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Menges Werkstoffkunde Kunststoffe

Autor	Edmund Haberstroh, Ernst Schmachtenberg, Georg Menges, Walter Michaeli
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2014
Seitenanzahl	454 Seiten
ISBN	9783446443532
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	31,99 EUR

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.

Prof. Dr.-Ing. Georg Menges ist emeritierter Professor an der RWTH Aachen
Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh ist seit 1995 Professor für Kautschuktechnologie an der RWTH
Prof. Dr.-Ing. Walter Michaeli ist Professor für Kunststoffverarbeitung an der RWTH und leitet dort seit 1989 das IKV
Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg ist Professor für Kunststofftechnik und Rektor der RWTH

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Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

Inhalt	6
Vorwortzur 6. Auflage	16
1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe	18
1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe	18
1.2 Definition und Namen	25
2 Kunststoffe – Eigenschaften und Anwendungen kurz gefasst	30
2.1 Hervorstechende Eigenschaften der Kunststoffe im Vergleich mit anderen Werkstoffen	30
2.1.1 Kunststoffe sind leicht	30
2.1.2 Kunststoffe sind flexibel	30
2.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-) Temperatur und ihre Schmelzen sind oft zähflüssig	31
2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfähigkeiten	33
2.1.5 Eine ganze Reihe von Kunststoffen ist transparent	33
2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit	34
2.1.7 Kunststoffe sind durchlässig (Permeation, Diffusion)	34
2.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger Methoden wieder verwenden bzw.verwerten (Recycling)	34
2.2 Anwendung der Kunststoffe	36
2.2.1 Strukturpolymere	36
2.2.2 Funktionspolymere	39
2.2.2.1 Allgemeines	39
2.2.2.2 Schaltbare Polymere	40
2.2.2.3 Elektrorheologische Flüssigkeiten	41
2.2.2.4 Polymere Datenspeicher	44
2.2.2.5 Polymere Displays	45
3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe	48
3.1 Bildung von Makromolekülen	48
3.2 Einführende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften	53
3.2.1 Lineare Makromoleküle	53
3.2.2. Vernetzte Makromoleküle	54
3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren	55
3.3.1 Thermoplaste	55
3.3.1.1 Ungesättigte Bindungen, Polymerisation	55
3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation	58
3.3.2 Elastomere und Duroplaste	61
3.3.2.1 Vernetzungen über ungesättigte Bindungen, die in den eingebundenen Monomeren noch verblieben sind	61
3.3.2.2 Vernetzung über reaktive Gruppen	61
3.3.2.3 Vernetzung über Strahlung oder Peroxide	62
3.3.2.4 Leiterpolymere	62
3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate	63
3.3.4 Polymerblends	65
3.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren	65
3.4 Biopolymere	67
3.4.1 Defnitionen	67
3.4.2 Produkte	69
3.4.3 Bandbreite der Biopolymere	69
3.4.4 Biopolymere natürlichen Ursprungs	70
3.4.4.1 Polylactid (Polymilchsäure)	70
3.4.4.2 Polysaccharide	71
3.4.4.3 Polyhydroxyalkanoate	71
3.4.5 Biopolymere fossilen Ursprungs mit der Eigenschaft biologischer Abbaubarkeit	72
3.4.5.1 Polyester	72
3.4.5.2 Polyesteramide	72
3.4.6 Marktsituation	73
4 Aufbau, Bindungskräfte, Füllstoffe und davon beeinflusste Eigenschaften von Polymerwerkstoffen	76
4.1 Hauptvalenzbindungen	76
4.1.1 Kovalente Atombindung	76
4.1.2 Ionenbindung	78
4.2 Zwischenmolekulare Kräfte (Nebenvalenzkräfte/Sekundärbindungen)	79
4.2.1 Dispersionskräfte	79
4.2.2 Dipolkräfte	80
4.2.3 Wasserstoffbrückenbindungen	80
4.2.4 Vergleichder verschiedenen Nebenvalenzkräfte	81
4.3 Struktur und Eigenschaften	82
4.3.1 Primärstruktur und Eigenschaften	82
4.3.1.1 Molekülordnung	83
4.3.1.2 Sterische Ordnung	83
4.3.1.3 Taktizität	84
4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette	85
4.3.1.5 Verzweigungen	85
4.3.2 Die Molmasse (früher Molekulargewicht)	87
4.3.2.1 Molmassen-(Molekulargewichts-) Bestimmung	90
4.3.2.2 Bestimmung der Molmassenverteilung	93
4.3.3 Sekundärstruktur und Eigenschaften	94
4.3.4 Supermolekulare Strukturen	99
4.3.4.1 Vernetzungen	99
4.3.4.2 Kristallisation	100
4.4 Einlagerung von Fremdmolekülen	101
4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette)	102
4.4.1.1 Amorphe Copolymere	102
4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP	103
4.4.1.3 Besondere Copolymere	105
4.4.2 Besondere Polymere	105
4.4.2.1 Flüssigkristalline Kunststoffe (liquid crystalline polymers, LCP)	105
4.4.2.2 Polysalze (intrinsisch leitfähige Polymere, intrinsic conductive polymers, ICP)	106
4.5 Polymergemische (Polymerblends)	107
4.5.1 Homogene Gemische aus verträglichen Polymeren	107
4.5.2 Mischungen aus begrenzt verträglichen Polymeren	107
4.5.3 Mehrphasengemische	108
4.6 Modifizierungen durch Füllstoffe (Polymercompounds)	111
4.6.1 Verarbeitungsfördernde Zusatzstoffe	111
4.6.1.1 Gleitmittel	111
4.6.1.2 Wärmestabilisatoren	112
4.6.1.3 Haftvermittler	112
4.6.1.4 Trennmittel	112
4.6.1.5 Thixotropiemittel	112
4.6.2 Produkteigenschaftsverbessernde Zusatzstoffe	112
4.6.2.1 Festigkeitserhöhende Zusatzstoffe	113
4.6.2.2 Steifigkeitserhöhende Zusatzstoffe	113
4.6.2.3 Weichmacher	113
4.6.2.4 Reagierende Zusatzstoffe	113
4.6.2.5 Gebrauchsfähigkeitsverlängernde Zusatzstoffe	114
4.6.2.6 Färbende Zusatzstoffe	114
4.6.2.7 Nanofüllstoffe	115
4.6.2.8 Treibmittel	117
5 Verhalten in der Schmelze	120
5.1 Viskose Kunststoffschmelzen unter stationärer Scherströmung	122
5.1.1 Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit	123
5.1.2 Abhängigkeit der Viskosität vonTemperatur und Druck	127
5.1.3 Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt	132
5.1.4 Druckströmungen in einfachen Fließkanälen	134
5.1.5 Erwärmung infolge des Scherfließens	137
5.1.6 Schergeschwindigkeitsbereiche in Verarbeitungsprozessen	138
5.2 Viskoelastische Kunststoffschmelzen und spezielle Fließphänomene	139
5.2.1 Viskoelastische Eigenschaften und ihre Beschreibung	139
5.2.2 Mechanische Ersatzmodelle	141
5.2.3 Die Deborah-Zahl	146
5.2.4 Bedeutung für die Verarbeitung	147
5.2.5 Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschaften	149
5.2.5.1 Vernetzende Systeme	150
5.2.5.2 Chemischer Abbau	151
5.3 Messtechnik	152
5.3.1 Prüftechnik zur Bestimmung der Scherviskosität	152
5.3.1.1 Das Schmelzindexmessgerät	152
5.3.1.2 Kapillarrheometer	153
5.3.1.3 Rotationsrheometer	156
5.3.1.4 Vergleich der Fließeigenschaften nach zwei unterschiedlichen Messprinzipien	159
5.3.2 Prüftechnik zur Bestimmung der Dehnviskosität	162
5.3.2.1 Messtechnik für die uniaxialen Dehnung	162
5.3.2.2 Messtechnik für die biaxialen Dehnung	166
5.4 Molekülorientierungen und Relaxation	167
5.4.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion	168
5.4.2 Orientierung	168
5.4.3 Halbwertzeiten der Relaxation	173
6 Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur	180
6.1 Struktur und innere Eigenschaen	180
6.1.1 Thermodynamischer Zustand	180
6.1.2 Morphologische Struktur	185
6.1.3 Kristallisation	186
6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung	186
6.1.3.2 Kristallstrukturen	187
6.1.3.3 Energetische Bedingung für Keimbildung und Wachstum der Kristallite	188
6.1.3.4 Modelle zur Beschreibung der Keimbildung	191
6.1.3.5 Keimbildung durch Nukleierung	192
6.1.3.6 Kristallit und Sphärolithbildung	192
6.1.3.7 Berechnung des Kristallisationsgrads	194
6.1.3.8 Gefügebeobachtungen	195
6.1.4 Verbindungen an Struktur-und Phasengrenzen im Innern von Polymeren	196
6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe	197
6.2.1 Bestimmung der mechanischen Eigenschaen viskoelastischer Kunststoffe	204
6.2.1.1 Die dynamisch-mechanische Analyse	204
6.2.1.2 Der Zugversuch	205
6.2.1.3 Der dehnungsgeregelte Zugversuch	207
6.2.1.4 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch)	207
6.2.1.5 Der Relaxationsversuch	208
6.2.1.6 Zeitraffende Prüfung	209
6.2.2 Theorie der Viskoelastizität	213
6.2.2.1 Modelle der Linearen Viskoelastizität	214
6.2.2.2 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität	218
6.2.2.3 Vorgehensweise bei der Berechnung des Verformungsverhaltens	220
6.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von Kunststoffen	222
6.3.1 Amorphe Thermoplaste	222
6.3.2 Teilkristalline Thermoplaste	225
6.3.3 Verstreckte Thermoplaste	227
6.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere)	233
6.3.5 Nebenvalenzgele	235
6.3.6 Gefüllte und verstärkte Kunststoffe	236
6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung	236
6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefüllten Kunststoffen	238
6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustände bei Hochpolymeren	241
7 Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststoffteilen (Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren)	244
7.1 Allgemeines	244
7.2 Das Verhalten von (unverstärkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung	245
7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe unterhalb der kritischen Dehnung	245
7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch	250
7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher	252
7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung bei homogenen und gefüllten Kunststoffen	253
7.3.1 Abschätzende Festigkeitsberechnung (nach Menges)	254
7.3.1.1 Kennwerte für die abschätzende Festigkeitsrechnung	254
7.3.1.2 Praktisches Vorgehen bei abschätzender Festigkeitsrechnung	255
7.3.2 Festigkeitsrechnung nach üblichen Methoden	256
7.3.2.1 Vorschlag zu einer genauen Festigkeitsrechnung (nach Schmachtenberg)	256
7.3.2.2 Kennwerte aus Datenbanken	258
7.3.2.3 Festigkeitsberechnung nach der für metallische Konstruktionen üblichen Methode	259
7.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten	259
7.3.3.1 Kennwerte	259
7.3.3.2 Sicherheiten	260
7.3.3.3 Festigkeitsrechnung	260
7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oder ähnlichen Methoden	260
7.3.4.1 Kennwerte	261
7.3.4.2 Sicherheiten	261
7.3.4.3 Rechnung	262
7.4 Tragfähigkeitsberechnung unter dynamischer Belastung	262
7.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im Dehnbereich	262
7.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung mit Dehndeformationen	264
7.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte	265
7.4.2.1 Für eine Abschätzung der Stoßenergie brauchbarer Kennwert	266
7.4.2.2 Sicherheitskoeffizienten	267
7.4.2.3 Festigkeitsrechnung	267
7.4.2.4 Praktische Stoßprüfung	267
7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stäbe)	268
7.6 Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen	274
7.6.1 Faserarten	275
7.6.2 Aufmachung von Verstärkungsfasern	277
7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix	278
7.6.4 Mechanismus der Tragfähigkeit von kurzfaserverstärkten Kunststoffen	283
7.7 Reibung und Verschleiß	285
7.7.1 Reibung	285
7.7.2 Verschleiß	292
8 Thermische Eigenschaften	298
8.1 Thermische Stoffwerte	298
8.1.1 Enthalpie	298
8.1.2 Spezifische Wärmekapazität	300
8.1.3 Dichte	301
8.1.4 Wärmeleitfähigkeit	302
8.1.5 Temperaturleitfähigkeit	308
8.1.6 Wärmeeindringzahl	309
8.1.7 Wärmeausdehnung	310
8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur)	311
8.2 Messung kalorischer Daten	312
8.2.1 Messung der Wärmeleitfähigkeit	312
8.2.2 Messung der Dichte	314
8.2.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen (vgl. Abschnitte 5.1.3.2 und 15.7.2)	314
8.2.4 Wärmeformbeständigkeit	315
8.2.4.1 Die Vicat-Temperatur (DIN EN ISO 306)	316
8.2.4.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D648-72)	316
8.2.5 Thermoanalyse	317
8.2.5.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA)	317
8.2.5.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC)	318
8.2.5.3 Thermomechanische Analyse (TMA)	321
8.2.6 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)	322
8.2.7 Thermogravimetrie (TGA)	322
8.2.8 Druck-Volumen-Temperatur-Verhalten (pvT)	322
8.2.9 Wärmeübergang	323
9 Elektrische Eigenschaften	326
9.1 Das elektrische Isolationsverhalten	327
9.1.1 Der elektrische Durchgangswiderstand	327
9.1.2 Der elektrische Oberflächenwiderstand	328
9.1.3 Einfluss langzeitiger elektrischer Beanspruchung	329
9.1.4 Weitere für den praktischen Einsatz wichtige Prüfungen	331
9.2 Kunststoffe in elektrischen Feldern	331
9.2.1 Dielektrisches Verhalten	331
9.2.1.1 Die relative Permittivität	332
9.2.1.2 Die dielektrischen Verluste	333
9.3 Die elektrostatische Aufladung und Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen	335
9.3.1 Elektrostatische Aufladung	335
9.3.2 Schirmdämpfung, besser bekannt als Electro-Magnetic Interference (EMI)	336
9.3.3 Polymere mit besonderen elektrischen Eigenschaften	337
9.3.3.1 Intrinsisch leitfähige Polymere	337
9.3.3.2 Elektrete	340
9.3.3.3 Elektrooptische Polymere(OLED)	340
9.4 Magnetische Eigenschaen	340
9.4.1 Magnetisierbarkeit	340
9.4.2 Magnetische Resonanz	341
10 Optische Eigenschaften	344
10.1 Die Grundgesetzmäßigkeiten*)	344
10.2 Der Realteil der Brechung	345
10.3 Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichts)	347
10.4 Der imaginäreTeil der Brechzahl	349
10.4.1 Absorption und Streuung	349
10.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission	349
10.5 Die Totalreflexion	352
10.6 Farbe, Glanz und Trübung	353
10.7 Einfärben von Kunststoffen	356
10.7.1 Farbmessung	358
10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie	361
10.8.1 Infrarotspektroskopie	361
10.8.2 Aufheizung durch Infrarotstrahlung	362
10.8.3 Kunststoffschweißen mittels Infrarotstrahlung	364
10.8.4 Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen	365
10.9 Doppelbrechung	366
10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen	367
11 Akustische Eigenschaften	370
11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen	371
11.2 Dämmung und Dämpfung	373
11.3 Körperschall	378
11.4 Was ist Schall?	378
11.5 Möglichkeiten der Lärmreduzierung	380
12 Oberflächenspannung	384
12.1 Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit	384
12.2 Grundlagen	385
12.3 Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern	387
12.3.1 Methode nach Zisman	387
12.3.2 Methode nach Fowkes	388
12.4 Charakterisierung der Oberflächenspannung von Festkörpern	389
12.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens	389
12.4.2 Die Wilhelmy-Methode	391
12.4.3 Die Steighöhenmethode	392
12.5 Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Schmelzen	393
12.5.1 Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop-Methode)	393
12.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume Methode)	394
12.5.3 Ringmethode nach du Noüy	394
12.5.4 Spinning Drop-Methode	396
13 Das Lösungsverhalten und der Einfluss der Nebenvalenzkräfte	398
13.1 Lösungen und Mischungen	398
13.2 Polymerlösungen	400
13.3 Anwendung	403
13.3.1 Herstellen von Gießfolien	403
13.3.2 Weichmachen	403
13.4 Polymergemische	404
14 Stofftransportvorgänge	408
14.1 Einführung	408
14.1.2 Permeation	409
14.2 Grundlagen	409
14.2.1 Physikalische Beschreibung	410
14.2.1.1 Adsorption	410
14.2.1.2 Absorption	411
14.2.1.3 Desorption	411
14.2.1.4 Diffusion	411
14.2.1.5 Permeation	412
14.3 Temperaturabhängigkeit des Stofftransports	414
14.4 Remeationsbestimmende Eigenschaften der Polymere	417
14.4.1 Elastomere	417
14.4.2 Duroplaste	417
14.4.3 Thermoplaste	418
14.4.3.1 Kristallinität	418
14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten	419
14.5 Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten	420
14.5.1 Löslichkeitskoeffzient	420
14.5.2 Diffusionskoeffzient	421
14.6 Messung von Permeationsgrößen	423
14.6.1 Sorptionsmessverfahren	424
14.6.2 Trägergasverfahren	425
14.6.2.1 Time lag-Methode	426
14.7 Permeation von organischen Dämpfen durch Kunststoffe	428
14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe	430
14.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung	431
14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme	432
14.8.2 Anwendung bei Kunststoff-Folien	433
14.8.3 Anwendung bei Kunststoff-Rohren	433
14.8.4 Anwendung bei Kunststoff-Hohlkörpern	433
14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung von spannungsrisserzeugenden Umgebungsmedien	435
15 Der Abbau von Polymeren	442
15.1 Abbaumechanismen	442
15.2 Einwirkung thermischer Energie	444
15.2.1 Allgemeines	444
15.2.2 Depolymerisation	444
15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wärme und Scherung	445
15.3 Einwirkung von Chemikalien	447
15.3.1 Allgemeines	447
15.3.2 Hydrolyse	449
15.3.3 Oxidation	450
15.3.4 Degradation von PVC	450
15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung	451
15.4.1 Lichteinwirkung	451
15.4.2 Andere Strahlungsformen	451
15.4.3 Änderung von Struktur und Eigenschaften	453
15.4.4 Witterungseinflüsse	455
15.5 Biologische Einwirkungen	455
15.5.1 Biologische Angriffe auf Kunststoffe	455
15.5.2 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen)	456
15.6 Stabilisierung	457
15.7 Pyrolyse und Brand	458
15.7.1 Pyrolyse	458
15.7.2 Brandverhalten	458
15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Prüfungen	458
15.7.2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung des Brandverhaltens (oder der Verhinderung eines Brandes)	462
Sachverzeichnis	466

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