Einführung in die Kunststofftechnik

Besitzt zur Zeit der Annäherung von zwei Atomen nur ein Atom eine Ladungsverschiebung (Dipol), so kann es bei dem anderen Atom eine Ladungsverschiebung induzieren, so dass wiederum der positiv polarisierte Teil des einen Atoms den negativ polarisierten Teil des anderen Atoms anzieht. 

Die sehr starken Anziehungskräfte, die sich durch Wasserstoffbrücken ergeben, entstehen durch die hohe Affinität benachbarter Sauerstoff- und Wasserstoffatome aus verschiedenen Molekülketten. Die Brücken lösen sich erst  bei hoher Belastung, bauen sich jedoch sofort wieder kettenartig nach einer Verschiebung auf. Polyamide verdanken dieser Art Nebenvalenzkräften ihre besonderen mechanischen Eigenschaften. Die Temperaturabhängigkeit ist hier recht gering.

• Dispersionskräfte 0,1%-0,2%
• Dipol-Dipol-Kräfte 0,5%-2%
• Induktionskräfte 0,05%-0,2%
• Wasserstoffbrückenbindungen 2%-10%

Polymere:

• 10^4 - 10^6 (10^7) g/mol
• Verschlaufungen (entanglements) möglich
• Gestreckte Länge eines Makromoleküls ≈ 2 µm
• Analogie: D = 1 mm, L = 2 – 200 m

Oligomere:

• 10^2 - 10^4 g/mol
• keine Verschlaufungen

Einteilung nach Bildungsart:

•  Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation)
• Kondensationspolymerisation (Polykondensation)
• Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition)
• Abwandlung von Naturprodukten

Einteilung nach Verarbeitungsmöglichkeit:

• Thermoplaste: Kettenmoleküle
• Duroplaste: engmaschige Netzmoleküle
• Elastomere: weitmaschige Netzmoleküle
• Thermoplastische Elastomere

• Additionspolymerisation als Kettenreaktion (Polymerisation)
  • Polyethen PE
  • Polypropylen PP
  • Polystyrol PS
  • Polyvinylchlorid PVC
  • Polytetraflourethylen PTFE
• Additionspolymerisation als Stufenreaktion (Polyaddition)
  • Epoxidharz EP
  • Vinylesterharz VE
  • Polyurethan PUR
• Kondensationspolymerisation (Polykondensation)
  • Polyamide PA
  • Polyethylenterephtalat PET
  • Polycarbonat PC
  • Polyetheretherketon PEEK
  • Polyesterharz UP-Harz
  • Phenolharz PF-Harz

  Neue Nomenklatur nach IUPAC Literatur

• Initiator(Radikal) startet Kettenreaktion durch aufspalten eines Monomers
• Kettenaufbau
• Abbruch durch Reaktion mit freiem Radikal

teilkristalliner Thermoplast

Monomer: Ethen (CH2)

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion von Ethen

Anwendung:  Kunststoffkraftstoffbehälter KKB, Rohre, Abfallbehälter, Haushaltswaren (Eimer, Wäschekörbe)

Hochdruck-PE (PE-LD): weich und besonders flexibel, Einsatztemperatur -50°C bis +60°C

Niederdruck-PE (PE-HD):  steifer und abriebfester als PE-LD, Einsatztemperatur -50°C bis +90°C

Beständigkeit: 

• beständig gegen Wasser, viele Säuren, Laugen und Salzlösungen
•  bedingt beständig gegen Öle, Treibstoffe und organische Lösemittel (neigt je nach Dichtegrad zum Aufquellen)

amorph oder teilkristalliner Thermoplast

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion

Anwendung: Becher, Verpackungen (transparent), Wärmedämmung (schäumbar)

amorpher Thermoplast

Herstellung: Radikalische Polymerisation von Vinylchlorid in Substanz-, Suspensions-, Mikrosuspensions- und Emulsionspolymerisation.

Anwendung: Rohre, Bodenbeläge, Kreditkarten, Fensterprofile

Einsatztemperatur: -20°C bis +60°C

teilkristalliner Thermoplast

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion von Propen

Anwendung: CD-Hüllen, Lebensmittelverpackung (milchig durchsichtig), Technische Formteile (Automobil), PP-Fasern (Seile, Textilien)

Eigenschaften:

• Härter und steifer als PE-HD (härtestes Polyolefin)
• beständig gegen Umwelteinflüsse
• Rissauslösung nur durch stark oxidierende Chemikalien
• Problem: Alterung im UV-Licht (Stabilisatoren, Graphit 2,0 bis 2,5 %)
• M = 150.000 - 600.000 g/mol

Einsatztemperatur: 0°C bis 100°C

Thermoplast

Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion

Anwendung: (Plexiglas) Verscheibungen

teilkristalliner

Thermoplast Herstellung: Additionspolymerisation als Kettenreaktion

Anwendung: technische Gleitlager, Dichtungen, Beschichtungen (Teflon)

Eigenschaften:

• Extrem niedriger Gleitreibungskoeffizient
• Haftfeindliche (antiadhäsive) Oberflächeneigenschaften
• Sehr gute chemische Eigenschaften
• Ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften
• Hohe Zähigkeit und Flexibilität
• Äußerst geringe Feuchteaufnahme
• M 400.000 bis 9.000.000 g/mol
• Verarbeitung z. B. durch Sintern; kein Schmelzen möglich; zersetzt sich bei T  ≥ 400°C unter Bildung stark aggressiver, giftiger Gase.

Einsatztemperatur: -200°C bis +260°C

Es bilden sich meistens mehrgliedrige Einheiten

bei der Reaktion zwischen den Endgruppen wird eine niedermolekulare Verbindung abgespalten

amorph oder teilkristalliner Thermoplast

Herstellung: Kondensationspolymerisation

Anwendung: technische Formteile (Gleitlager, Zahnräder, Saugrohre, Seilrollen, etc.); Elektrische Formteile (Isolatoren, Spulenkörper, Schalter, ..)

Eigenschaften: 

• Teilkristalliner Kunststoff, häufig mit Glasfaserverstärkung
• Gute thermisch-mechanische Stabilität
• Dauergebrauchstemperatur (80 °C bis 140 °C) 
• Sehr gute Zähigkeit
• Mittlere bis gute Festigkeit und Steifigkeit
• Gute bis ausgezeichnete Schlagzähigkeit
• Gute bis sehr gute Gleit- und Verschleißeigenschaften
• Hohe Feuchtigkeitsaufnahme
• Empfindlich gegen Laugen und starke Säuren

amorpher (Kristallitanteil kleiner 5%) Thermoplast

Herstellung: Kondensationspolymerisation

Anwendung: Verscheibung, Brillengläser (transparent weil amorph); CDs, Mehrwegflaschen

Eigenschaften:

• Tieftemperaturzäh bis - 150 °C
• Beständig gegenüber Wasser, anorganischen und vielen organischen Säuren, Fluorwasserstoff, schwachen wässrigen Alkalien, Oxidations- und Reduktionsmitteln. Salzlösungen, Fette, Öle, aliphatische Kohlenwasserstoffe und Alkohole. 
• Unbeständig sind sie gegenüber starken wässrigen Alkalien, Ammoniak, Aminen, Estern und aromatischen Kohlenwasserstoffen.

Chemisches Aufbauprinzip eines Makromoleküls Beispiel: Aneinanderreihung der Atome, Art der Endgruppen und Substituenten, Art und Menge der Verzweigungen, Molekulargewicht

Räumliche Gestalt eines Moleküls ohne Berücksichtigung der voneinander nur durch Rotation um Einfachbindungen entstehenden Unterschiede.

Räumliche Gestalt, die Makromoleküle gleicher Konfiguration durch Drehen oder Umklappen um die Bindungsachsen erreichen. Idealer Winkel der Anordnung ca 108°-109° (Tetraederwinkel)

Taktizität beschreibt die wiederkehrende Anordnung der Nebenketten eines Polymers

• isotaktisch (alle Reste zeigen in eine Richtung)
• syndiotaktisch (Reste zeigen abwechselnd (alternierend) nach vorne und hinten)
• ataktisch (Reste sind willkürlich angeordnet)

• Kammpolymer
• Sternpolymer
• Vernetztes Polymer
• Baumstruktur
• Dendrimer

Die Topologie beschreibt die räumliche Anordnung von Polymeren

• Lineares Polymer (keine Seitenketten)
• Verzweigtes Polymer
• Kurzkettenverzweigtes Polymer

• Statistisches Copolymer
• Blockcopolymer
• Pfropfcopolymer

Mit steigendem Molekulargewicht:

• steigt die Bruchdehnung
• sinkt der Kristallisationsgrad
• sinkt der E-Modul
• sinkt die Dichte
• sinkt der Abrieb

Grund: weniger/schwächere physikalische Bindungen

siehe Bild

• Tn = Nebenerweichung
• Speichermodul = Wie viel Energie elastisch gespeichert werden kann
• Tg > RT sonst kein Feststoff

• Tm = Schmelztemperatur Ts
• Tg in der Regel < RT
• Tn = Nebenerweichung

teilkristallin:

• Übergang von energieelastischem zu entrophieelastischem Bereich
• Werkstoff neigt zum Kriechen
• Tg liegt in der Regel unterhalb der RT

amorph:

• Übergang von energieelastischem zu viskosem Bereich
• Werkstoff geht von festem zu zähflüssigem Zustand über
• Tg sollte immer oberhalb der Einsatztemperatur liegen

Tg: Der Abfall beschreibt wie eng und gut das Polymer vernetzt ist

Kein Aufschmelzen möglich -> Polymer zersetzt sich bei hohen Temperaturen

Einsatztemperatur sollte unterhalb Tg liegen

Tg < RT gute Verformbarkeit bei Betriebstemperatur

Starke Versprödung wenn Tg unterschritten wird

• Supermolekulare Struktur
• entsteht durch Keimbildung und Wachstum kristalliner Bereich in radialer Richtung

Als homogen bezeichnet man eine Keimbildung, die in einer reinen Polymerschmelze ohne Verunreinigungen abläuft (meistens Laborbedingungen). Die Keime werden aus den Molekülsegmenten des kristallisierenden Stoffes selbst gebildet. Homogene Keimbildung ist stets primär.

Keime werden durch fremde Grenzflächen gebildet. Ein Molekül lagert sich unter Kettenfaltung an die Oberflächen eines bestehenden Keimes (z.B. Verunreinigungen) an. Der Energieaufwand für die Keimbildung ist geringer, wenn bereits eine oder mehrere Oberflächen vorhanden sind (z.B. auch Gefäßwand). Mindestkeimgröße 2-10 nm.