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 |