Werkstoffe 3 FHNW FS 2018

Physikalisch abbindend

• Lösungsmittelkleber
• Dispersionskleber
• Schmelzkleber
• Kontaktkleber

Chemisch abbindend

• Polymerisationskleber
• Polyadditionskleber
• Polykondensationskleber

Am Beispiel BOSCH-Folienschweissen:

• Schnelligkeit des Schweissvorgangs
• Genauigkeit durch genauere Hitzeplatzierung gegenüber anderen Schweissverfahren
• Versiegelt auch feuchte Oberflächen
• Größere Dichtigkeit gegenüber konventioneller Hitzeversiegelung
• Kostengünstig (z.B. Energie) und materialsparend
• Hygienisch
• Kein Startup-Waste

Cyanacrylat-Klebstoffe sind im Allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff Sekunden- oder auch Superkleber. Es handelt sich dabei um dünnflüssige oder bewusst eingedickte Ester der Cyanoacrylsäure, die in 1K-Form als Monomere in den Handel kommen und durch Polymerisationsreaktion im Fügespalt zum eigentlichen Klebstoffpolymer reagieren.

Als Kohäsion bezeichnet man die Bindungskräfte zwischen Atomen sowie zwischen Molekülen innerhalb eines Stoffes. Die Kräfte sorgen für seinen Zusammenhalt. Sie führen an den Oberflächen eines Stoffes zur Oberflächenspannung (schwache, elektrostatische Wechselwirkungen wie Van-der-Waals oder Wasserstoffbrückenbindungen). Die Adhäsion beruht hingegen auf Bindungskräften zwischen zwei unterschiedlichen Phasen bzw. Stoffen Stoffen (auch hier wirken elektrostatische Kräfte oder z.B. bei der mechanischen Adhäsion mechanische Kräfte wegwn der Oberflächenrauheit).

Das Deformationsverhalten von Klebstoff und Fügeteilwerkstoffen muss aufeinander abgestimmt sein
Gestaltung von Klebeverbindungen: Kunststoffe sollten bevorzugt auf Scherung belastet werden (möglichst nicht auf Zug und keinesfalls auf Biegung)

• Heizelement (durch festen Körper)
• Warmgas
• Lichtstrahl-Extrusions
• Ultraschall (durch Bewegung)
• Reib (durch Bewegung)
• Hochfrequenz (durch Strom)

Temperatur, Temperaturwirkzeit (Schweissgeschwindigkeit), Druck

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 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 Schmelztemperatur nicht sinnvoll.
• Elastomere werden grundsätzlich im gummielastischen Bereich, also oberhalb der Glastemperatur eingesetzt. Unterhalb der Glasübergangstemperatur verspröden sie stark, wodurch ein Einsatz nicht sinnvoll ist. Die obere Temperaturgrenze dieser Materialien ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.
• Duroplaste werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. Duroplaste, deren Glasübergangstemperatur unter der Raumtemperatur liegt, sind allerdings zu den Elastomeren zu zählen. Die obere Temperaturgrenze von Duroplasten ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.

Im Extruder befindet sich die Förderschnecke, auf dem Zylinder sitzt die Heiz- und Kühleinheit. Im vorderen Teil des Extruders wird schliesslich das Werkzeug befestigt. Prozess

• Der Materialtrichter wird mit Pulver oder Granulat befüllt.
• Die Schnecke transportiert das noch lose Material durch den Zylinder
• Durch hohe Temoeraturen und Scherung schmilzt das Material und plastifiziert zu einer homogenen Masse.
• Die Schmelze wird durch das Werkzeug gepresst und erhält die entsprechende Form.
• Der ausgetretene Strang wird in einer Kalibrierung abgekühlt.
• Das ausgekühlte Profil wird vom endlosen Strang getrennt.

Mit Matrixwerkstoff vorimprägnierte (also bereits getränkte) Fasermatten werden auf die Form aufgelegt. Das Harz ist dabei nicht mehr flüssig, sondern hat eine leicht klebrige feste Konsistenz. Der Verbund wird anschließend mittels Vakuumsack entlüftet und danach, häufig im Autoklaven, unter Druck und Hitze ausgehärtet.

Die Viskosität der Epoxydharze (Duromere) nimmt (nach Erreichen eines Minimums) mit steigender Temperatur zu.

Dyneema ist eine synthetische Chemiefaser auf der Basis von PE mit ultrahoher molarer Massse (Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene = UHMW-PE).

Die Dyneemafasern werden durch Gelextrusionsspinnen, einem Spezialfall des Lösungsspinnens, hergestellt. Es werden Filamente aus gelartigen Lösungen erzeugt, wobei die Moleküle parallel zueinander angeordnet werden. Durch das Strecken und durch Thermofixierung entsteht eine Kristallstruktur, die zur hohen Festigkeit der Faser führt

Tränkungsrelevante Eigenschaften von Duroplasten sind deren Viskosität, Reaktivität und Oberflächenspannung sowie die Ausbildung des Kontaktwinkels in Kombination mit dem Fasermaterial bzw. der applizierten Schlichte.

Vorteile

1. Niedrige Investitionskosten
2. Einfache Herstellung von Prototypen, Einzelstücken oder Kleinserien
3. Sehr gute Oberfläche der Gelcoat-Seite

Nachteile

1. Qualität des Bauteils hängt stark vom Können/Erfahrung des Personals ab
2. Nur eine sehr gute Oberfläche kann am Bauteil hergestellt werden
3. Unngenehme Arbeitsbedingungen aufgrund von Lösemittelemissionen insbesondere von Styrol (Reaktivverdünner in ungesättigten Polyesterharzen)

Nassverfahren

• Handlaminieren
• Faser-Harz-Spritzen
• Wickeln
• Pultrusion
• Injektionsverfahren
• Infusionsverfahren
• Nasspressen

Prepregverfahren

• Vakuumv
• Autoklavv
• Pressv
  • Formpressen
  • Fliesspressen
  • Overmoulding

Bis Grossserie: Pultrusion, Autoklav und S-RIM

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.

Das Mol (Einheitenzeichen: mol) ist die SI-Basiseinheit der Stoffmenge. Sie dient der Mengenangabe bei chemischen Reaktionen.

Ein Mol enthält etwa 6,022 · 10²³ (Avogadro-Konstante) Teilchen. Diese Zahl ist so definiert, dass 12 g Kohlenstoff mit dem Isotop C-12 genau einem Mol entsprechen. Der Zahlenwert der Masse eines Mols eines Stoffs angegeben in Gramm ist identisch mit der Atommasse der Atome oder der  Molekülmasse der Moleküle, aus denen der Stoff besteht, angegeben in der Atomaren Masseneinheit (u).

O 2-Bindig, C 4, H 1, N 3, Fl 1, S 2

Eine kovalente Bindung ist eine chemische Bindung, die auf der gemeinsamen Nutzung von Elektronen
beruht (Elektronenpaarbindung).

Als metallische Bindung bezeichnet man die chemische Bindung, wie sie bei Metallen und in Legierungen vorliegt. Diese ist durch das Auftreten von frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen im Metallgitter gekennzeichnet. Sie wird durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Metallionen und freien Elektronen verursacht.

Die Ionenbindung ist eine  chemische Bindung, die auf der elektrostatischen Anziehung positiv und negativ geladener Ionen basiert.

Ethen => Polyethen PE

Propen =>Polypropen PP

Styrol => Polystyrol PS

Vinylchlorid => Polyvinylchlorid PVC

Der entscheidende Unterschied ist die Freisetzung niedermolekularer Spaltprodukte bei der Polykondensation, z.B. Wasser, Alkohole oder andere.

Bei jedem Polymerisationsschritt wird eine C-C-pi-Bindung in eine C-C-sigma-Bindung umgewandelt  ("Umhybridisierung"). Der Energieunterschied zwischen einer C-C-pi-Bindung und einer C-C-sigma-Bindung beträgt etwa 84 kJ/mol. So werden bei jedem Polymerisationsschritt 84 kJ/mol frei; die Reaktion ist insgesamt also recht exotherm.

Polykondensation ist eine vielfach ablaufende Kondensationsreaktion, die Monomere in Polymere (Kunststoffe) überführt. Damit ein Monomer an der Reaktion teilnehmen kann, muss es mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen, die besonders reaktionsfähig sind (z. B. –OH, –COOH, –NH2, –CHO …). Dabei werden in der Regel Monomeren verschiedener Art (z. B. Diole und Dicarbonsäuren, die zu Estern kondensieren) miteinander umgesetzt. Polykondensation verläuft stufenweise (Stufenwachstumsreaktion), über stabile, aber weiterhin reaktionsfähige Zwischenprodukte (Oligomere). Die Oligomere reagieren untereinander und bilden schließlich ein Makromolekül. Die Produkte werden Polykondensate genannt. Neben Kunststoffen gibt es auch eine ganze Reihe natürliche Polymere, z. B. Polykieselsäuren, die durch Polykondensation entstehen.

Nach diesem Verfahren werden folgende wichtige Kunststoffe erzeugt:

• Polyamide
• vernetzte ungesättigte Polyesterharze
• Phenoplaste
• Aminoplaste

Im Gegensatz zur Polymergewinnung durch Kettenpolymerisation oder Polyaddition wird bei der Polykondensation mindestens ein Nebenprodukt frei. Diese Nebenprodukte (z. B. Wasser, Ammoniak, niedrige Alkohole, Chlorwasserstoff) müssen kontinuierlich abgeführt werden, sonst stoppt die Polykondensation aus thermodynamischen Gründen bei zu niedrigem Polymerisationsgrad.

Im Gegensatz zur Kettenpolymerisation, die über Kettenwachstum erfolgt, muss der Reaktionsumsatz bei Polykondensation mindestens 99 % betragen, um ein Polykondensat hoher molarer Masse zu bekommen. Weiterhin muss das Verhältnis der eingesetzten Mengen an jeweiligem Monomer so exakt wie möglich dem durch die Reaktion vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnis angepasst werden, sonst gelangt man zu einem Punkt, an dem alle Oligomere die gleichen aktiven Enden besitzen und nicht mehr miteinander reagieren können (Carothers-Gleichung).