WST20 Werkstoffkunde WST201/203 AKAD
Fragenkatalog
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Beschreiben Sie die Einflüsse auf das Kriechverhalten.
Der Verlauf des Kriechens ist abhängig von der Belastungshöhe, von der Belastungszeit und von der Temperatur. Hohe Belastung und hohe Temperatur führen zu stärkerem Kriechen. Mit zunehmender Belastungsdauer wird die Dehnungszunahme geringer. Skizze: Verlauf der Dehnung bei konstanter Last
Skizzieren und beschreiben Sie das Burger-Kelvin-Modell und erläutern Sie die Auswirkungen der Elemente auf das Verformungsverhalten.
Das mechanische Ersatzmodell nach Burger-Kelvin besteht aus einem Federelement, einem Dämpferelement und einem Element, in dem Feder und Dämpfer parallel geschaltet sind (Skizze links). Das Federelement bewirkt eine elastische Verformung, die nach Entlastung vollständig zurückgeht. Das viskose Element bewirkt eine plastische Verformung, die nach Entlastung bleibt. Das Feder-/Dämpferelement bewirkt bei Belastung eine verzögerte Zunahme der Dehnung, bei Entlastung einen verzögerten Rückgang der Verformung (Skizze rechts).
Beschreiben Sie die Vorgehensweise bei der Erstellung eines Isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammes.
Mit unterschiedlichen Belastungshöhen (Spannungen) werden Kriechversuche unter bestimmten Bedingungen (z. B. Temperatur) durchgeführt. Aus den damit ermittelten Kriechkurven werden die Spannungs- und Dehnungswerte bestimmter Zeiten abgelesen, und in ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm übertragen. Die bestimmten Zeiten zugeordneten Spannungs- und Dehnungswerte werden zu Linien gleicher Zeit verbunden, die das Verformungsverhalten eines Kunststoffes für die jeweilige Belastungsdauer wiedergeben.
Skizzieren Sie für einen spröden Kunststoff den Spannungs-Dehnungs-Verlauf und tragen Sie die charakteristischen Kennwerte ein.
σB Bruchspannung, Spannung, bei der der Probekörper bricht,
σM Zugfestigkeit, maximale Spannung, die beim Dehnen eines Probekörpers auftritt,
εB Bruchdehnung, Dehnung bei Bruchspannung, wenn keine Streckspannung vorhanden,
εM Dehnung bei Zugfestigkeit, Dehnung bei Maximalspannung
Skizzieren Sie für einen zäh-harten, teilkristallinen Kunststoff den Spannungs-Dehnungs-Verlauf und tragen Sie die charakteristischen Kennwerte ein. Tragen Sie in die Skizze die Ermittlung des Anfangs-E-Moduls ein.
Σγ Streckspannung (yield stress), erstes Spannungsmaximum bei weiter zunehmender Dehnung
Εγ Streckdehnung, Dehnung bei Streckspannung
-- Anfangs-E-Modul
Wie ist der Elastizitätsmodul definiert und welche allgemeine Aussage kann daraus abgeleitet werden?
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.
Von welchen Einflüssen ist die Zugfestigkeit stark abhängig?
Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit (= Prüfgeschwindigkeit) wirken sich stark auf die Ergebnisse des Zugversuches und die ermittelte Zugfestigkeit aus.
Wie wirkt sich die Sphärolithgröße bei einem teilkristallinen Thermoplast auf die Brucheigenschaften 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.
Erläutern Sie die Mechanismen im Werkstoff, die zum zähen Verhalten führt.
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.
Welche Einschränkungen sind für Lagerungen aus Kunststoffen zu beachten?
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.
Nennen Sie die Gründe dafür, warum Polytetrafluorethylen (PTFE) sich hervorragend als Gleitwerkstoff eignet.
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.
Für welche Einsatzzwecke werden Kunststoffe als Gleitelemente angewandt?
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.
Nennen Sie die Vor- und Nachteile von Kunststoffen in Bezug auf Verschleiß gegenüber metallischen Werkstoffen.
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.
Welche Auswirkung haben Kunststoffe als Dielektrikum in einem Kondensator?
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).
Welche Kunststoffe eignen sich für das Schweißen mit elektrischen Wechselfeldern (Hochfrequenzschweißen)?
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.
Wie wird die Durchschlagfestigkeit von Kunststoffen bei mechanischer Beanspruchung beeinflusst?
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
Warum können Kunststoffe für präzise optische Geräte nicht angewandt werden?
Die Brechungszahlen von Kunststoffen sind stark temperaturabhängig. Außerdem weisen Kunststoffe einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, was den Einfluss der Temperatur weiter erhöht
Was versteht man unter Doppelbrechung?
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.
Geben Sie die Gründe für Doppelbrechung während der Verarbeitung (Orientierungsdoppelbrechung) 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.
Erläutern Sie die Begriffe Luftschall und Körperschall und die Eigenschaften
von Kunststoffen bei Dämmung und Dämpfung.
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.
Nennen Sie mindestens fünf Spitzeneigenschaften und die Vorteile, die Kunststoffe in dieser Hinsicht bieten.
Kunststoffe sind leicht:
Mit relativ niedriger Dichte weisen Kunststoffe mit dem Einsatz von Verstärkungsstoffen relativ hohe Festigkeit auf. Dies bietet Gewichtsvorteile im Fahrzeug- und Flugzeugbau.
Kunststoffe sind flexibel und elastisch verformbar:
Toleranzausgleich, bewegliche Verbindungen und integrierte Dichtelemente sind mit Kunststoffen einfach ealisierbar.
Kunststoffe verhalten sich zäh-hart und haben ein hohes Arbeitsaufnahmevermögen:
Teilkristalline Thermoplaste weisen einen Zustandsbereich auf, in dem die amorphen Bereiche beweglich sind, die Kristallite dem Werkstoff jedoch die Stabilität verleihen. Spannungen werden durch Verformung abgebaut.
Kunststoffe sind transparent:
Amorphe Kunststoffe können damit für Verglasungen und optische Anwendungen eingesetzt werden.
Kunststoffe sind gute thermische und elektrische Isolatoren:
Für elektrische Anwendun- gen und Gehäuse sind Kunststoffe daher bestens geeignet.
Aus welchen Elementen sind die meisten Kunststoffe aufgebaut?
Die meisten Kunststoffe sind aus folgenden Elementen aufgebaut:
Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Chlor (Cl), Fluor (F)
Beschreiben Sie die Entstehung eines Polymermoleküls am Beispiel von Polyethylen.
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.
Bei teilkristallinen Kunststoffen gibt es einen hart-spröden und zäh-harten Zustand.
Erläutern Sie, wie es dazu kommt.
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.
Beschreiben Sie die Einteilung der Kunststoffe.
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.
Worin unterscheiden sich amorphe und teilkristalline Thermoplaste?
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.
Wodurch ist ein Monomer gekennzeichnet?
Monomere sind die Grundbausteine für ein Makromolekül. Damit die Polyreaktion zum Makromolekül mit reaktiven Gruppen erfolgen kann, sind Doppelbindungen erforderlich.
Nennen Sie drei Polyreaktionen bei der Bildung von Polymeren und beschreiben Sie die wesentlichen Merkmale.
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.
Was versteht man unter Dipolkräften?
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.
Erläutern Sie in einer Schemaskizze den Ordnungszustand von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten.
Charakterisieren Sie die kovalente Atombindung.
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.
Was versteht man unter der Primärstruktur eines Polymeren?
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.
Beschreiben Sie ein gängiges Verfahren zur Bestimmung des Molekulargewichtes.
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.
Was versteht man unter der Sekundärstruktur eines Polymeren?
Die Sekundärstrukturbeschreibt die Anordnung der einzelnen Polymerketten und der Moleküle im Raum
Woher kommt es, dass eine Polymerkette eine Knäuelstruktur einnimmt?
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.
Woher kommt es, dass eine Polymerkette eine Knäuelstruktur einnimmt?
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.
Wodurch wird die Glasübergangstemperatur stark beeinflusst?
Seitengruppen (Substituenten) behindern die Drehbeweglichkeit der Polymerkette um
die C-C-Bindung stark. Je größer und sperriger der Substituent ist, desto größer ist diese
sterische Behinderung, umso höher ist die Einfriertemperatur.
Erläutern Sie am Beispiel von Polyethylen die Kristallbildung bei Polymeren
Bei regelmäßigem Aufbau eines Makromoleküles können sich Segmente mehrerer Ketten so parallel anordnen, dass eine Kristallstruktur mit enger Packungsdichte unter Wirkung von Nebenvalenzkräften entsteht. Da eine räumliche Parallelanordnung von Kettensegmenten nur über eine begrenzte Distanz möglich ist, sind die Kristallstrukturen auf Kristallite begrenzt, zwischen den Kristalliten sind amorphe Bereiche, in denen die Makromoleküle ungeordnet vorliegen. Polyethylen weist mit der C-Molekülkette und den H-Seitenatomen einen völlig regelmäßigen Aufbau auf und ist zu 70 % kristallin.
Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Copolymeren und Polymer-Blends.
Bei Copolymeren werden mehrere Monomerarten in ein Makromolekül durch Polyreaktion eingebaut. Polymer-Blends sind Legierungen (Mischungen) von verschiedenen Polymeren
Warum werden Kunststoffe mit Additiven ausgerüstet?
Durch Zumischung von Additiven werden die Eigenschaften für die jeweilige Anwendung angepasst, eine besondere Rolle spielen hierbei die Stabilisierung gegen Wärme und UV-Licht sowie die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Füll- und Verstärkungsstoffe. Verarbeitungshilfsstoffe verbessern die Verarbeitbarkeit.
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Nennen Sie mindestens fünf Spitzeneigenschaften und die Vorteile, die Kunststoffe in dieser Hinsicht bieten.
Kunststoffe sind leicht:
Mit relativ niedriger Dichte weisen Kunststoffe mit dem Einsatz von Verstärkungsstoffen relativ hohe Festigkeit auf. Dies bietet Gewichtsvorteile im Fahrzeug- und Flugzeugbau.
Kunststoffe sind flexibel und elastisch verformbar:
Toleranzausgleich, bewegliche Verbindungen und integrierte Dichtelemente sind mit Kunststoffen einfach ealisierbar.
Kunststoffe verhalten sich zäh-hart und haben ein hohes Arbeitsaufnahmevermögen:
Teilkristalline Thermoplaste weisen einen Zustandsbereich auf, in dem die amorphen Bereiche beweglich sind, die Kristallite dem Werkstoff jedoch die Stabilität verleihen. Spannungen werden durch Verformung abgebaut.
Kunststoffe sind transparent:
Amorphe Kunststoffe können damit für Verglasungen und optische Anwendungen eingesetzt werden.
Kunststoffe sind gute thermische und elektrische Isolatoren:
Für elektrische Anwendun- gen und Gehäuse sind Kunststoffe daher bestens geeignet.
Aus welchen Elementen sind die meisten Kunststoffe aufgebaut?
Die meisten Kunststoffe sind aus folgenden Elementen aufgebaut:
Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Chlor (Cl), Fluor (F)
Beschreiben Sie die Entstehung eines Polymermoleküls am Beispiel von Polyethylen.
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.
Bei teilkristallinen Kunststoffen gibt es einen hart-spröden und zäh-harten Zustand.
Erläutern Sie, wie es dazu kommt.
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.
Beschreiben Sie die Einteilung der Kunststoffe.
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.
Worin unterscheiden sich amorphe und teilkristalline Thermoplaste?
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.
Wodurch ist ein Monomer gekennzeichnet?
Monomere sind die Grundbausteine für ein Makromolekül. Damit die Polyreaktion zum Makromolekül mit reaktiven Gruppen erfolgen kann, sind Doppelbindungen erforderlich.
Nennen Sie drei Polyreaktionen bei der Bildung von Polymeren und beschreiben Sie die wesentlichen Merkmale.
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.
Was versteht man unter Dipolkräften?
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.
Erläutern Sie in einer Schemaskizze den Ordnungszustand von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten.
Charakterisieren Sie die kovalente Atombindung.
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.
Was versteht man unter der Primärstruktur eines Polymeren?
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.
Beschreiben Sie ein gängiges Verfahren zur Bestimmung des Molekulargewichtes.
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.
Was versteht man unter der Sekundärstruktur eines Polymeren?
Die Sekundärstrukturbeschreibt die Anordnung der einzelnen Polymerketten und der Moleküle im Raum
Woher kommt es, dass eine Polymerkette eine Knäuelstruktur einnimmt?
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.
Woher kommt es, dass eine Polymerkette eine Knäuelstruktur einnimmt?
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.
Wodurch wird die Glasübergangstemperatur stark beeinflusst?
Seitengruppen (Substituenten) behindern die Drehbeweglichkeit der Polymerkette um
die C-C-Bindung stark. Je größer und sperriger der Substituent ist, desto größer ist diese
sterische Behinderung, umso höher ist die Einfriertemperatur.
Erläutern Sie am Beispiel von Polyethylen die Kristallbildung bei Polymeren
Bei regelmäßigem Aufbau eines Makromoleküles können sich Segmente mehrerer Ketten so parallel anordnen, dass eine Kristallstruktur mit enger Packungsdichte unter Wirkung von Nebenvalenzkräften entsteht. Da eine räumliche Parallelanordnung von Kettensegmenten nur über eine begrenzte Distanz möglich ist, sind die Kristallstrukturen auf Kristallite begrenzt, zwischen den Kristalliten sind amorphe Bereiche, in denen die Makromoleküle ungeordnet vorliegen. Polyethylen weist mit der C-Molekülkette und den H-Seitenatomen einen völlig regelmäßigen Aufbau auf und ist zu 70 % kristallin.
Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Copolymeren und Polymer-Blends.
Bei Copolymeren werden mehrere Monomerarten in ein Makromolekül durch Polyreaktion eingebaut. Polymer-Blends sind Legierungen (Mischungen) von verschiedenen Polymeren
Warum werden Kunststoffe mit Additiven ausgerüstet?
Durch Zumischung von Additiven werden die Eigenschaften für die jeweilige Anwendung angepasst, eine besondere Rolle spielen hierbei die Stabilisierung gegen Wärme und UV-Licht sowie die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Füll- und Verstärkungsstoffe. Verarbeitungshilfsstoffe verbessern die Verarbeitbarkeit.
Nennen Sie eine Möglichkeit, die elektrostatische Aufladung einer Kunststoffoberfläche zu verhindern.
Die Zumischung von Antistatika bewirkt die Erniedrigung des Oberflächenwiderstandes
und ermöglicht die Ableitung von Ladungen.
Wie unterscheiden sich Füllstoffe und Verstärkungsstoffe?
Füllstoffe erhöhen kostengünstig Volumen und/oder Gewicht eines Kunststoffes, die mechanischen Eigenschaften werden nur unwesentlich beeinflusst.
Verstärkungsstoffe erhöhen insbesondere Zugfestigkeit und E-Modul stark, abhängig
von Faserart und -länge, sowie Gewichtsanteil.
Wie kann das Brandverhalten von Kunststoffen beeinflusst werden?
Flammhemmende Zusätze vermindern die Brennbarkeit von Kunststoffen, indem
– der Sauerstoff vom Brandherd abgeschirmt wird,
– die Zersetzung verhindert wird oder
– die Oxidationsreaktion verhindert wird
Nennen Sie sechs Arten von Additiven.
– Weichmacher zur Erniedrigung des E-Moduls,
– Stabilisatoren verhindern den Abbau der Moleküle durch Wärmebewegung und Oxidation,
– Gleitmittel vermindern innere und äußere Reibung des Kunststoffs,
– Antistatika verhindern elektrostatische Aufladung,
– Farbmittel zur Einfärbung,
– Treibmittel zur Herstellung aufgeschäumter Teile.
Nennen und erläutern Sie die Ursachen für Abbaureaktionen bei Polymeren.
Polymere werden durch Zufuhr von Energie und Anwesenheit bestimmter Reagenzien abgebaut. Hierbei werden entweder Seitenketten abgespalten, oder die Hauptkette aufgetrennt. Ursachen:
– Strahlungsenergie (UV-, γ- oder Elektronen-Strahlung),
– Wärmeenergie,
– Mechanische Energie (Scherung).
– Hydrolyse (insbesondere Polyamide, katalysiert).
Wie hängt der thermische Abbau eines Polymeren mit der Verweilzeit bei erhöhter Temperatur zusammen?
Die Abbaugeschwindigkeit steigt exponentiell mit der Temperatur, entsprechend sinkt die Zeitdauer, in der ein Polymer erhöhter Temperatur ausgesetzt werden darf, exponentiell.
Gegen welche Chemikalien ist die Beständigkeit von Kunststoffen relativ niedrig?
Kunststoffe werden durch stark oxidierend wirkende Stoffe angegriffen. Die Schädigung führt über Verfärbung und Versprödung zu Zerstörung. Kunststoffe mit Amid- und Estergruppen sind bei Einwirkung von Wasser anfällig für
Hydrolyse. Treibstoffe, Fette, Öle und organische Lösungsmittel sind in der Lage, viele Kunststoffe zu quellen oder auch zu lösen.
Nennen Sie die drei Stufen des Recyclings von Kunststoffen und erläutern Sie diese
Werkstoffliches Recycling:
Der Kunststoff wird direkt wieder eingesetzt, die Polymermoleküle bleiben unverändert. Die Beeinflussung bzw. Verbesserung der Eigenschaften
wird erzielt durch Reinigen und Abmischen mit zusätzlichen Additiven. Es werden nur sortenreine und verträgliche Bestandteile verwendet.
Rohstoffliches Recycling:
Die Makromoleküle werden in niedermolekulare Bestandteile bis hin zu Monomeren zerlegt. Sie stehen anschließend für die Entstehung von Polymeren durch Polyreaktion zur Verfügung.
Energetisches Recycling:
Nutzung des Energieinhaltes von Polymeren, die durch starke Verschmutzung oder Vermischung sinnvollerweise nicht mehr werkstofflichem oder rohstofflichem Recycling zugeführt werden können.
Welche Vorraussetzungen müssen für werkstoffliches Recycling gegeben sein?
Für werkstoffliches Recycling müssen die Kunststoffe sortenrein oder zumindest verträglich sein. Verschmutzungen müssen mit wenig Aufwand entfernt werden können.
Beim Erstarren sind zwischen einem amorphen und einem teilkristallinen Thermoplast Unterschiede bei der Entstehung der Nebenvalenzkräfte gegeben. Erläutern Sie diese.
Bei amorphen Thermoplasten verlieren die Molekülketten im Bereich der Glasübergangstemperatur TG ihre Beweglichkeit, Nebenvalenzbindungen zwischen den Ketten werden aufgebaut. Die Schmelze friert ein und erstarrt nach und nach völlig. Bei teilkristallinen Thermoplasten weisen die Molekülketten einen regelmäßigen Bau auf, Segmente der Ketten können bereits weit oberhalb der Glasübergangstemperatur Nebenvalenzbindungen zu Nachbarsegmenten aufbauen. Hierbei wird nun eine engste Packungsdichte erreicht, es erfolgt Kristallisation, der Werkstoff wird fest. Die Moleküle, die nicht in Kristalliten eingebaut sind, sind weiterhin beweglich und sorgen für die zähen Eigenschaften.
Erläutern Sie die Volumenschwindung eines Bauteils anhand der Zusammenhänge im p-v-T-Diagramm.
Im p-v-T-Diagramm ist das spezifische Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck ablesbar. Setzt man eine bestimmte Menge Schmelze bei gleichbleibender Temperatur unter Druck, so bewegt man sich im Diagramm senkrecht von oben nach unten. Kühlt eine Schmelze bei gleichbleibendem Druck ab, so bewegt man sich von rechts nach links, durch Nachschieben von Werkstoffnimmt das spezifische Volumen weiter zu, die Linie verläuft parallel zum Druckverlauf (1→2). Im Fertigungsprozess sinkt bei zunehmender Erstarrung der Druckeinfluss (2→3). Bei 3 wird die unter Druck
stehende Masse eingeschlossen, es wird bei gleichbleibendem spezifischem Volumen weiter abgekühlt (isochor), die Linie verläuft waagerecht von rechts nach links. Ist die Drucklinie p0 erreicht (Atmosphärendruck), so nimmt das spezifische Volumen bis auf einen Wert bei Raumtemperatur ab. Die Differenz des spezifischen Volumens zwischen 4 und 5 im Verhältnis zum spezifischen Volumen bei 4 stellt die Volumenschwindung dar.
Beschreiben Sie die morphologische Struktur eines Polymeren, das in der Lage ist zu kristallisieren
Ausgehend von einem Keim wachsen (sobald die Bedingungen hierfür gegeben sind) Kristallite kugelförmig nach außen. Es werden Lamellen aus gefalteten und durchgehenden Molekülen gebildet. Das kugelförmige Gebilde, in denen die Kristallite und Lamellen radial angeordnet sind, wird als Sphärolith
bezeichnet.
Welche Bedingungen müssen für die Bildung eines Kristallkeimes gegeben sein?
Sobald die Energiebilanz zwischen dem Zustand vorher (Schmelze) und nachher (Bindung in Kristallit) günstiger ist, erfolgt eine Kristallisation. Bei Abkühlung aus der Schmelze heraus ist das erste Wachstum eines Keimes von der Größe abhängig. Die bei der Kristallisation freiwerdende Energie muss größer sein, als die zur Bildung der Grenzfläche notwendige Energie. Dies ist bei einem bestimmten Radius eines Kristallkeimes der Fall, dem kritischen Radius.
Was ist unter homogener Keimbildung zu verstehen?
Eine Keimbildung verläuft homogen, wenn die Keime aus einer reinen Polymerschmelze gebildet werden. Dies ist in der Praxis nahezu nie der Fall. In der Regel sind Einflüsse durch das Werkzeug und durch Verunreinigung und Zusätze gegeben, die als Keime wirken.
Was versteht man unter dem Kriechen eines Kunststoffes?
Kriechen:
Bei Belastung einer Probe stellt sich eine spontane Dehnung ein. Durch innere Fließvorgänge bleibt diese Dehnung nicht konstant, sondern nimmt während der Belastung zu.
Beschreiben Sie die Einflüsse auf das Kriechverhalten.
Der Verlauf des Kriechens ist abhängig von der Belastungshöhe, von der Belastungszeit und von der Temperatur. Hohe Belastung und hohe Temperatur führen zu stärkerem Kriechen. Mit zunehmender Belastungsdauer wird die Dehnungszunahme geringer. Skizze: Verlauf der Dehnung bei konstanter Last
Skizzieren und beschreiben Sie das Burger-Kelvin-Modell und erläutern Sie die Auswirkungen der Elemente auf das Verformungsverhalten.
Das mechanische Ersatzmodell nach Burger-Kelvin besteht aus einem Federelement, einem Dämpferelement und einem Element, in dem Feder und Dämpfer parallel geschaltet sind (Skizze links). Das Federelement bewirkt eine elastische Verformung, die nach Entlastung vollständig zurückgeht. Das viskose Element bewirkt eine plastische Verformung, die nach Entlastung bleibt. Das Feder-/Dämpferelement bewirkt bei Belastung eine verzögerte Zunahme der Dehnung, bei Entlastung einen verzögerten Rückgang der Verformung (Skizze rechts).
Beschreiben Sie die Vorgehensweise bei der Erstellung eines Isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammes.
Mit unterschiedlichen Belastungshöhen (Spannungen) werden Kriechversuche unter bestimmten Bedingungen (z. B. Temperatur) durchgeführt. Aus den damit ermittelten Kriechkurven werden die Spannungs- und Dehnungswerte bestimmter Zeiten abgelesen, und in ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm übertragen. Die bestimmten Zeiten zugeordneten Spannungs- und Dehnungswerte werden zu Linien gleicher Zeit verbunden, die das Verformungsverhalten eines Kunststoffes für die jeweilige Belastungsdauer wiedergeben.
Skizzieren Sie für einen spröden Kunststoff den Spannungs-Dehnungs-Verlauf und tragen Sie die charakteristischen Kennwerte ein.
σB Bruchspannung, Spannung, bei der der Probekörper bricht,
σM Zugfestigkeit, maximale Spannung, die beim Dehnen eines Probekörpers auftritt,
εB Bruchdehnung, Dehnung bei Bruchspannung, wenn keine Streckspannung vorhanden,
εM Dehnung bei Zugfestigkeit, Dehnung bei Maximalspannung
Skizzieren Sie für einen zäh-harten, teilkristallinen Kunststoff den Spannungs-Dehnungs-Verlauf und tragen Sie die charakteristischen Kennwerte ein. Tragen Sie in die Skizze die Ermittlung des Anfangs-E-Moduls ein.
Σγ Streckspannung (yield stress), erstes Spannungsmaximum bei weiter zunehmender Dehnung
Εγ Streckdehnung, Dehnung bei Streckspannung
-- Anfangs-E-Modul
