WST20 Werkstoffkunde WST201/203 AKAD

Der E-Modul ist der Quotient aus Spannung und Dehnung (Angabe in MPA oder N/mm²). Er ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials. Bei Kunststoffen besteht die Schwierigkeit darin, dass durch das viskoelastische Verhalten kein linearelastischer Bereich vorhanden ist. Es muss also der Anfangs-E-Modul aus dem Kurzzeitzugversuch oder der Sekanten-E-Modul aus dem Isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei den der Anwendung entsprechenden Parametern herangezogen werden.

Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit (= Prüfgeschwindigkeit) wirken sich stark auf die Ergebnisse des Zugversuches und die ermittelte Zugfestigkeit aus.

Die Grenzflächen zwischen zwei Sphärolithen stellen Schwachstellen dar, bei Belastungen senkrecht zur Sphärolithgrenze treten Brüche auf. Bei feinerer Strukturierung treten die Brüche feinverteilt in Mikrorissen auf. Mit der zusätzlichen Verformung der Sphärolithe mit Spannungsabbau ist dafür eine wesentlich höhere Bruchenergie notwendig. Kunststoffe mit kleinen, feinverteilten Sphärolithen sind also zäher und stabiler.

Bei niedrigen Temperaturen und sehr hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit (Schlag) haben die Moleküle keine Möglichkeit, durch Bewegung die Beanspruchungsenergie abzufangen. Bei höheren Temperaturen und geringeren Geschwindigkeiten liegen im Gefüge weich gewordene „Partikel“ vor, die sich verformen können. Die eingeleitete Energie wird durch Verstreckung (Moleküle werden in Beanspruchungsrichtung „gezogen“ und ausgerichtet) aufgezehrt. Bereits gebildete Risse im Gefüge (Mikrorisse) werden gestoppt und die Gesamtstruktur stabilisiert.

Kunststoffe weisen geringere Festigkeiten auf, sie dürfen also nicht so hoch belastet werden. Kunststoffe können Wärme schlecht ableiten. Bei Einbringen von hoher Wärmeenergie kann hohe Erwärmung mit der entsprechenden Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bis zum anschmelzen auftreten. Gleitgeschwindigkeit und Lasthöhe sind dadurch begrenzt. Kunststoffe sind nicht gegen alle Medien unempfindlich. Bei ungünstiger Kombination können z. B. Feuchtigkeit und Schmiermittel in das Polymere eindiffundieren und zu Änderungen von Reibung und mechanischen Eigenschaften führen.

PTFE hat eine niedrige Oberflächenspannung und damit einen von vornherein niedrigen Reibungskoeffizienten. Mit 300 °C liegt die Schmelztemperatur relativ hoch. Eine niedrige Scherfestigkeit, verbunden mit hoher Festigkeit der Molekülketten, führt dazu, dass die Moleküle bei der Gleitbeanspruchung in der Oberfläche in Gleitrichtung verformt und orientiert werden. Es entsteht also eine orientierte Oberflächenschicht mit stabilen Molekülen, die einen noch niedrigeren Reibungskoeffizienten aufweist. Werden als Reibungspartner metallische Werkstoffe eingesetzt, so wird durch gute Wärmeleitung eine Erwärmung in der Reibschicht verhindert.

Kunststoffe werden für Reib- und Gleitelemente insbesondere dort angewandt, wo mit wenigen Bewegungen pro Zeiteinheit, kleinen Gleitgeschwindigkeiten und geringen Belastungen sichergestellt werden kann, dass keine signifikante Erwärmung erfolgt.

Vorteile:

– kein korrosiver Verschleiß,

– weiches Verhalten des Werkstoffes gegenüber hartenPartikeln erweisen sich oft als Vorteil,

– Verschleiß wesentlich niedriger, solange keine übermäßige Erwärmung tattfindet.

Nachteile:

– Strahlverschleiß, transparente Scheiben werden durch Aufrauen der Oberfläche blind,

– Oberflächen-Ausbrüche durch Druck-Schwell-Beanspruchung.

Die Kapazität eines Kondensators mit einem Kunststoff als Dielektrikum erhöht sich gegenüber einem Kondensator mit Vakuum zwischen den Kondensatorplatten um den Faktor εr. Dieser Faktor wird als relative Dielektrizitätszahl bezeichnet. Für thermoplastische Kunststoffe liegt die relative Dielektrizitätszahl zwischen 1,05 (geschäumtes PS) und 7 (trockenes PA 6).

Hohe dielektrische Verluste in einem Kunststoff führen zu einer starken Erwärmung. Dies ist bei polaren Kunststoffen wir PVC der Fall. Für das Verbinden von Kunststoffbauteilen nutzt man dies, um den Werkstoff bis in den Schmelzbereich zu erwärmen und unter Druck zu verschweißen.

Die Durchschlagfestigkeit nimmt mit zunehmender Beanspruchung und Dehnung ab. Durch Bildung von Mikrorissen und Entstehen von Fließzonen treten Fehlstellen auf, die ein Durchschlagen ermöglichen. Besonders in teilkristallinen Thermoplasten stellen die Sphärolithgrenzen Schwachstellen dar, amorphe Kunststoffe weisen daher eine höhere Durchschlagfestigkeit auf. Durch Spannungsstabilisatoren kann die Langzeitdurchschlagfestigkeit erhöht werden. Diese diffundieren in Fehlstellen ein und sichern diese gegen Durchschlag a

Die Brechungszahlen von Kunststoffen sind stark temperaturabhängig. Außerdem weisen Kunststoffe einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, was den Einfluss der Temperatur weiter erhöht

Unter Doppelbrechung versteht man den Effekt, dass sich Licht in einem optisch anisotropen Werkstoff in verschiedene Richtungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet. Dies wird sichtbar gemacht, indem man durch einen Polarisator polarisiertes Licht durch eine Probe hindurchschickt und die austretende Strahlung durch einen zur ursprünglichen Polarisationsebene senkrecht stehenden Polfilter (Analysator) betrachtet. Auslöschungen geben das Maß der Anisotropie an.

Gründe für die Doppelbrechung transparenter Kunststoffe sind Anisotropien

(= Ungleichmäßigkeiten) die zum einen durch Verformung (= Spannungs-Doppelbrechung), zum anderen durch Ausrichtung der Makromoleküle während der Verarbeitung (Orientierungsdoppelbrechung) entstehen.

Luftschall ist die Ausbreitung von Schallwellen in der Luft. Bei der Luftschalldämmung wird der Luftschall an einem Hindernis reflektiert. Hierbei muss der Werkstoff eine hohe Dichte mit geringer Verformung bei Auftreffen der Schall-

wellen aufweisen. Kunststoffe sind hierfür eher nicht geeignet, jedoch können Füllstoffe eine erhebliche Verbesserung bewirken. Bei der Luftschalldämpfung wird Schallenergie in Wärme umgesetzt, so dass die Amplitude der Schallwelle (Lautstärke) erheblich reduziert wird. Kunststoffe sind hierfür durch ihre viskoelastischen Eigenschaften gut geeignet, verstärkt wird der Effekt durch

eine poröse Struktur, in die die Schallwellen eindringen können. Luftschalldämpfung erfolgt hervorragend durch Schäume aus in der Regelweichen Kunststoffen.

Körperschall ist die Ausbreitung von Schallwellen in festen Körpern. Körperschalldämmung soll die Übertragung von Schallwellen zwischen Bauteilen verhindern. Bei der Übertragung von Körperschall kommt es auf die Federsteifigkeit der Werkstoffe an. Eine geringe Federsteifigkeit koppelt eine erzwungene Anregung von einem Körper ab. Kritisch ist jedoch der Bereich der Eigenfrequenz, in dem eine Verstärkung stattfindet. Daher ist eine Kopplung mit einem dämpfenden Element sinnvoll. Bei der Körperschalldämpfung wird die Bauteilschwingung, insbesondere Biegeschwingungen bei Blechen (Dröhnen), durch Verformung der Beschichtungselemente in Wärmeenergie umgesetzt.

Für die Dämmung und Dämpfung von Körperschall eignen sich Kunststoffe wegen ihrer viskolelastischen Eigenschaften gut.

Die meisten Kunststoffe sind aus folgenden Elementen aufgebaut:

Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Chlor (Cl), Fluor (F)

Die Doppelbindung von Ethylen-Molekülen wird aufgespaltet, sodass an beiden Enden reaktionsfähige Gruppen vorhanden sind (Radikale). An diesen Enden reagieren diese Moleküle miteinander, es entsteht ein langer Molekülverband, das Makromolekül.

Unterhalb der Glasübergangstemperatur TG sind alle Moleküle unbeweglich und eingefroren, der Werkstoff verhält sich hart und spröde. Oberhalb der Glasübergangstemperatur TG sind die Moleküle in den amorphen Bereichen beweglich, die Kristallite geben dem Werkstoff Zusammenhalt und Stabilität. Die weichen amorphen Bereiche wirken wie Puffer, der Werkstoff verhält sich damit zäh-hart.

Thermoplaste:

Molekülketten, linear, verzweigt oder unverzweigt sind durch Erwärmung schmelzbar;

Elastomere:

weitmaschig vernetzte Makromoleküle, 3-dimensionales Netzwerk, nur elastisch verformbar, nicht schmelzbar;

Duroplaste:

engmaschig vernetzte Makromoleküle, 3-dimensionales Netzwerk, nicht verformbar, nicht schmelzbar.

In einem amorphen Thermoplast liegen die Moleküle als statistische Knäuel in völliger Unordnung vor. Ein teilkristalliner Thermoplast weist in Kristalliten geordnete parallel gelagerte Molekülsegmente auf, häufig in einer kugelförmigen Überstruktur, den Sphärolten. Zwischen den räumlich begrenzten Kristalliten befinden sich amorphe Bereiche.

Monomere sind die Grundbausteine für ein Makromolekül. Damit die Polyreaktion zum Makromolekül mit reaktiven Gruppen erfolgen kann, sind Doppelbindungen erforderlich.

Polymerisation:

Kettenreaktion, bei der die Mehrfachbindung eines Monomeren aufgebrochen und durch Anlagern der freien Valenz an diejenige der sich bildenden Kette gesättigt wird. Nacheinander werden die Monomeren zum Makromolekül zusammengefügt.

Polyaddition:

Durch Umbau reaktiver Gruppen wird das Makromolekül gebildet, es entstehen keine Nebenprodukte.

Polykondensation:

Reaktive Endgruppen führen unter Abspaltung von H2O zur Bildung eines Makromoleküls.

Dipolkräfte resultieren aus elektrostatischen Anziehungskräften zwischen Molekülen, die elektrischen Dipole enthalten. Sie werden auch als Van-der-Waals-Kräfte bezeichnet. Dipolkräfte sind die wichtigsten Nebenvalenzkräfte und spielen damit bei der Wechselwirkung zwischen den Makromolekülen eine wesentliche Rolle.

Erläutern Sie in einer Schemaskizze den Ordnungszustand von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten.

Bei der kovalenten Atombindung verbinden sich Atome durch gemeinsame „Nutzung“ von Elektronen. Man spricht dabei auch von Elektronenpaarbindung, Molekülbindung oder homöopolarer Bindung. Die Bindungsenergie von kovalenten Bindungen ist sehr hoch und um Größenordnungen höher als die äußere Festigkeit eines Kunststoffes.

Die Primärstruktur beschreibt zum einen die Konstitution, die Anordnung der Atome,Gruppen und Verzweigungen im Makromolekül, zum anderen das Molekulargewicht (= Länge des Moleküls). Mit der Konformation wird die räumliche Anordnung bestimmter chemischer Gruppen beschrieben.

Lösemittelviskosimetrie:

Polymere werden in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst.Die Bestimmung der Viskosität erfolgt z. B. mit einem Kapillarviskosimeter. Hierbei werden die Durchlaufzeiten von Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration mit der Durchlaufzeit einer definierten Menge Lösung verglichen. Durch bekannte Zusammenhänge kann das mittlere Molekulargewicht rechnerisch ermittelt werden. Eine Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung ist damit nicht möglich.

Die Sekundärstrukturbeschreibt die Anordnung der einzelnen Polymerketten und der Moleküle im Raum

Durch die Drehbeweglichkeit der C-C-Bindung kann die Molekülkette eine Vielzahl von Anordnungen einnehmen. Die statistisch wahrscheinlichste Form ist die Form eines Knäuels, soweit keine ordnenden Kräfte einwirken.