Werkstoffkunde Kunststoffe:
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| Previous Title: | Menges, Georg Werkstoffkunde Kunststoffe |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München [u.a.]
Hanser
2002
|
| Edition: | 5., völlig überarb. Aufl. |
| Series: | Studientexte Kunststofftechnik
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XIV, 411 S. Ill., graph. Dart. |
| ISBN: | 3446212574 |
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Titel: Werkstoffkunde Kunststoffe
Autor: Menges, Georg
Jahr: 2002
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 zahflussig 12
2.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfahigkeiten 14
2.1.5 Kunststoffe sind teilweise transparent 14
2.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Bestandigkeit 14
2.1.7 Kunststoffe sind durchlassig (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 Flussigkeiten 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 Makromolekiilen 27
3.2 Einfiihrende Darstellung in Aufbau und Eigenschaften 31
3.2.1 Lineare Makromolektile 31
3.2.2 Vemetzte Makromolektile 32
3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren 33
3.3.1 Thermoplaste 33
3.3.1.1 Ungesattigte Bindungen, Polymerisation 33
3.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und Polykondensation 35
3.3.2 Elastomere und Duroplaste 37
3.3.2.1 Vemetzung liber ungesattigte Bindungen 38
3.3.2.2 Vemetzung iiber reaktive Gruppen 38
3.3.2.3 Vemetzung iiber 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
VIII
Inhaltsverzeichnis
4 Bindungskrafte und Aufbau von Polymerwerkstoffen
4.1 Hauptvalenzbindungen
4.1.1 Kovalente Atombindung
4.1.2 Ionenbindung
4.2 Zwischenmolekulare Krafte (Nebenvalenzkrafte/Sekundarbindungen)
4.2.1 Dispersionskrafte
4.2.2 Dipolkrafte
4.2.3 Vergleich der verschiedenen Nebenvalenzkrafte . .
4.3 Struktur und Eigenschaften
4.3.1 Primarstruktur und Eigenschaften
4.3.1.1 Moleklilordnung
4.3.1.2 Sterische Ordnung
4.3.1.3 Taktizitat
4.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette
4.3.1.5 Verzweigungen
4.3.2 Molekulargewicht
4.3.2.1 Molekulargewichtsbestimmung
4.3.2.2 Bestimmung der Molekulmasseverteilung
4.3.3 Sekundarstruktur und Eigenschaften
4.3.4 Supermolekulare Strukturen
4.3.4.1 Vernetzungen
4.3.4.2 Kristallisation
4.4 Einlagerung von Fremdmolektilen ^
70
4.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette)
4.4.1.1 Amorphe Copolymere
4.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren aus PE und PP . - 71
4.4.1.3 Besondere Copolymere
4.4.1.4 Polysalze (Intrinsisch leitfahige Polymere, ICP Intrinsic Conductive Polymers) . 75
4.4.2 Polymergemische
4.4.2.1 Homogene Gemische aus vertraglichen Polymeren
4.4.2.2 Mischungen aus begrenzt vertraglichen Polymeren 'J3
4.4.2.3 Mehrphasengemische
4.4.3 Nanocomposites
4.4.3.1 Aufbau von Nanocomposites 1
4.4.3.2 Eigenschaften von Nanocomposites
4.4.3.3 Anwendungen von Nanocomposites
5 Verhalten in der Schmelze 87
5.1 Scherrheologische Eigenschaften 87
5.1.1 Stationares viskoses FlieBen 88
5.1.1.1 Die stationare Scherviskositat 89
5.1.1.2 Schergeschwindigkeitsabhangigkeit der Viskositat 89
5.1.1.3 Temperatur-und Druckabhangigkeit ^
5.1.1.4 Abhangigkeit vom Fiillstoffgehalt 97
5.1.1.5 Druckstromungen in einfachen FlieBkanalen 99
5.1.1.6 Erwarmung infolge des ScherflieBens 101
5.1.1.7 Praktisches Verhalten ausgewahlter Polymerschmelzen 102
50
51
51
52
53
54
55
58
60
62
67
67
68
Inhaltsverzeichnis IX
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 fur die Verarbeitung 108
5.1.3 Polymere mit zeitlich veranderlichen FlieBeigenschaften Ill
5.1.3.1 Vernetzende Systeme Ill
5.1.3.2 Chemischer Abbau 112
5.1.4 Messtechnik 113
5.1.4.1 Das Schmelzeindexmessgerat 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 Molekiilorientierungen 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 Abktihlen 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 Primar-, Sekundar- und Tertiarkeimbildung 145
6.1.3.7 Keimbildung durch Nukleierung 146
6.1.3.8 Kristallit und Spharolithbildung 147
6.1.3.9 Berechnung des Kristallisationsgrads 148
6.1.3.10 Gefiigebeobachtungen 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 Viskoelastizitat 158
6.2.1.1 Lineare Viskoelastizitat 158
6.2.1.2 Grenzen der linearen Viskoelastizitat 165
6.2.1.3 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizitat 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
X
Inhaltsverzeichnis
6.3.1 Amorphe Thermoplaste 1/8
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 Gefullte und verstarkte Kunststoffe 192
6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung 192
6.3.6.2 Die mechanischen Eigenschaften von gefiillten Kunststoffen 193
6.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustande bei Hochpolymeren . 196
7 Die mechanische Tragfahigkeit von Kunststoffteilen
(Kunststoffteile unter mechanischer Belastung, Verhalten und Dimensionieren) . 198
7.1 Allgemeines 198
7.2 Das Verhalten von (unverstarkten) Kunststoffen unter Zugbeanspruchung . 198
7.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Fullstoffpartikeln geftillte Kunststoffe unterhalb der
kritischen Dehnung 198
7.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Fullstoffpartikeln gefullte Kunststoffe
im Dehnbereich oberhalb der kritischen Dehnung bis zum Bruch 204
7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagzahweichmacher 206
7.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung
bei homogenen und gefiillten Kunststoffen 207
7.3.1 Abschatzende 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 fiir Metalle iiblichen 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 ahnlichen Methoden . 213
7.3.4.1 Kennwerte 214
7.3-4.2 Sicherheiten 214
7.3.4.3 Rechnung 214
7.4 Tragfahigkeitsberechnung 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 StoB und klassische Kennwerte 217
7.4.3 Festigkeitsrechnung gegen StoB 218
7.4.3.1 Kennwerte 219
7.4.3.2 Sicherheitskoeffizienten 219
7.4.3.3 Festigkeitsrechnung 219
7.4.3.4 Praktische StoBpriifung 219
7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen (Schalen, Platten, Stabe) . 220
7.6 Die Tragfahigkeit von faserverstarkten Kunststoffen 225
Inhaltsverzeichnis XI
7.6.1 Faserarten 226
7.6.2 Aufmachung von Verstarkungsfasern 227
7.6.3 Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix 229
7.6.4 Mechanismus der Tragfahigkeit von kurzfaserverstarkten Kunststoffen 234
7.7 Reibung und VerschleiB 236
7.7.1 Reibung 236
7.7.2 VerschleiB 242
8 Thermische Eigenschaften 245
8.1 Thermische Stoffwerte 245
8.1.1 Enthalpie 245
8.1.2 Spezifische Warme 246
8.1.3 Dichte 247
8.1.4 Warmeleitfahigkeit 248
8.1.4.1 Warmeleitfahigkeit in amorphen Thermoplasten 251
8.1.4.2 Warmeleitfahigkeit in teilkristallinen Thermoplasten 251
8.1.5 Temperaturleitfahigkeit 255
8.1.6 Warmeeindringzahl 256
8.1.7 Warmeausdehnung 257
8.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur) 258
8.2 Messung kalorischer Daten 258
8.2.1 Bestimmung der Warmeleitfahigkeit 258
8.2.2 Thermische Zersetzung von Kunststoffen 260
8.2.3 Warmeformbestandigkeit 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 Feldem 269
9.1.1 Kunststoffe in statischen Feldem 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 Leitungsvorgange in Kunststoffen 278
9.2.1 Elektrische Leitfahigkeit 278
9.2.2 Elektrische Kennwerte 279
9.2.2.1 Oberflachenwiderstand 280
9.2.2.2 Kriechstromfestigkeit 280
9.2.2.3 Durchschlagsfestigkeit 280
9.2.3 Die elektrostatische Aufladung 283
Xjj Inhaltsverzeichnis
9.3 Kunststoffe mit speziellen elektrischen Eigenschaften 284
9.3.1 Elektrisch leitfahige Compounds 284
9.3.2 Intrinsisch leitfahige Polymere 285
9.3.3 Elektrete 288
9.4 Magnetische Eigenschaften 288
9.4.1 Magnetisierbarkeit 288
9.4.2 Magnetische Resonanz
10 Optische Eigenschaften 291
10.1 Die GrundgesetzmaBigkeiten 291
10.2 Der Realteil der Brechung 292
10.3 Wellenlangenabhdngigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichtes) 293
10.4 Der imaginare 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 Trtibung 298
10.7 Einfarben von Kunststoffen 200
10.7.1 Farbmessung 202
10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie 204
10.8.1 Infrarotspektroskopie 204
10.8.2 Aufheizung 206
10.8.3 Beriihrungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflachen 207
10.9 Doppelbrechung 208
10.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen 209
11 Akustische Eigenschaften 311
11.1 Akustische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen 312
11.2 Dammung und Dampfung 313
11.3 Korperschall 317
11.4 Was ist Schall? 318
11.5 Moglichkeiten der Larmreduzierung 320
12 Einfluss der Nebenvalenzkrafte auf das Losungsverhalten 324
12.1 Losungen und Mischungen 324
12.2 Polymerlosungen 325
12.3 Anwendung 328
12.3.1 Herstellen von GieBfolien 328
12.3.2 Weichmachen 329
12.4 Polymergemische 329
v
Inhaltsverzeichnis XIII
13 Oberflachenspannung 333
13.1 Oberflachenspannung und Benetzungsfahigkeit 333
13.2 Grundlagen 334
13.3 Bestimmung der Oberflachenspannung von Festkorpern 335
13.3.1 Methode nach Zisman 335
13.3.2 Methode nach Fowkes 336
13.4 Messung der Oberflachenspannung von Festkorpern mittels Kontaktwinkelbestimmung 337
13.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens 337
13.4.2 Die Wilhelmy-Methode 338
13.4.3 Die Steighohenmethode 339
13.5 Messung der Oberflachenspannung von Fliissigkeiten und Schmelzen . 340
13.5.1 Methode des hangenden Tropfens (Pendant Drop-Methode) 340
13.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume-Methode) 341
13.5.3 Ringmethode nach du Noiiy 341
13.5.4 Spinnig Drop-Methode 343
14 Stofftransportvorgange 345
14.1 Einfuhrung 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 Temperaturabhangigkeit 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 Kristallinitat 355
14.4.3.2 Orientierung der Polymerketten 357
14.5 Abschatzung permeationsbestimmender Koeffizienten 357
14.5.1 Loslichkeitskoeffizient 357
14.5.2 Diffusionskoeffizient 357
14.6 Messung von PermeationsgroBen 360
14.6.1 Sorptionsmessverfahren 361
14.6.2 Tragergasverfahren 362
14.6.2.1 Time lag-Methode 364
XIV Inhaltsverzeichnis
14.7 Permeation von Dampfen durch Kunststoffe 365
14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe 367
14.8 MaBnahmen 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-Hohlkorper 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 AHgemeines 380
15.2.2 Depolymerisation 380
15.2.3 Abbau durch Einwirkung von Warme und Scherung 381
15.3 Einwirkung von Chemikalien 383
15.3.1 AHgemeines 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 Anderung von Struktur und Eigenschaften 389
15.4.4 Witterungseinfltisse 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 Priifungen 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 |
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