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Kunststoffe – Werkstoffe und grundlegende Eigenschaften

2018-07-23T22:24:36

Die Kunststoffe, auch Plaste oder Plastik genannt, sind synthetisch erzeugte, organische Werkstoffe. Sie werden aus Rohstoffen, wie z. B. Erdöl, durch chemische Umwandlung (Synthese) hergestellt. Kunststoffe werden als organische Stoffe bezeichnet, weil sie aus organischen Kohlenstoff- oder Siliziumverbindungen bestehen. Sie nehmen in der Technik als Werkstoffe einen bedeutenden Platz ein. Ihre vielseitige Verwendbarkeit beruht auf ihren besonderen
Eigenschaften sowie der Möglichkeit, Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Durch die sehr geringe Dichte von 0,9 kg/dm3 bis 1,4 kg/dm3 (Ausnahme PTFE, ρ = 2,2 kg/dm3) finden sie ihren Einsatz im Behälterbau, im Automobil- und Flugzeugbau, im Leichtbauteile. Die Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit vieler Kunststoffsorten verleiht ihnen ihren Einsatz im Rohrleitungbau, bei Armaturen oder Chemikaliengefäßen sowie in der Beschichtungsindustrie. Je nach Sorte sind sie hart, biegsam oder elastisch und eigenen sich für Maschinenteile, gummielastische Bauteile oder Gehäuse. Sie haben eine glatte, dekorative Oberfläche, sind elektrisch isolierend und wärmedämmend (Werkzeuggriffe, Elektrobauteile, Wärmedämmmaterialien) und kostengünstig zu verarbeiten. Im Vergleich zu den Metallen weisen sie ein sehr viel geringere Wärmebeständigkeit auf, sind zum Teil brennbar, besitzen deutlich geringere Festigkeiten, sind zum Teil unbeständig gegen Lösungsmittel und nur begrenzt durch Recycling wiederverwendbar.

Strukturformel von Teflon = Polytetrafluorethen

 

Basis für die Herstellung von Kunststoffen ist Kohle, Erdgas und vor allem Erdöl. Letzteres stellt ein vielfältiges Gemisch zahlreicher Kohlenwasserstoffverbindungen dar. Durch petrochemische Verfahren werden aus dem Erdöl die Grundsubstanzen zur Synthese von Kunststoffen gewonnen. In nahezu allen Kunststoffen ist das Element Kohlenstoff (C) wesentlich am Aufbau beteiligt, außer bei Silikonverbindungen.

Es liegt nahe, dass synthetisch hergestellte Kunststoffe nach ihrer Bildungsreaktion eingeteilt und beschrieben werden. Die primäre chemische Bindungsreaktion ist die Atombindung. Die Auffüllung der äußeren Elektronenschale ist bei der Atombindung mit Elektronen gleicher und verschiedener Atome möglich. Daraus leitet sich die Kettenbildungsfähigkeit der Kohlenstoffatome ab. Neben der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (z.B. Polyethen, Polyisopropen) besteht auch die Möglichkeit, dass andere Atome wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff in die Kette mit eingebaut werden (z.B. Polyacetat, Polyamid). Erfolgt die Kettenbildung durch das Element Silizium, so entstehen Silikone. Man unterscheidet drei Arten von Bildungsreaktionen: die Polymerisation führt zu Polymerisaten (Polymere), die Polykondensation zu Polykondensaten und die Polyaddition zu Polyaddukten.

Für die Anwendung der Kunststoffe spielen technologische Gesichtspunkte eine wesentliche Rolle. Deshalb werden üblicherweise die Kunststoffe nach ihren mechanisch-thermischen Eigenschaften eingeteilt. Man unterscheidet Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere und Thermoplastische Elastomere (TPE).

Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Molekülketten, die miteinander nicht durch chemische Bindungen vernetzt sind. 

Die amorphen Thermoplaste bestehen aus regellos ineinander verschlauften und verknäuelten Makromolekülen ohne regelmäßige Anordnung und Orientierung. Es fehlt jede Art von Fernordnung, das heißt eine über den nächsten Nachbarn hinausgehende Ordnung der Makromoleküle bezüglich Abstand, Anordnung und Orientierung. Der Zusammenhalt zwischen den Molekülketten erfolgt durch mechanische Verschlaufungen und Verhakungen sowie durch sekundäre chemische Bindungskräfte (Nebenvalenzbindungen). Ihre Festigkeit erhalten diese Kunststoffe aus den Reibungskräften und der Verschlingung der Makromoleküle. Bei Raumtemperatur sind die Thermoplaste hart. Mit zunehmender Temperatur werden sie elastisch und bei weiterer Erwärmung plastisch weich und schließlich flüssig. Bei Abkühlung der heißen Kunststoffmasse verändern sie sich vom flüssigen, über den plastisch weichen und elstischen Zustand zum harten Material. Dies verleiht ihnen die Eigenschaft der Warmumformbarkeit und Schweißbarkeit. Da diese Kunststoffe beim Erwärmen weich werden, nennt man sie Thermoplaste (von griechisch thermo = Wärme). Die Erwärmung von Kunststoffen ist nur bis zu einer bestimmten Grenztemperatur (Zersetzungstemperatur) möglich, da sie sich bei Überschreiten dieser Temperatur zersetzen.

Eigenschaften von amorphen Thermoplasten

Eigenschaften von teilkristallinen Thermoplasten

 

Teilkristalline Thermoplaste enthalten neben amorphen Bereichen auch Zonen mit einer mehr oder weniger starken Ausrichtung der Makromoleküle, die kristallinen Bereiche. Stark vereinfacht kann man sich einen teilkristallinen Thermoplasten aus Bereichen hoher Ordnung (Kristallite), die in eine Matrix aus ungeordneten (amorphen) Molekülketten eingebettet sind, aufgebaut denken. Der Kristallinitätsgrad der teilkristallinen Thermoplaste beträgt bis zu 90 % und wird durch unterschiedliche Faktoren wie das Vorhandensein von Kettenverzweigungen, isotaktischen Bau und Länge der Molekülkette beeinflusst. Durch eine Erhöhung der Kristallinität nehmen die zwischenmolekularen Kräfte zu. Damit steigen Festigkeit, E-Modul und Dichte, während das Verformungsvermögen und die Transparenz abnehmen. Mit Erreichen der Zersetzungstemperatur setzt schließlich auch bei den teilkristallinen Thermoplasten der Zerfall der Molekülketten ein.

Durch gerichtete viskosplastische Deformationen oberhalb der Glastemperatur während der Verarbeitung, dem Verstrecken, kann insbesondere bei den teilkristallinen Thermoplasten ein orientierter Molekülzustand erreicht werden. Die teilkristalline Struktur wird in eine Streckrichtung orientiert. Dadurch werden in Streckrichtung eine beträchtliche Erhöhung der Zugfestigkeit sowie eine Verbesserung der Schlagzähigkeit erzielt.

Duroplaste bestehen aus Makromolekülen, die an vielen Vernetzungsstellen durch chemische Bindungen engmaschig miteinander verknüpft sind. Das mechanisch-thermische Verhalten der Duroplaste unterscheidet sich aufgrund der engmaschigen räumlichen Vernetzung grundlegend. Duroplastische Kunststoffe verändern ihr mechanisches Verhalten durch Erwärmung nur geringfügig, da die Vernetzungsstellen keine Verschiebung der Makromoleküle zulassen. Wegen dieser Eigenschaft, dem Erhalt der Härte und Festigkeit bei Erwärmung, nennt man diese Kunststoffe Duroplaste (von lateinisch durus = hart). Bei Erwärmung über die Zersetzungstemperatur hinaus, zerfallen die Duroplaste, ohne weich zu werden, das heißt sie sind nicht umformbar und nicht schweißbar. Mit zunehmendem Vernetzungsgrad steigt die Festigkeit und Härte, der E-Modul und die Wärme(form)beständigkeit. Ein zu hoher Vernetzungsgrad würde aufgrund einer stark eingeschränkten elastischen Verformbarkeit allerdings zu einer unerwünschten Versprödung der Kunststoffe führen. 

Mechanisches Verhalten von Duroplasten (oben) und Elastomeren (unten) (Quelle: Tabellenbuch Metall, Europa-Verlag)

Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Kunststoff; A – spröde, B – plastisch, C – hochelastisch (Quelle: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik; VCH-Verlag)

 

Elastomere sind aus Makromolekülen aufgebaut, die verknäult (mechanisch verankert) und zusätzlich an wenigen Stellen weitmaschig vernetzt sind. Durch äußere Krafteinwirkung lassen sich Elastomere um mehrere hundert Prozent elastisch verformen und nehmen nach Wegnahme der Kraft wieder ihre alte Form an (elastisches Rückstellvermögen). Man nennt dieses mechanische Verhalten gummielastisch und Kunststoffe mit dieser Eigenschaft Elastomere. Durch Erwärmung wird das gummielastische Verhalten der Elastomere nur wenig verändert, sie werden lediglich etwas weicher. Bei zu starker Erwärmung zersetzen sie sich. Dadurch sind sie wie die Duroplaste nicht warm umformbar und nicht schweißbar.

Thermoplastische Elastomere (TPE) vereinen die mechanischen Eigenschaften von vulkanisierten Elastomeren bei Raumtemperatur mit der Verarbeitbarkeit von Thermoplasten. Die thermoplastischen Eigenschaften der TPE liegen im Fehlen der bei den Elastomeren vorliegenden chemischen Vernetzungsstellen. Den Zusammenhalt erhält der Kunststoff durch Copolymerisation von harten und weichen Blöcken (physikalische Vernetzungsstellen) oder durch Blenden (Elastomerlegierungen) einer thermoplastischen Matrix mit einem (teil)vernetzten oder unvernetzten Kautschuk. Die Gebrauchseigenschaften lassen sich über das Verhältnis von Hart- und Weichphase in weiten Grenzen einstellen.

Bei der Verarbeitung der Kunststoffe kommen Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich besonders für die Herstellung von Massenteilen oder Endlosprofilen eignen. Die Herstellung von Kunststofferzeugnissen und die Ver- und Bearbeitungsverfahren für Halbzeuge und Formteile aus Kunststoff sind dabei eng an die temperaturbedingten Zustandsbereiche der jeweiligen Kunststoffsorte gebunden.

Das Spritzgießen ist eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe. Durch das Spritzgießen können komplexe Bauteile von hoher Qualität und Maßgenauigkeit meist ohne Nacharbeit in einem Arbeitsgang wirtschaftlich hergestellt werden. Da die Spritzgusswerkzeuge teuer sind, lohnt sich das Spritzgießen erst bei hohen Stückzahlen (Massenfertigung). Durch Spritzgießen können nicht nur Thermoplaste, sondern auch Duroplaste und Elastomere verarbeitet werden. Das Spritzgießen dieser Kunststoffsorten hat jedoch eine untergeordnete Bedeutung. Prinzipiell entspricht der Verfahrensablauf des Spritzgießens von Duroplasten und Elastomeren demjenigen von Thermoplasten. Die Vernetzung erfolgt aber erst nach dem Einspritzen in das auf Temperaturen von etwa 150 °C bis 200 °C erhitzte Werkzeug.

Das Zwei- oder Mehrkomponentenspritzgießen ermöglicht die Herstellung eines Formteils aus mehreren verschiedenen Kunststoffen in einem Arbeitsgang. Die maschinenbautechnische Besonderheit liegt in einer Mehrkanaldüse, die mit unabhängig voneinander arbeitenden hydraulischen Verschlussdüsen ausgestattet ist. So lassen sich zum Beispiel Verbundbauteile mit hartem Kern und weicher Oberfläche oder Formteile mit hoher Oberflächenqualität und einem Kern aus Recyclingmaterial herzustellen.

Spritzgussmaschine  (Quelle: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik; VCH-Verlag)

 

Neben dem Spritzgießen zählt das Extrudieren (extrudere = heraustreiben) zum vielseitigsten Verfahren zur Verarbeitung meist thermoplastischer Kunststoffe. Beim Extrudieren wird die homogene Schmelze kontinuierlich durch eine Profildüse gedrückt und das entstehende Profil nachfolgend kalibriert und abgekühlt. Auf diese Weise können Halbzeuge wie beispielsweise Folien, Tafeln, Profile, Rohre oder Kabelummantelungen sehr wirtschaftlich hergestellt werden. Durch Extrusionsblasen werden zum Beispiel Hohlkörper, wie Tanks, Fässer und Kanister in einem mehrschrittigen Arbeitsvorgang gefertigt. Ein noch warmes und damit plastisch formbares Kunststoffschlauchstück, das in einem Extruder aufbereitet wurde, wird in ein Hohlformwerkzeug geführt. Nach Schließen der Hohlform bläst Druckluft das Schlauchstück auf und presst es an die gekühlte Hohlformwand. Dort erstarrt es und nimmt deren Form an. Beim Folienextrudieren wird aus einer engen Breitschlitzdüse ein dünnes Kunststoffband extrudiert, das warm ausgewalzt und anschließend auf Endmaß kalt gestreckt wird.

Beim Kalandrieren (calander = rollen, mangeln) werden Kunststoffmischungen auf Walzwerken (Kalandern) zu Folien und teilweise zu Platten verarbeitet. Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Folien mit engen Dickentoleranzen (insbesondere PVC-Folien) und für die Kunststoffbeschichtung textiler Gewebe. Kunststoffe, deren Schmelze zu dünnflüssig ist (z. B. PE), können durch Kalandrieren nicht verarbeitet werden.