Dieses Buch - geschrieben in der Sprache des Ingenieurs vermittelt das Wissen und das Verständnis über das komplexe Werkstoffverhalten der Kunststoffe. Dabei werden die für den Ingenieur wesentlichen Aspekte herausgearbeitet, um ihm bei der Entwicklung von gebrauchssicheren Produkten wie auch von werkstoffgerechten Konstruktions- und Verarbeitungsprozessen eine Grundlage zu bieten.
Es ist für Studenten wie auch für Ingenieure in der Praxis geschrieben. Text und Aufbau zeichnen sich durch kompakte Darstellung aus, ohne jedoch Wesentliches auszulassen. So bietet das Werk einen leicht verständlichen Einstieg in die Werkstoffkunde polymerer Stoffe. Es soll der jungen Generation von Ingenieuren helfen, Kunststoffe erfolgreich und in nachhaltiger Weise anzuwenden.
Inhalt
1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . 1
1.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Anwendung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Strukturpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Kunststoffe mit besonderen Eigenschaften (Funktionspolymere) . . . . . . . 9
2 Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst . . . . . . . . . 11
2.1 Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen 11
2.1.1 Kunststoffe sind leicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Kunststoffe sind flexibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-)Temperatur und ihre Schmelzen
sind oft za¨hflu¨ssig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfa¨higkeiten . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5 Kunststoffe sind teilweise transparent . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Besta¨ndigkeit . . . . . . . . . . 14
2.1.7 Kunststoffe sind durchla¨ssig (Permeation, Diffusion) . . . . . . . . . . . 14
2.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder
verwenden bzw. verwerten (Recycling) . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Bezeichnung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Funktionspolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Schaltbare Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Elektrorheologische Flu¨ssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.4 Funktionspolymere in der Informationstechnologie . . . . . . . . . . . 23
2.3.4.1 Polymere Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4.2 Polymere Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Bildung von Makromoleku¨len . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Einfu¨hrende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Lineare Makromoleku¨le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Vernetzte Makromoleku¨le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1.1 Ungesa¨ttigte Bindungen, Polymerisation . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation . . . . . . 35
3.3.2 Elastomere und Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2.1 Vernetzung u¨ber ungesa¨ttigte Bindungen . . . . . . . . . . . 38
3.3.2.2 Vernetzung u¨ber reaktive Gruppen . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2.3 Vernetzung u¨ber Strahlung oder Peroxide . . . . . . . . . . . 39
3.3.2.4 Leiterpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.4 Polymer-Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren . . . . . . . . . . . 41
4 Bindungskra¨fte und Aufbau von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . 44
4.1 Hauptvalenzbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.1 Kovalente Atombindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Zwischenmolekulare Kra¨fte (Nebenvalenzkra¨fte/Sekunda¨rbindungen) . . . . . 47
4.2.1 Dispersionskra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2 Dipolkra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.3 Vergleich der verschiedenen Nebenvalenzkra¨fte . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Struktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Prima¨rstruktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1.1 Moleku¨lordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.2 Sterische Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.3 Taktizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette . . . . . . . . . 53
4.3.1.5 Verzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.2 Molekulargewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2.1 Molekulargewichtsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2.2 Bestimmung der Moleku¨lmasseverteilung . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Sekunda¨rstruktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.4 Supermolekulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.4.1 Vernetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.4.2 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Einlagerung von Fremdmoleku¨len . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette) . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1.1 Amorphe Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP . . 71
4.4.1.3 Besondere Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1.4 Polysalze (lntrinsisch leitfa¨hige Polymere, ICP lntrinsic Conductive Polymers) . 75
4.4.2 Polymergemische (Polymerblends) . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.2.1 Homogene Gemische aus vertra¨glichen Polymeren . . . . . . . . . 75
4.4.2.2 Mischungen aus begrenzt vertra¨glichen Polymeren . . . . . . . . . 76
4.4.2.3 Mehrphasengemische . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.3.1 Aufbau von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.3.2 Eigenschaften von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.3.3 Anwendungen von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . 85
5 Verhalten in der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1 Scherrheologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Stationa¨res viskoses Fließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.1.1 Die stationa¨re Scherviskosita¨t . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.1.2 Schergeschwindigkeitsabha¨ngigkeit der Viskosita¨t . . . . . . . . . 89
5.1.1.3 Temperatur- und Druckabha¨ngigkeit . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.1.4 Abha¨ngigkeit vom Fu¨llstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1.5 Druckstro¨mungen in einfachen Fließkana¨len . . . . . . . . . . . 99
5.1.1.6 Erwa¨rmung infolge des Scherfließens . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1.7 Praktisches Verhalten ausgewa¨hlter Polymerschmelzen . . . . . . . . 102
5.1.2 Viskoelastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.2.1 Mechanische Ersatzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.2.2 Die Deborah-Zahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.2.3 Bedeutung fu¨r die Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.3 Polymere mit zeitlich vera¨nderlichen Fließeigenschaften . . . . . . . . . . 111
5.1.3.1 Vernetzende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.3.2 Chemischer Abbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.4 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.4.1 Das Schmelzeindexmessgera¨t . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.4.2 Kapillarrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.4.3 Rotationsrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Dehnrheologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Uniaxiale Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1.1 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.2 Biaxiale Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2.1 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3 Moleku¨lorientierungen und Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion . . . . . . . . . . . . 124
5.3.2 Orientierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.3 Halbwertzeiten der Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6 Abku¨hlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur . . . . . . . . 134
6.1 Struktur und innere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.1.1 Thermodynamischer Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.1.2 Morphologische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.1.3 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.3.2 Kristallstrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.3.3 Energetische Bedingung der Keimbildung . . . . . . . . . . . 142
6.1.3.4 Thermische und athermische Keimbildung . . . . . . . . . . . 144
6.1.3.5 Homogene und heterogene Keimbildung . . . . . . . . . . . 145
6.1.3.6 Prima¨r-, Sekunda¨r- und Tertia¨rkeimbildung . . . . . . . . . . . 145
6.1.3.7 Keimbildung durch Nukleierung . . . . . . . . . . . . . . 146
6.1.3.8 Kristallit und Spha¨rolithbildung . . . . . . . . . . . . . . 147
6.1.3.9 Berechnung des Kristallisationsgrads . . . . . . . . . . . . . 148
6.1.3.10 Gefu¨gebeobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.1.4 Verbindungen an Struktur- und Phasengrenzen im Innern von Polymeren . . . . . 150
6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . 152
6.2.1 Theorie der Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.1.1 Lineare Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.1.2 Grenzen der linearen Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.1.3 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . 166
6.2.1.4 Arbeitsweise des Deformationsmodells . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.2 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften viskoelastischer Kunststoffe . . . . 173
6.2.2.1 Die dynamisch-mechanische Analyse . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.2.2 Der Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2.2.3 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch) . . . . . . . . . . . . 175
6.2.2.4 Der dehnungsgeregelte Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen . . 178
6.3.1 Amorphe Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.3.2 Teilkristalline Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.3.3 Verstreckte Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere) . . . . . . . . . . . . 189
6.3.5 Nebenvalenzgele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.3.6 Gefu¨llte und versta¨rkte Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefu¨llten Kunststoffen . . . . . . 193
6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzusta¨nde bei Hochpolymeren . . . . 196
7 Die mechanische Tragfa¨higkeit von Kunststoffteilen
(Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren) . . . . 198
7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2 Das Verhalten von (unversta¨rkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung . . . . 198
7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Fu¨llstoffpartikeln gefu¨llte Kunststoffe unterhalb der
kritischen Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Fu¨llstoffpartikeln gefu¨llte Kunststoffe
im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch . . . . . . . 204
7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagza¨hweichmacher . . . . . . . . . . 206
7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung
bei homogenen und gefu¨llten Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1 Abscha¨tzende Festigkeitsberechnung (Menges) . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3.1.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3.2 Festigkeitsrechnung nach der fu¨r Metalle u¨blichen Weise . . . . . . . . . 211
7.3.2.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3.2.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.2.3 Festigkeitsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.3.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.3.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.3.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder a¨hnlichen Methoden . 213
7.3.4.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.4.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.4.3 Rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4 Tragfa¨higkeitsberechnung unter dynamischer Belastung . . . . . . . . . 215
7.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich . . . . . 215
7.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen . . 217
7.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.3 Festigkeitsrechnung gegen Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.4.3.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.2 Sicherheitskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.4 Praktische Stoßpru¨fung . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Sta¨be) . 220
7.6 Die Tragfa¨higkeit von faserversta¨rkten Kunststoffen . . . . . . . . . . . 225
7.6.1 Faserarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.6.2 Aufmachung von Versta¨rkungsfasern . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix . . . . . . . . . . . 229
7.6.4 Mechanismus der Tragfa¨higkeit von kurzfaserversta¨rkten Kunststoffen . . . . . . 234
7.7 Reibung und Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.7.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.7.2 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1 Thermische Stoffwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1.2 Spezifische Wa¨rme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.1.3 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.1.4 Wa¨rmeleitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.1.4.1 Wa¨rmeleitfa¨higkeit in amorphen Thermoplasten . . . . . . . . . 251
8.1.4.2 Wa¨rmeleitfa¨higkeit in teilkristallinen Thermoplasten . . . . . . . . . 251
8.1.5 Temperaturleitfa¨higkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.1.6 Wa¨rmeeindringzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.1.7 Wa¨rmeausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur) . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2 Messung kalorischer Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2.1 Bestimmung der Wa¨rmeleitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2.2 Thermische Zersetzung von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . 260
8.2.3 Wa¨rmeformbesta¨ndigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.3.1 Die Vicat-Temperatur (DIN 53460) . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.3.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D 648-72) . . . . . . . 262
8.2.4 Thermoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.4.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA) . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.4.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) . . . . . . . . . . . . 263
8.2.4.3 Thermomechanische Analyse (TMA) . . . . . . . . . . . . . 266
8.2.5 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) . . . . . . . . . . . . . . 267
8.2.6 Thermogravimetrie (TGA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1 Kunststoffe in elektrischen Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1.1 Kunststoffe in statischen Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1.2 Die dielektrische Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.1.2.1 Verschiebungspolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.1.2.2 Orientierungspolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.1.3 Kunststoffe im elektrischen Wechselfeld - Dielektrische Verluste . . . . . . . 273
9.1.4 Elektrisch-mechanische Analogie . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.2 Elektrische Leitungsvorga¨nge in Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 278
9.2.1 Elektrische Leitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.2.2 Elektrische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.2.2.1 Oberfla¨chenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.2.2 Kriechstromfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.2.3 Durchschlagsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.3 Die elektrostatische Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3 Kunststoffe mit speziellen elektrischen Eigenschaften . . . . . . . . . . 284
9.3.1 Elektrisch leitfa¨hige Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.2 Intrinsisch leitfa¨hige Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.3.3 Elektrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4 Magnetische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4.1 Magnetisierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4.2 Magnetische Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10 Optische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.1 Die Grundgesetzma¨ßigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.2 Der Realteil der Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.3 Wellenla¨ngenabha¨ngigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichtes) . . . . . 293
10.4 Der imagina¨re Teil der Brechzahl . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.4.1 Absorption und Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission . . . . . . . . . . . . . 295
10.5 Die Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.6 Glanz, Farbe und Tru¨bung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.7 Einfa¨rben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.7.1 Farbmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie . . . . . . 304
10.8.1 Infrarotspektroskopie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.8.2 Aufheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.8.3 Beru¨hrungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberfla¨chen . . . . . . 307
10.9 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen . . . . . . . . . . . . . 309
11 Akustische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . 312
11.2 Da¨mmung und Da¨mpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
11.3 Ko¨rperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11.4 Was ist Schall? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
11.5 Mo¨glichkeiten der La¨rmreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . 320
12 Einfluss der Nebenvalenzkra¨fte auf das Lo¨sungsverhalten . . . . . . . . . . 324
12.1 Lo¨sungen und Mischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
12.2 Polymerlo¨sungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.3 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.1 Herstellen von Gießfolien . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.2 Weichmachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.4 Polymergemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13 Oberfla¨chenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13.1 Oberfla¨chenspannung und Benetzungsfa¨higkeit . . . . . . . . . . . 333
13.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13.3 Bestimmung der Oberfla¨chenspannung von Festko¨rpern . . . . . . . . . 335
13.3.1 Methode nach Zisman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.3.2 Methode nach Fowkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.4 Messung der Oberfla¨chenspannung von Festko¨rpern mittels Kontaktwinkelbestimmung 337
13.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens . . . . . . . . . . . . . . 337
13.4.2 Die Wilhelmy-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.4.3 Die Steigho¨henmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.5 Messung der Oberfla¨chenspannung von Flu¨ssigkeiten und Schmelzen . . . . 340
13.5.1 Methode des ha¨ngenden Tropfens (Pendant Drop-Methode) . . . . . . . . 340
13.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume-Methode) . . . . . . . . 341
13.5.3 Ringmethode nach du Nou¨y . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.5.4 Spinnig Drop-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
14 Stofftransportvorga¨nge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1.2 Permeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.2.1 Physikalische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.1 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.3 Desorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.2.1.4 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.2.1.5 Permeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
14.3 Temperaturabha¨ngigkeit des Stofftransports . . . . . . . . . . . . . 352
14.4 Permeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere . . . . . . . . . 354
14.4.1 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
14.4.2 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3.1 Kristallinita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten . . . . . . . . . . . . . 357
14.5 Abscha¨tzung permeationsbestimmender Koeffizienten . . . . . . . . . . 357
14.5.1 Lo¨slichkeitskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.5.2 Diffusionskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.6 Messung von Permeationsgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.6.1 Sorptionsmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.6.2 Tra¨gergasverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
14.6.2.1 Time lag-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
14.7 Permeation von Da¨mpfen durch Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . 365
14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe . . . . . . . . . 367
14.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung . . . . . . . . . . . . . . 368
14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14.8.2 Kunststoff-Folien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
14.8.3 Kunststoff-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.8.4 Kunststoff-Hohlko¨rper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung
von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien . . . . . . . . . . . 373
15 Der chemische Abbau von Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
15.1 Abbaumechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
15.2 Einwirkung thermischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.2 Depolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wa¨rme und Scherung . . . . . . . . . 381
15.3 Einwirkung von Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
15.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
15.3.2 Hydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
15.3.3 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
15.3.4 Degradation von PVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung . . . . . . . 388
15.4.1 Lichteinwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
15.4.2 Andere Strahlungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
15.4.3 _nderung von Struktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 389
15.4.4 Witterungseinflu¨sse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.5 Biologische Einwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.6 Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7 Pyrolyse und Brand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7.1 Pyrolyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7.2 Brandverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Pru¨fungen . . . . . . . 394
15.7.2.2 Verbesserung des Brandverhaltens. . . . . . . . . . . . . 397
16 Recycling von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
17 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen) . . . . . . . . . . . 401
18 Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Es ist für Studenten wie auch für Ingenieure in der Praxis geschrieben. Text und Aufbau zeichnen sich durch kompakte Darstellung aus, ohne jedoch Wesentliches auszulassen. So bietet das Werk einen leicht verständlichen Einstieg in die Werkstoffkunde polymerer Stoffe. Es soll der jungen Generation von Ingenieuren helfen, Kunststoffe erfolgreich und in nachhaltiger Weise anzuwenden.
Inhalt
1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . 1
1.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Anwendung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Strukturpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Kunststoffe mit besonderen Eigenschaften (Funktionspolymere) . . . . . . . 9
2 Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst . . . . . . . . . 11
2.1 Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen 11
2.1.1 Kunststoffe sind leicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Kunststoffe sind flexibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-)Temperatur und ihre Schmelzen
sind oft za¨hflu¨ssig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfa¨higkeiten . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5 Kunststoffe sind teilweise transparent . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Besta¨ndigkeit . . . . . . . . . . 14
2.1.7 Kunststoffe sind durchla¨ssig (Permeation, Diffusion) . . . . . . . . . . . 14
2.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder
verwenden bzw. verwerten (Recycling) . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Bezeichnung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Funktionspolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Schaltbare Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Elektrorheologische Flu¨ssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.4 Funktionspolymere in der Informationstechnologie . . . . . . . . . . . 23
2.3.4.1 Polymere Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4.2 Polymere Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Bildung von Makromoleku¨len . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Einfu¨hrende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Lineare Makromoleku¨le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Vernetzte Makromoleku¨le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1.1 Ungesa¨ttigte Bindungen, Polymerisation . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation . . . . . . 35
3.3.2 Elastomere und Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2.1 Vernetzung u¨ber ungesa¨ttigte Bindungen . . . . . . . . . . . 38
3.3.2.2 Vernetzung u¨ber reaktive Gruppen . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2.3 Vernetzung u¨ber Strahlung oder Peroxide . . . . . . . . . . . 39
3.3.2.4 Leiterpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.4 Polymer-Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren . . . . . . . . . . . 41
4 Bindungskra¨fte und Aufbau von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . 44
4.1 Hauptvalenzbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.1 Kovalente Atombindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Zwischenmolekulare Kra¨fte (Nebenvalenzkra¨fte/Sekunda¨rbindungen) . . . . . 47
4.2.1 Dispersionskra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2 Dipolkra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.3 Vergleich der verschiedenen Nebenvalenzkra¨fte . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Struktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 Prima¨rstruktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1.1 Moleku¨lordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.2 Sterische Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.3 Taktizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette . . . . . . . . . 53
4.3.1.5 Verzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.2 Molekulargewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2.1 Molekulargewichtsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2.2 Bestimmung der Moleku¨lmasseverteilung . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Sekunda¨rstruktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.4 Supermolekulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.4.1 Vernetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.4.2 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Einlagerung von Fremdmoleku¨len . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette) . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1.1 Amorphe Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP . . 71
4.4.1.3 Besondere Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1.4 Polysalze (lntrinsisch leitfa¨hige Polymere, ICP lntrinsic Conductive Polymers) . 75
4.4.2 Polymergemische (Polymerblends) . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.2.1 Homogene Gemische aus vertra¨glichen Polymeren . . . . . . . . . 75
4.4.2.2 Mischungen aus begrenzt vertra¨glichen Polymeren . . . . . . . . . 76
4.4.2.3 Mehrphasengemische . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.3.1 Aufbau von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.3.2 Eigenschaften von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.3.3 Anwendungen von Nanocomposites . . . . . . . . . . . . . 85
5 Verhalten in der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1 Scherrheologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Stationa¨res viskoses Fließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.1.1 Die stationa¨re Scherviskosita¨t . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.1.2 Schergeschwindigkeitsabha¨ngigkeit der Viskosita¨t . . . . . . . . . 89
5.1.1.3 Temperatur- und Druckabha¨ngigkeit . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.1.4 Abha¨ngigkeit vom Fu¨llstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1.5 Druckstro¨mungen in einfachen Fließkana¨len . . . . . . . . . . . 99
5.1.1.6 Erwa¨rmung infolge des Scherfließens . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1.7 Praktisches Verhalten ausgewa¨hlter Polymerschmelzen . . . . . . . . 102
5.1.2 Viskoelastische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.2.1 Mechanische Ersatzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.2.2 Die Deborah-Zahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.2.3 Bedeutung fu¨r die Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.3 Polymere mit zeitlich vera¨nderlichen Fließeigenschaften . . . . . . . . . . 111
5.1.3.1 Vernetzende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.3.2 Chemischer Abbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.4 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.4.1 Das Schmelzeindexmessgera¨t . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.4.2 Kapillarrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.4.3 Rotationsrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Dehnrheologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Uniaxiale Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1.1 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.2 Biaxiale Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.2.1 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3 Moleku¨lorientierungen und Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion . . . . . . . . . . . . 124
5.3.2 Orientierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.3 Halbwertzeiten der Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6 Abku¨hlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur . . . . . . . . 134
6.1 Struktur und innere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.1.1 Thermodynamischer Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.1.2 Morphologische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.1.3 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.3.2 Kristallstrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.3.3 Energetische Bedingung der Keimbildung . . . . . . . . . . . 142
6.1.3.4 Thermische und athermische Keimbildung . . . . . . . . . . . 144
6.1.3.5 Homogene und heterogene Keimbildung . . . . . . . . . . . 145
6.1.3.6 Prima¨r-, Sekunda¨r- und Tertia¨rkeimbildung . . . . . . . . . . . 145
6.1.3.7 Keimbildung durch Nukleierung . . . . . . . . . . . . . . 146
6.1.3.8 Kristallit und Spha¨rolithbildung . . . . . . . . . . . . . . 147
6.1.3.9 Berechnung des Kristallisationsgrads . . . . . . . . . . . . . 148
6.1.3.10 Gefu¨gebeobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.1.4 Verbindungen an Struktur- und Phasengrenzen im Innern von Polymeren . . . . . 150
6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . 152
6.2.1 Theorie der Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.1.1 Lineare Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.2.1.2 Grenzen der linearen Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.1.3 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizita¨t . . . . . . . . . . 166
6.2.1.4 Arbeitsweise des Deformationsmodells . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.2 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften viskoelastischer Kunststoffe . . . . 173
6.2.2.1 Die dynamisch-mechanische Analyse . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.2.2 Der Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2.2.3 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch) . . . . . . . . . . . . 175
6.2.2.4 Der dehnungsgeregelte Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen . . 178
6.3.1 Amorphe Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.3.2 Teilkristalline Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.3.3 Verstreckte Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere) . . . . . . . . . . . . 189
6.3.5 Nebenvalenzgele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.3.6 Gefu¨llte und versta¨rkte Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefu¨llten Kunststoffen . . . . . . 193
6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzusta¨nde bei Hochpolymeren . . . . 196
7 Die mechanische Tragfa¨higkeit von Kunststoffteilen
(Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren) . . . . 198
7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2 Das Verhalten von (unversta¨rkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung . . . . 198
7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Fu¨llstoffpartikeln gefu¨llte Kunststoffe unterhalb der
kritischen Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Fu¨llstoffpartikeln gefu¨llte Kunststoffe
im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch . . . . . . . 204
7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagza¨hweichmacher . . . . . . . . . . 206
7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung
bei homogenen und gefu¨llten Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1 Abscha¨tzende Festigkeitsberechnung (Menges) . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.3.1.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3.1.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.3.2 Festigkeitsrechnung nach der fu¨r Metalle u¨blichen Weise . . . . . . . . . 211
7.3.2.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3.2.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.2.3 Festigkeitsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.3.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.3.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.3.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder a¨hnlichen Methoden . 213
7.3.4.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.4.2 Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.4.3 Rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.4 Tragfa¨higkeitsberechnung unter dynamischer Belastung . . . . . . . . . 215
7.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich . . . . . 215
7.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen . . 217
7.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.3 Festigkeitsrechnung gegen Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.4.3.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.2 Sicherheitskoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.3 Festigkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.4.3.4 Praktische Stoßpru¨fung . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Sta¨be) . 220
7.6 Die Tragfa¨higkeit von faserversta¨rkten Kunststoffen . . . . . . . . . . . 225
7.6.1 Faserarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.6.2 Aufmachung von Versta¨rkungsfasern . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix . . . . . . . . . . . 229
7.6.4 Mechanismus der Tragfa¨higkeit von kurzfaserversta¨rkten Kunststoffen . . . . . . 234
7.7 Reibung und Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.7.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.7.2 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1 Thermische Stoffwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.1.2 Spezifische Wa¨rme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.1.3 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.1.4 Wa¨rmeleitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.1.4.1 Wa¨rmeleitfa¨higkeit in amorphen Thermoplasten . . . . . . . . . 251
8.1.4.2 Wa¨rmeleitfa¨higkeit in teilkristallinen Thermoplasten . . . . . . . . . 251
8.1.5 Temperaturleitfa¨higkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.1.6 Wa¨rmeeindringzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.1.7 Wa¨rmeausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur) . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2 Messung kalorischer Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2.1 Bestimmung der Wa¨rmeleitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2.2 Thermische Zersetzung von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . 260
8.2.3 Wa¨rmeformbesta¨ndigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.3.1 Die Vicat-Temperatur (DIN 53460) . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.3.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D 648-72) . . . . . . . 262
8.2.4 Thermoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.4.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA) . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.4.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) . . . . . . . . . . . . 263
8.2.4.3 Thermomechanische Analyse (TMA) . . . . . . . . . . . . . 266
8.2.5 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) . . . . . . . . . . . . . . 267
8.2.6 Thermogravimetrie (TGA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1 Kunststoffe in elektrischen Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1.1 Kunststoffe in statischen Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1.2 Die dielektrische Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.1.2.1 Verschiebungspolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.1.2.2 Orientierungspolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.1.3 Kunststoffe im elektrischen Wechselfeld - Dielektrische Verluste . . . . . . . 273
9.1.4 Elektrisch-mechanische Analogie . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.2 Elektrische Leitungsvorga¨nge in Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 278
9.2.1 Elektrische Leitfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.2.2 Elektrische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.2.2.1 Oberfla¨chenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.2.2 Kriechstromfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.2.3 Durchschlagsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2.3 Die elektrostatische Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3 Kunststoffe mit speziellen elektrischen Eigenschaften . . . . . . . . . . 284
9.3.1 Elektrisch leitfa¨hige Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.2 Intrinsisch leitfa¨hige Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.3.3 Elektrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4 Magnetische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4.1 Magnetisierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.4.2 Magnetische Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10 Optische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.1 Die Grundgesetzma¨ßigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.2 Der Realteil der Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.3 Wellenla¨ngenabha¨ngigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichtes) . . . . . 293
10.4 Der imagina¨re Teil der Brechzahl . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.4.1 Absorption und Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission . . . . . . . . . . . . . 295
10.5 Die Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.6 Glanz, Farbe und Tru¨bung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.7 Einfa¨rben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.7.1 Farbmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie . . . . . . 304
10.8.1 Infrarotspektroskopie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.8.2 Aufheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.8.3 Beru¨hrungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberfla¨chen . . . . . . 307
10.9 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen . . . . . . . . . . . . . 309
11 Akustische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . 312
11.2 Da¨mmung und Da¨mpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
11.3 Ko¨rperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11.4 Was ist Schall? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
11.5 Mo¨glichkeiten der La¨rmreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . 320
12 Einfluss der Nebenvalenzkra¨fte auf das Lo¨sungsverhalten . . . . . . . . . . 324
12.1 Lo¨sungen und Mischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
12.2 Polymerlo¨sungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.3 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.1 Herstellen von Gießfolien . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.2 Weichmachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.4 Polymergemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13 Oberfla¨chenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13.1 Oberfla¨chenspannung und Benetzungsfa¨higkeit . . . . . . . . . . . 333
13.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13.3 Bestimmung der Oberfla¨chenspannung von Festko¨rpern . . . . . . . . . 335
13.3.1 Methode nach Zisman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.3.2 Methode nach Fowkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.4 Messung der Oberfla¨chenspannung von Festko¨rpern mittels Kontaktwinkelbestimmung 337
13.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens . . . . . . . . . . . . . . 337
13.4.2 Die Wilhelmy-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.4.3 Die Steigho¨henmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.5 Messung der Oberfla¨chenspannung von Flu¨ssigkeiten und Schmelzen . . . . 340
13.5.1 Methode des ha¨ngenden Tropfens (Pendant Drop-Methode) . . . . . . . . 340
13.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume-Methode) . . . . . . . . 341
13.5.3 Ringmethode nach du Nou¨y . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.5.4 Spinnig Drop-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
14 Stofftransportvorga¨nge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.1.2 Permeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.2.1 Physikalische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.1 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.2.1.3 Desorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.2.1.4 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
14.2.1.5 Permeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
14.3 Temperaturabha¨ngigkeit des Stofftransports . . . . . . . . . . . . . 352
14.4 Permeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere . . . . . . . . . 354
14.4.1 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
14.4.2 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3.1 Kristallinita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten . . . . . . . . . . . . . 357
14.5 Abscha¨tzung permeationsbestimmender Koeffizienten . . . . . . . . . . 357
14.5.1 Lo¨slichkeitskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.5.2 Diffusionskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.6 Messung von Permeationsgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.6.1 Sorptionsmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.6.2 Tra¨gergasverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
14.6.2.1 Time lag-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
14.7 Permeation von Da¨mpfen durch Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . 365
14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe . . . . . . . . . 367
14.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung . . . . . . . . . . . . . . 368
14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14.8.2 Kunststoff-Folien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
14.8.3 Kunststoff-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.8.4 Kunststoff-Hohlko¨rper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung
von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien . . . . . . . . . . . 373
15 Der chemische Abbau von Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
15.1 Abbaumechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
15.2 Einwirkung thermischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.2 Depolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wa¨rme und Scherung . . . . . . . . . 381
15.3 Einwirkung von Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
15.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
15.3.2 Hydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
15.3.3 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
15.3.4 Degradation von PVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung . . . . . . . 388
15.4.1 Lichteinwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
15.4.2 Andere Strahlungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
15.4.3 _nderung von Struktur und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 389
15.4.4 Witterungseinflu¨sse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.5 Biologische Einwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
15.6 Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7 Pyrolyse und Brand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7.1 Pyrolyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.7.2 Brandverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Pru¨fungen . . . . . . . 394
15.7.2.2 Verbesserung des Brandverhaltens. . . . . . . . . . . . . 397
16 Recycling von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
17 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen) . . . . . . . . . . . 401
18 Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406