polyacryl und PVC.
Zur Synthese werden dementsprechend zwei oder mehr Monomer-Typen verwendet: bei Polymerisationsreaktionen also verschiedene Ethen-Derivate wie z.B. Acrylnitril und PVC bei der Herstellung von Modacrylfasern; bei Polyadditionen, die ohnehin schon zwei Monomere erfordern, wie z.B. eine Dicarbonsäure und einen Dialkohol bei den Polyestern, sind bei einer Copolymerisation entsprechend zwei oder mehr verschiedene Alkohole oder Carbonsäuren beteiligt.

• Die am häufigsten verwendeten Thermoplaste sind Polyolefine wie PE Polyethylen und PP Polypropen
• PS Polysystrol
• PVC Polyvinylchlorid
• PAN Polyacrylnitril
• PA Polyamide
• PES Polyester
• PET Polyethylenephthalat
• PEEK Polyetheretherketon
• PC Polycarbonat
• PLA Polyactat
• Polyacrylate wie PMMA (Polymethylmetharylat)
• ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol
• Zelluloid

Olefine ist ein besonders in der petrochemischen Industrie verwendeter Oberbegriff für alle acyclischen und cyclischen Kohlenwasserstoffe mit einer oder mehreren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Ausgenommen davon sind aromatische Verbindungen. Der moderne Begriff ist Alkene (dazu gehören auch Cycloalkene - ringförmige Alkene - und Polyene - mehr als eine Doppelbindung).

Die einfachsten Olefine (Ethylen C₂H₄, Propen C₃H₆) werden aus Rohbenzin von der Petrochemie als Ausgangsstoffe für die vielfältigen Synthesen hergestellt. Die allgemeine Summenformel der unsubstituierten Alkene lautet: C_nH_2n.

Ob ein Kunststoff oberhalb oder unterhalb seiner Glasübergangstemperatur verwendet werden kann, hängt von der Art des Kunststoffs ab (dabei ist zu beachten, dass die Glasübergangstemperatur eines Kunststoffes bzw. Elastomers mit seiner Vernetzungsdichte steigt, d. h. die Glasübergangstemperatur eines Duroplasts ist deutlich höher als die eines Thermoplasts):

• Amorphe Thermoplaste können nur unterhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise oberhalb derer
• Teilkristalline Kunststoffe besitzen sowohl eine Glasübergangstemperatur, unterhalb derer die amorphe Phase einfriert (einhergehend mit Versprödung), als auch eine Schmelztemperatur, bei der sich die kristalline Phase auflöst. Die Kristallit-Schmelztemperatur trennt den entropieelastischen Bereich deutlich vom Fließbereich. Teilkristalline Thermoplaste werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur höher ist als ihre Einsatztemperatur (z. B. PET) sind eher steif und erweichen beim Glasübergang unterschiedlich stark (je nach Kristallinitätsgrad). Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur unter der Einsatztemperatur liegt (z. B. PE), sind hingegen auch bei der Einsatztemperatur relativ weich und werden spröde, wenn die Glasübergangstemperatur unterschritten wird. In beiden Fällen ist ein Einsatz oberhalb der Kristallit-Schmelztemperatur nicht sinnvoll.

Einsatztemperatur/Schmelztemperaturen:

• ABS bis 95/220-250
• CA bis 80/?
• PA bis 100 formbeständig/180-260 je nach Ausprägung
• PC bis 135, schlagzäh bis -100/220-230
• PMMA -40 bis 90/?
• POM -50 bis 120/175-178 Homopolymer
• PP Beständig von 0 bis 100/180-220 alpha-kristallin
• PVC-U Hart-PVC bis 60/180

Die Unterscheidung bezieht sich auf die mechanischen Eigenschaften und auf das Verhalten beim Erhitzen. Wichtig ist, wie die einzelnen Monomere miteinander verknüpft sind und dabei insbesondere die Anzahl der Bindungen, die die einzelnen Monomere eingehen können.

Thermoplaste
Sie entstehen durch Polymerisation linearer Ketten bifunktioneller Monomere. Zwischen den Ketten herrschen Anziehungskräfte. Wenn Wärme zugeführt wird, fangen die einzelnen Bausteine der Polymerketten an, immer stärker zu schwingen. Dadurch verringern sich die Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Ketten. Ist genug Energie zugeführt worden, verlieren die Polymerketten untereinander ihren Zusammenhalt. Sie lassen sich gegeneinander verschieben und der Kunststoff wird weich, er wird durch thermische Einwirkung plastisch. Daher wird er Thermoplast genannt. Wird er in eine neue Form gebracht, so behält er diese nach dem Abkühlen.
Wird weiter erhitzt, brechen auch die Bindungen zwischen den einzelnen Bausteinen des Polymers oder die Monomere selbst brechen auseinander: Der Kunststoff wird zerstört.

Duroplaste
Im Allgemeinen mischt man zur Synthese von Duroplasten bi- und trifunktionelle Monomere. Da die einzelnen Polymerketten weniger durch zwischenmolekulare Bindungen als durch chemische Bindungen zusammengehalten werden, erweicht dieses Polymer beim Erhitzen nicht. Der Kunststoff bleibt somit über einen weiten Temperaturbereich stabil. Deswegen heißt er Duroplast. Wenn ein Duroplast jedoch zu stark erhitzt wird, brechen die Bindungen zwischen den Monomeren oder die Monomere selbst auseinander. Der Kunststoff wird zerstört (zersetzt).

Elastomere
Ist die Anzahl der bifunktionellen Bausteine zwischen den trifunktionellen gross, dann besteht die Möglichkeit, das Polymer zu dehnen. Wird von außen eine Kraft auf das Polymer ausgeübt, werden die Bindungen verzerrt. Der Stoff verformt sich. Wirkt keine Kraft mehr ein, stellt sich der vorherige Zustand wieder ein, und das Polymer bekommt seine ursprüngliche Form zurück. Weil der Kunststoff elastische, "gummiartige" Eigenschaften aufweist, heißt er Elastomer.

Wenn Monomere sich ausschließlich mit zwei anderen verbinden, so entstehen lange Polymerketten, die nicht verzweigt sind. Monomere, die so aufgebaut sind, heißen bifunktionell.

Kann sich ein Monomeres mit drei verschiedenen Stellen binden, heißt es trifunktionell. Bei der Polymerisation bilden sich zweidimensionale Netze oder sogar dreidimensionale Raumstrukturen.