Georg MengesEdmund HaberstrohWalter MichaeliErnst Schmachtenberg

MengesWerkstoffkundeKunststoffe

6. Auflage

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MengesWerkstoffkundeKunststoffe

Georg MengesEdmund HaberstrohWalter MichaeliErnst Schmachtenberg

6. Auflage

Die Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Georg Menges, Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH-AachenProf. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh, Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie, RWTH-AachenProf. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli, Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH-AachenProf. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg, Rektor, RWTH-Aachen

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek:Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

ISBN: 978-3-446-42762-4

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© Carl Hanser Verlag, München 2011 Herstellung: Steffen Jörg Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad LangensalzaCoverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenCoverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, KrugzellPrinted in Germany

Inhalt V

Inhalt

1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Die Entwicklung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Definition und Namen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Kunststoffe – Eigenschahen und Anwendungen kurz gefasst . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1 Hervorstechende Eigenschahen der Kunststoffe im Vergleich mit anderen

Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.1 Kunststoffe sind leicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.2 Kunststoffe sind flexibel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.3 Kunststoffe haben eine niedrige Verarbeitungs-(Urform-)

Temperatur und ihre Schmelzen sind oh zähflüssig . . . . . . . . . . . . . 142.1.4 Kunststoffe haben niedrige Leitfähigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.5 Eine ganze Reihe von Kunststoffen ist transparent . . . . . . . . . . . . . 162.1.6 Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit . . . . . . . . . . 172.1.7 Kunststoffe sind durchlässig (Permeation, Diffusion). . . . . . . . . . . . 172.1.8 Kunststoffe lassen sich mit Hilfe unterschiedlicher und vielseitiger

Methoden wieder verwenden bzw. verwerten (Recycling) . . . . . . . . 172.2 Anwendung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Strukturpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Funktionspolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.2.2 Schaltbare Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.2.3 Elektrorheologische Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.2.4 Polymere Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.2.5 Polymere Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 Der makromolekulare Aufbau der Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1 Bildung von Makromolekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Einführende Darstellung in Aufbau und Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.1 Lineare Makromoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.2. Vernetzte Makromoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 Die Bildung und Herstellung von Polymeren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.1 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3.1.1 Ungesättigte Bindungen, Polymerisation . . . . . . . . . . . . . 383.3.1.2 Reaktive Endgruppen, Polyaddition und

Polykondensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3.2 Elastomere und Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3.2.1 Vernetzungen über ungesättigte Bindungen, die in deneingebundenen Monomeren noch verblieben sind . . . . . 44

VI

3.3.2.2 Vernetzung über reaktive Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.2.3 Vernetzung über Strahlung oder Peroxide . . . . . . . . . . . . 453.3.2.4 Leiterpolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.3 Copolymerisate und Pfropfpolymerisate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.4 Polymerblends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.3.5 Verfahrenstechnik zur Herstellung von Polymeren. . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Biopolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.2 Produkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.4.3 Bandbreite der Biopolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.4.4 Biopolymere natürlichen Ursprungs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.4.4.1 Polylactid (Polymilchsäure) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.4.2 Polysaccharide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.4.3 Polyhydroxyalkanoate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.4.5 Biopolymere fossilen Ursprungs mit der Eigenschah biologischerAbbaubarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.5.1 Polyester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.5.2 Polyesteramide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.6 Marktsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Aufbau, Bindungskrähe, Füllstoffe und davon beeinflusste Eigenschahenvon Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.1 Hauptvalenzbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1.1 Kovalente Atombindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.1.2 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2 Zwischenmolekulare Krähe (Nebenvalenzkrähe/Sekundärbindungen) . . . . 624.2.1 Dispersionskrähe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.2.2 Dipolkrähe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2.3 Wasserstoffbrückenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2.4 Vergleich der verschiedenen Nebenvalenzkrähe . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3 Struktur und Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3.1 Primärstruktur und Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3.1.1 Molekülordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.3.1.2 Sterische Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.3.1.3 Taktizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3.1.4 Konfiguration der Doppelbindungen in der Kette . . . . . . . 684.3.1.5 Verzweigungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.3.2 Die Molmasse (früher Molekulargewicht). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.3.2.1 Molmassen-(Molekulargewichts-) Bestimmung . . . . . . . . 734.3.2.2 Bestimmung der Molmassenverteilung . . . . . . . . . . . . . . 76

4.3.3 Sekundärstruktur und Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.3.4 Supermolekulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3.4.1 Vernetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.4.2 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Inhalt VII

4.4 Einlagerung von Fremdmolekülen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.4.1 Copolymerisation (Einbau in die Kette) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.4.1.1 Amorphe Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.4.1.2 Teilkristalline Copolymere am Beispiel von Copolymeren

aus PE und PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.4.1.3 Besondere Copolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.4.2 Besondere Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.4.2.1 Flüssigkristalline Kunststoffe (liquid crystalline

polymers, LCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.4.2.2 Polysalze (intrinsisch leitfähige Polymere, intrinsic

conductive polymers, ICP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.5 Polymergemische (Polymerblends). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.5.1 Homogene Gemische aus verträglichen Polymeren . . . . . . . . . . . . . 904.5.2 Mischungen aus begrenzt verträglichen Polymeren. . . . . . . . . . . . . 904.5.3 Mehrphasengemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.6 Modifizierungen durch Füllstoffe (Polymercompounds) . . . . . . . . . . . . . . . . 944.6.1 Verarbeitungsfördernde Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.6.1.1 Gleitmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.6.1.2 Wärmestabilisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6.1.3 Hahvermittler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6.1.4 Trennmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.6.1.5 Thixotropiemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.6.2 Produkteigenschahsverbessernde Zusatzstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . 954.6.2.1 Festigkeitserhöhende Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.6.2.2 Steifigkeitserhöhende Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.6.2.3 Weichmacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.6.2.4 Reagierende Zusatzstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.6.2.5 Gebrauchsfähigkeitsverlängernde Zusatzstoffe . . . . . . . . 974.6.2.6 Färbende Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.6.2.7 Nanofüllstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.6.2.8 Treibmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5 Verhalten in der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.1 Viskose Kunststoffschmelzen unter stationärer Scherströmung . . . . . . . . . 105

5.1.1 Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit . . . . . . . 1065.1.2 Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Druck . . . . . . . . . 1105.1.3 Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.1.4 Druckströmungen in einfachen Fließkanälen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.1.5 Erwärmung infolge des Scherfließens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.1.6 Schergeschwindigkeitsbereiche in Verarbeitungsprozessen . . . . . . 121

5.2 Viskoelastische Kunststoffschmelzen und spezielle Fließphänomene . . . . . 1225.2.1 Viskoelastische Eigenschahen und ihre Beschreibung. . . . . . . . . . . 1225.2.2 Mechanische Ersatzmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.2.3 Die Deborah-Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

VIII

5.2.4 Bedeutung für die Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305.2.5 Polymere mit zeitlich veränderlichen Fließeigenschahen. . . . . . . . . 132

5.2.5.1 Vernetzende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.2.5.2 Chemischer Abbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.3 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.3.1 Prühechnik zur Bestimmung der Scherviskosität. . . . . . . . . . . . . . . 135

5.3.1.1 Das Schmelzindexmessgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.3.1.2 Kapillarrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.3.1.3 Rotationsrheometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.3.1.4 Vergleich der Fließeigenschahen nach zwei unter-

schiedlichen Messprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3.2 Prühechnik zur Bestimmung der Dehnviskosität . . . . . . . . . . . . . . . 145

5.3.2.1 Messtechnik für die uniaxialen Dehnung . . . . . . . . . . . . . 1455.3.2.2 Messtechnik für die biaxialen Dehnung . . . . . . . . . . . . . . 149

5.4 Molekülorientierungen und Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.4.1 Die Relaxation als thermodynamische Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . 1515.4.2 Orientierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515.4.3 Halbwertzeiten der Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

6 Abkühlen aus der Schmelze und Entstehung von innerer Struktur . . . . . . . . . . . . . 1636.1 Struktur und innere Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.1.1 Thermodynamischer Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.1.2 Morphologische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.1.3 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

6.1.3.1 Grundlagen der Kristallentstehung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1696.1.3.2 Kristallstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1706.1.3.3 Energetische Bedingung für Keimbildung und Wachstum

der Kristallite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716.1.3.4 Modelle zur Beschreibung der Keimbildung . . . . . . . . . . . 1746.1.3.5 Keimbildung durch Nukleierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1756.1.3.6 Kristallit- und Sphärolithbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1756.1.3.7 Berechnung des Kristallisationsgrads . . . . . . . . . . . . . . . 1776.1.3.8 Gefügebeobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

6.1.4 Verbindungen an Struktur- und Phasengrenzen im Innern vonPolymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.2 Das Verformungsverhalten fester Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1806.2.1 Bestimmung der mechanischen Eigenschahen

viskoelastischer Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1876.2.1.1 Die dynamisch-mechanische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . 1876.2.1.2 Der Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.2.1.3 Der dehnungsgeregelte Zugversuch. . . . . . . . . . . . . . . . . 1906.2.1.4 Der Zeitstandzugversuch (Kriechversuch) . . . . . . . . . . . . 1906.2.1.5 Der Relaxationsversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.2.1.6 Zeitraffende Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Inhalt IX

6.2.2 Theorie der Viskoelastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1966.2.2.1 Modelle der Linearen Viskoelastizität . . . . . . . . . . . . . . . 1976.2.2.2 Modellierung der nichtlinearen Viskoelastizität . . . . . . . . 2016.2.2.3 Vorgehensweise bei der Berechnung des

Verformungsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2036.3 Die Zustandsbereiche im mechanischen (elastischen) Verhalten von

Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2056.3.1 Amorphe Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2056.3.2 Teilkristalline Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2086.3.3 Verstreckte Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2106.3.4 Vernetzte Polymere (Duroplaste und Elastomere) . . . . . . . . . . . . . . 2166.3.5 Nebenvalenzgele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2186.3.6 Gefüllte und verstärkte Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.3.6.1 Rohstoffe und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2196.3.6.2 Die mechanischen Eigenschahen von gefüllten

Kunststoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2216.4 Zusammenfassende Darstellung der Werkstoffzustände

bei Hochpolymeren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

7 Die mechanische Tragfähigkeit von Kunststogeilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.2 Das Verhalten von (unverstärkten) Kunststoffen unter

Zugbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2287.2.1 Homogene, isotrope und mit harten Füllstoffpartikeln gefüllte

Kunststoffe unterhalb der kritischen Dehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . 2287.2.2 Homogene, isotrope oder mit harten Füllstoffpartikeln

gefüllte Kunststoffe im Dehnbereich oberhalb der kritischenDehnung bis zum Bruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

7.2.3 Der Wirkungsmechanismus der Schlagzähweichmacher . . . . . . . . . 2357.3 Festigkeitsrechnung gegen ruhende und schwingende Zugbelastung . . . . . 236

7.3.1 Abschätzende Festigkeitsberechnung (nach Menges) . . . . . . . . . . . 2377.3.1.1 Kennwerte für die abschätzende Festigkeitsrechnung . . 2377.3.1.2 Praktisches Vorgehen bei abschätzender Festigkeits-

rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2387.3.2 Festigkeitsrechnung nach üblichen Methoden. . . . . . . . . . . . . . . . . 239

7.3.2.1 Vorschlag zu einer genauen Festigkeitsrechnung(nach Schmachtenberg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

7.3.2.2 Kennwerte aus Datenbanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.3.2.3 Festigkeitsberechnung nach der für metallische

Konstruktionen üblichen Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2427.3.3 Rechnung mit Zeitstandfestigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

7.3.3.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2427.3.3.2 Sicherheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.3.3.3 Festigkeitsrechnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

X

7.3.4 Genaue Berechnungen und Belastungssimulation mit FEM oderähnlichen Methoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.3.4.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2447.3.4.2 Sicherheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2447.3.4.3 Rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

7.4 Tragfähigkeitsberechnung unter dynamischer Belastung . . . . . . . . . . . . . . . 2457.4.1 Versagen unter dynamischer (Schwing-)Beanspruchung im

Dehnbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.4.1.1 Festigkeitsrechnung gegen schwingende Belastung

mit Dehndeformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.4.2 Versagen unter Stoß und klassische Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . 248

7.4.2.1 Für eine Abschätzung der Stoßenergie brauchbarerKennwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

7.4.2.2 Sicherheitskoeffizienten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.4.2.3 Festigkeitsrechnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.4.2.4 Praktische Stoßprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

7.5 Verhalten von Kunststoffbauteilen bei Druckspannungen(Schalen, Platten, Stäbe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

7.6 Die Tragfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2577.6.1 Faserarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2587.6.2 Aufmachung von Verstärkungsfasern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2607.6.3 Eigenschahen des Verbundes aus Fasern und Matrix . . . . . . . . . . . 2617.6.4 Mechanismus der Tragfähigkeit von kurzfaserverstärkten

Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2667.7 Reibung und Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

7.7.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2687.7.2 Verschleiß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

8 Thermische Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2818.1 Thermische Stoffwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

8.1.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2818.1.2 Spezifische Wärmekapazität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2838.1.3 Dichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2848.1.4 Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2858.1.5 Temperaturleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2918.1.6 Wärmeeindringzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2928.1.7 Wärmeausdehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2938.1.8 Glastemperatur (Einfriertemperatur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

8.2 Messung kalorischer Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.2.1 Messung der Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.2.2 Messung der Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2978.2.3 Thermische Zersetzung von Kunststoffen

(vgl. Abschnitte 5.1.3.2 und 15.7.2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2978.2.4 Wärmeformbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

Inhalt XI

8.2.4.1 Die Vicat-Temperatur (DIN EN ISO 306). . . . . . . . . . . . . . 2998.2.4.2 Die Heat-Distortion-Temperatur (HDT) (ASTM D 648-72) 299

8.2.5 Thermoanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3008.2.5.1 Die Differential-Thermoanalyse (DTA) . . . . . . . . . . . . . . . 3008.2.5.2 Differential-Scanning-Calorimetry (DSC) . . . . . . . . . . . . . 3018.2.5.3 Thermomechanische Analyse (TMA) . . . . . . . . . . . . . . . . 304

8.2.6 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3058.2.7 Thermogravimetrie (TGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3058.2.8 Druck-Volumen-Temperatur-Verhalten (pvT). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3058.2.9 Wärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

9 Elektrische Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3099.1 Das elektrische Isolationsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

9.1.1 Der elektrische Durchgangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3109.1.2 Der elektrische Oberflächenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119.1.3 Einfluss langzeitiger elektrischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . 3129.1.4 Weitere für den praktischen Einsatz wichtige Prüfungen . . . . . . . . . 314

9.2 Kunststoffe in elektrischen Feldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3149.2.1 Dielektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

9.2.1.1 Die relative Permittivität εr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3159.2.1.2 Die dielektrischen Verluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

9.3 Die elektrostatische Aufladung und Abschirmung gegenelektromagnetische Störungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189.3.1 Elektrostatische Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189 3.2 Schirmdämpfung, besser bekannt als Electro-Magnetic

Interference (EMI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199.3.3 Polymere mit besonderen elektrischen Eigenschahen. . . . . . . . . . . 320

9.3.3.1 Intrinsisch leitfähige Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3209.3.3.2 Elektrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3239.3.3.3 Elektrooptische Polymere (OLED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

9.4 Magnetische Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3239.4.1 Magnetisierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3239.4.2 Magnetische Resonanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

10 Optische Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32710.1 Die Grundgesetzmäßigkeiten). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32710.2 Der Realteil der Brechung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32810.3 Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Dispersion des Lichts) . . . . . . . . 33010.4 Der imaginäre Teil der Brechzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

10.4.1 Absorption und Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33210.4.2 Absorption, Reflexion und Transmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

10.5 Die Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33510.6 Farbe, Glanz und Trübung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

XII

10.7 Einfärben von Kunststoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33910.7.1 Farbmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

10.8 Die Anwendung der Infrarotstrahlung in der Kunststoffindustrie . . . . . . . . . 34410.8.1 Infrarotspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34410.8.2 Aufheizung durch Infrarotstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34510.8.3 Kunststoffschweißen mittels Infrarotstrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . 34710.8.4 Berührungslose Temperaturmessung von Kunststoffoberflächen . . 348

10.9 Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34910.10 Lichtstreuung in Mehrphasenkunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

11 Akustische Eigenschahen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35311.1 Akustische Eigenschahen von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35411.2 Dämmung und Dämpfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35611.3 Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36111.4 Was ist Schall? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36111.5 Möglichkeiten der Lärmreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

12 Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36712.1 Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36712.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36812.3 Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern. . . . . . . . . . . . . . . 370

12.3.1 Methode nach Zisman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37012.3.2 Methode nach Fowkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

12.4 Charakterisierung der Oberflächenspannung von Festkörpern . . . . . . . . . . 37212.4.1 Die Methode des liegenden Tropfens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37212.4.2 Die Wilhelmy-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37412.4.3 Die Steighöhenmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

12.5 Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Schmelzen . . . . 37612.5.1 Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop-Methode) . . . . . . 37612.5.2 Volumetrische Tropfenmethode (Drop Volume Methode). . . . . . . . . 37712.5.3 Ringmethode nach du Noüy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37712.5.4 Spinning Drop-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

13 Das Lösungsverhalten und der Einfluss der Nebenvalenzkrähe . . . . . . . . . . . . . . . 38113.1 Lösungen und Mischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38113.2 Polymerlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38313.3 Anwendung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

13.3.1 Herstellen von Gießfolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38613.3.2 Weichmachen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

13.4 Polymergemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

14 Stogransportvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39114.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

14.1.2 Permeation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39214.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

Inhalt XIII

14.2.1 Physikalische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39314.2.1.1 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39314.2.1.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39414.2.1.3 Desorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39414.2.1.4 Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39414.2.1.5 Permeation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

14.3 Temperaturabhängigkeit des Stogransports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39714.4 Permeationsbestimmende Eigenschahen der Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . 400

14.4.1 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40014.4.2 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40014.4.3 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

14.4.3.1 Kristallinität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40114.4.3.2 Orientierung der Polymerketten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

14.5 Abschätzung permeationsbestimmender Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . 40314.5.1 Löslichkeitskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40314.5.2 Diffusionskoeffizient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

14.6 Messung von Permeationsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40614.6.1 Sorptionsmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40714.6.2 Trägergasverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

14.6.2.1 Time lag-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40914.7 Permeation von organischen Dämpfen durch Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . 411

14.7.1 Sorption und Diffusion von Wasser durch Kunststoffe . . . . . . . . . . . 41314.8 Maßnahmen zur Permeationsminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

14.8.1 Mehrschichtige Verbundsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41514.8.2 Anwendung bei Kunststoff-Folien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41614.8.3 Anwendung bei Kunststoff-Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41614.8.4 Anwendung bei Kunststoff-Hohlkörpern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

14.9 Das mechanische Tragverhalten unter physikalischer Einwirkung . . . . . . . . 418

15 Der Abbau von Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42515.1 Abbaumechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42515.2 Einwirkung thermischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

15.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42715.2.2 Depolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42715.2.3 Abbau durch Einwirkung von Wärme und Scherung. . . . . . . . . . . . . 428

15.3 Einwirkung von Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43015.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43015.3.2 Hydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43215.3.3 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43315.3.4 Degradation von PVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

15.4 Wirkung von elektromagnetischer und Korpuskularstrahlung . . . . . . . . . . . 43415.4.1 Lichteinwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43415.4.2 Andere Strahlungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43415.4.3 Änderung von Struktur und Eigenschahen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43615.4.4 Witterungseinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

XIV

15.5 Biologische Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43815.5.1 Biologische Angriffe auf Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43815.5.2 Physiologische Wirkung (Wirkung auf den Menschen) . . . . . . . . . . . 439

15.6 Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44015.7 Pyrolyse und Brand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

15.7.1 Pyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44115.7.2 Brandverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

15.7.2.1 Physikalisch-chemische Grundlagen und Prüfungen . . . . 44115.7.2.2 Möglichkeiten zur Verbesserung des Brandverhaltens

(oder der Verhinderung eines Brandes) . . . . . . . . . . . . . . 445

Vorwort XV

Vorwort zur 6. Auflage

Dieses Buch entstand Anfang der 70er Jahre als Niederschrih einer Vorlesung zur Werk-stoffkunde der Kunststoffe. Obwohl es damals bereits eine Reihe sehr guter Fachbücherzu diesem Thema gab, waren sie für den Unterricht von Ingenieurstudenten weniger ge-eignet, weil sie in einer Fachsprache geschrieben waren, die derjenigen der Ingenieurstu-denten in mancher Hinsicht fremd war. Die Zustimmung zahlreicher Kollegen vonanderen Hochschulen zu diesen Vorlesungsmanuskripten ließ einen so breiten Zuspruchfür ein Lehrbuch dieses Inhalts erwarten, dass sich der Carl Hanser Verlag 1979 zur Ver-öffentlichung der ersten Auflage entschloss. Kontinuierlicher Zuspruch und Nachfrageder Leser haben dazu geführt, dass nun die sechste Auflage vor Ihnen liegt. Nach demAusscheiden des Verfassers der ersten Auflagen aus dem aktiven Dienst wurden die Auf-gaben auf seine Nachfolger aufgeteilt und damit auch die fünhe Auflage 2002 mit diesenKollegen zusammen herausgegeben. Damit war bereits eine vollständige Überarbeitungverbunden, welche in der vorliegenden sechsten Auflage noch vertieh wurde. Neben derfachlichen Aktualisierung und Erweiterung lag das Schwergewicht auf sprachlicher An-passung im Hinblick auf die Vorkenntnisse der jungen Ingenieure und didaktischen Ver-besserungen. Daraus ergab sich auch die Notwendigkeit, viele Bilder neu zu zeichnen,wobei wir dankenswerterweise auf die ausgezeichneten Darstellungen von Prof. Dr. TimOsswald, University of Wisconsin, Madison zurückgreifen konnten, der mit dem Erstver-fasser zusammen eine an amerikanische Verhältnisse angepasste, in vielen Teilen über-setzte Werkstoffkunde (Materials Science of Polymers for Engineers; Hanser 2003) verfassthat. Zahlreiche andere Bilder konnten mit freundlicher Erlaubnis der Herausgeber demSAECHTLING Kunststoff Taschenbuch, 30. Auflage entnommen werden.Die Herausgeber sind den Mitarbeitern des Carl Hanser Verlages sehr zu Dank verpflich-tet für die entgegenkommende und großzügige Unterstützung. Ganz besonderer Dankgebührt dabei Frau Dr. Strohm, die sich in das ihrer beruflichen Ausbildung ursprünglichfremde Fach so hervorragend eingearbeitet hat, dass vor allem ihr Beitrag wesentlich zurVerbesserung der Darstellung in textlicher Hinsicht und grafischer Gestaltung führte.Herrn Steffen Jörg sind wir auch zu großem Dank verpflichtet, denn er hat nicht nur inbeispiellos kurzer Zeit die Arbeiten im Verlag koordiniert, sondern auch für die Verbes-serung der Bilder viel Zeit aufgewendet.Schließlich bedanken sich die Herausgeber bei ihren wissenschahlichen Mitarbeitern fürdie sorgfältig durchgeführte Durchsicht und sachkundigen Korrekturen der ihnen anver-trauten Kapitel, darunter insbesondere Herrn Dr.-Ing. Tim Arping, der die Arbeiten derwissenschahlichen Mitarbeiter koordinierte.Schließlich bedanken wir uns bei vielen Kollegen für Hinweise auf sachliche und didakti-sche Verbesserungsmöglichkeiten, die uns sehr geholfen haben, den Inhalt des Buchesnoch verständlicher und besser darzustellen.

XVI Vorwort zur 6. Auflage

Wir wünschen allen Lesern unseres Buches, dass uns die Darstellung des nicht leichtverständlichen Stoffes so gelungen ist, dass sie mit Freude daraus lernen können undsich damit der gewünschte Nutzen einstellt. Sie als unsere Leser können nämlich alswichtige Interpreten zum Verständnis dieser noch immer neuen und vielfach in breitenKreisen der Bevölkerung als fremd und unnatürlich empfundenen, immer wichtiger wer-denden Werkstoffe beitragen.Die Autoren

E. Haberstroh, G. Menges, W. Michaeli, E. Schmachtenberg

Dieses Buch entstand unter Mitarbeit der folgenden wissenschahlichen Mitarbeiter desInstitut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH-Aachen und desLehr– und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie der RWTH-Aachen:

Dr.-Ing. Tim Arping Koordination der Revisiondes gesamten Buches

Dipl.-Ing. Karim Bahroun, Kapitel 14Dipl.-Ing. Sebastian Becker, Kapitel 6.1Dipl.-Ing. Henrik Behm, Kapitel 14Dipl.-Ing. Nikolai Borchmann, Kapitel 13Dipl.-Wirt.-Ing. Arne Böttcher, Kapitel 8Dipl.-Ing. Stephan Eilbracht, Kapitel 5Dipl.-Ing. Jan Fragner, Kapitel 9Dipl.-Wirt.-Ing. Hasan Kahraman Kapitel 5Dipl.-Ing. Eike Klünker, Kapitel 15Dipl.-Ing. Hendrik Kremer, Kapitel 11Dipl.-Ing. Klaus Küsters, Kapitel 6.2, 6.3Dipl.-Ing. Dipl.-Kfm. Lars Lambrecht, Kapitel 7.6, 7.7Dipl.-Ing. Tobias Preuss, Kapitel 3Dipl.-Ing. Florian Puch, Kapitel 4.4–4.6Dipl.-Ing. Martin Pütz, Kapitel 4.1–4.3Dipl.-Ing. Andreas Schobel, Kapitel 7.1–7.5Dipl.-Chem. Felixine Siegmund Kapitel 3.4Dipl.-Ing. Anika van Aaken, Kapitel 1, 2Dipl.-Ing. Jens van Haag, Kapitel 6.2, 6.3Dipl.-Ing. Mathias Weber, Kapitel 10M.Sc. Friederike von Fragstein, Kapitel 12Dipl.-Ing. Christian Windeck Kapitel 5

1■ 1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe

Hochmolekulare, organisch aufgebaute Werkstoffe werden von den Menschen seit ältes-ter Zeit in Form von Textilien aus Naturfasern, Holz und Leder benutzt. Die gezielteUmwandlung von Naturstoffen in das, was man unter Kunststoffen – Polymerwerkstof-fen – versteht, begann in der ersten Hälse des 19. Jahrhunderts mit der Cellulose. Einewirtschasliche Bedeutung gewinnen, wie man Bild 1.1 entnimmt, die Kunststoffe jedocherst in den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Der deutsche Nobelpreisträ-ger Hermann Staudinger hat mit seiner Schöpfung des Modellbilds vom Aufbau derKunststoffe aus Molekülketten den Forschern in den damaligen Industrieländern gleich-zeitig Anreiz und Schlüssel zu neuen Synthesen geboten. Es hatte zwar bereits zuvor,basierend auf Naturstoffen, Polymere wie Caseinharze auf Basis von Milch oder, bekann-ter als dieses, das „Celluloid“ auf Basis von Holz gegeben. Auch synthetische Werkstoffe-gab es schon seit der Jahrhundertwende in Form von Harzen auf Basis von Phenol und

BILD 1.1 Produktionsvolumen verschiedener Werkstoffe in der Welt, ab 1950 (volumenbezogen)Quelle: Saechtling: Kunststo_aschenbuch, 30.A. (2007)

Die erstenKunststoffestammten vonNaturstoffen

Kunststoffe (Dichte 1,1 g/cm3)

Entwicklung und historischeBedeutung der Kunststoffe

2 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

Aminoplasten, z. B. Melaminharze. Die industrielle Verarbeitung von polymeren Werk-stoffen setzte jedoch erst Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Verarbeitung des Latex vonGummibäumen und dessen Umwandlung zu Kautschuk (Gummi, Elastomere) ein. Erstesund wichtigstes Anwendungsgebiet dafür fand sich sofort in der Elektroindustrie mitihrem Bedarf an Isolationswerkstoffen. In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhundertswar die rasch wachsende Autoindustrie der Antrieb für ein schnelles Wachstum der Kaut-schukindustrie. Die Kunststoffindustrie blieb zunächst relativ klein, bis die syntheti-schen Thermoplaste Mitte der dreißiger Jahre auf den Markt kamen und ihre Verarbeitungund Anwendung, vor allem auch durch die Autarkiebestrebungen in Deutschland vor undim zweiten Weltkrieg, einen erheblichen Schub bekamen.Damals wurden so wichtige Werkstoffe wie der Kautschuk BUNA entwickelt. Zur glei-chen Zeit wurde auch das Polyamid 6 (Polycaprolactam, das als Spinnfaser Perlon bekanntist) bei LEUNA in Deutschland entdeckt. Dieser Werkstoff eignet sich hervorragend alsErsatz für Fallschirmseide. 1933 wurde in England von der ICI das Polyethylen niedrigerDichte (auch als Hochdruckpolyethylen, PE-LD bekannt) erfunden. In den USA entdeckteman das Polyamid 66 (als Spinnfaser mit dem Handelsnamen Nylon berühmt geworden).Wegen der großen strategischen Bedeutung wurden für diese Werkstoffe schnell Erzeu-gungsanlagen aufgebaut. Damit begann die chemische Industrie Werkstoffproduzent zuwerden.Mit dem steigenden Verbrauch von Erdöl nach dem zweiten Weltkrieg, bedingt vor allemdurch die schnell zunehmende Nutzung von Autos und dem Wechsel von Kohle zu Öl fürden Heizbedarf, entstand das dringende Bedürfnis bei den Herstellern der Brennstoffe,den Raffinerien, auch die beim Cracken entstehenden Abfälle (vor allem die Gase Ethylenund Propylen) einer Nutzung zuzuführen. Damals war auch gerade von Ziegler und Nattadie katalytisch bewirkte Polymerisation der Polyolefine – Polyethylen und Polypropylen –erfunden worden. Die Großchemiekonzerne BASF, ICI in England und Montecatini inItalien erkannten die Möglichkeiten und wurden so auch zu Herstellern dieser Rohstoffe.Das war der Auslöser, große Teile der Chemieerzeugung auf diese Basis umzustellen. Siebekam damit den Namen Petrochemie. Die Produktion von Polymerwerkstoffen in denIndustrieländern wuchs zunächst boomartig mit weit über 10 % pro Jahr. Die Gase, diezunächst noch Abfälle waren, reichten bald nicht mehr und man war gezwungen, in denCrackern, in denen das Rohöl gespalten wurde, eine besondere Qualität, das „Naphtha“,als Rohstoff für die Polymerisation zu erzeugen.Mit der Erdölkrise 1973 trat eine gewisse Dämpfung ein, die sich nach der zweiten Erd-ölkrise 1982 zu einer breiten Bewegung für Ressourcenschonung und der Forderung,Kunststoffe genau wie Metalle zu recyceln, ausweitete. Die Aversion gegen die Kunststof-fe war auch dadurch angeheizt worden, dass die Verpackung – vor allem von Lebensmit-teln – mittlerweile zu einem bedeutenden Anwendungsgebiet der Kunststoffe gewordenwar. Die verschmutzten Kunststoffe aus Verpackungen landeten dann leider nicht nur aufden ordentlichen, sondern os auch auf wilden Müllkippen und verschandelten damit dieUmwelt. Durch die sich daraus entwickelten Kampagnen gegen Kunststoffe hat sich dieWachstumsrate für den Verbrauch von Kunststoffen zusammen mit der gesamten Wirt-schassentwicklung in den vergangenen 30 Jahren auf im Durchschnitt ca. 4 % pro Jahr-verlangsamt. Jedoch ist die Entwicklung, insbesondere bei Thermoplasten, wie beispiels-

Kautschuk warder erstebedeutendePolymer-werkstoff

Ethen (Ethy-len) wirdBasisrohstofffür die Petro-chemie

1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe 3

BILD 1.2 Kunststoffproduktion 1950–2009(Quelle: Plastics Europe; www.plasticseurope.org/PEMRG)

weise Polypropylen (PP), mit mehr als 5 % pro Jahr weltweit immer noch beachtlich. InBild 1.2 ist die Entwicklung der Kunststoffproduktion dargestellt.Man zählt (aus statistischen Gründen) weder Kautschuk noch die synthetischen Fasernzu den Kunststoffen, obwohl es sich ebenfalls um organische Polymerwerkstoffe handelt,die einen ähnlichen chemischen Aufbau besitzen. Während der Verbrauch im Jahr 2000noch bei 180 Mio. t lag, wurden im Jahr 2010 bereits 240 Mio. t verbraucht.Zunächst war die Ausgangsbasis für die synthetischen Kunststoffe noch die Kohle (Tabel-le 1.1). Mitte der fünfziger Jahre wurde jedoch die Rohstoffbasis auf Erdöl umgestellt (vgl.Bild 1.3), denn der steigende Benzin-, Diesel- und Heizölverbrauch ließ erhebliche Men-gen praktisch wertloser Raffinationsanteile anfallen. So fällt Ethylen zu ca. 10 % beimCracken von Rohöl an. Es ist bis heute die wichtigste Rohstoffbasis geblieben und diesnicht mehr nur für Polyethylen (Tabelle 1.2), sondern generell für sehr viele Kunststoffeund andere chemische Produkte.Viele Thermoplaste zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich besonders leicht zu Formtei-len und Profilen ausformen (urformen) lassen. Die kostengünstige Produktion von Mas-sengütern aus den dazu bestgeeigneten und kostengünstigsten Polymeren ließ damiteinige dieser Werkstoffe zu Massenkunststoffen werden, deren stetiges Wachstum zunächstauf der Substitution konventioneller Werkstoffe wie Papier, Holz, Metallblech u. a. beruh-te. Das stärkste Wachstum besitzen die Polyolefine, die heute einen Anteil von 45 %an dergesamten Kunststoffpalette besitzen. Dabei ist das Polypropylen seit Jahren das amschnellsten wachsende Polymer geworden. Das anhaltende starke Wachstum von Poly-propylen beruht darauf, dass es gleichzeitig auch zu einem wichtigen Werkstoff für tech-nische Anwendungen geworden ist, wo es immer noch neue Anwendungen erobert undzum Teil auch schon andere Kunststoffe substituiert.

Thermoplastelassen sich be-sonders leichtverarbeiten

4 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

TABELLE 1.1 Polymerwerkstoffe auf Kohlebasis(Quelle: Der Lichtbogen. 4/XXV, Dez. 1976, Nr. 183)

BILD 1.3 Vom Erdöl zum Kunststoff

1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe 5

TABELLE 1.2 Polymerwerkstoffe auf Naphthabasis(Quelle: Der Lichtbogen. 4/XXV, Dez. 1976, Nr. 183)

6 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

Heute ist in den Industrieländern eine gewisse Sättigung zu beobachten. Trotz technolo-gischer Verbesserungen, wie neuen Technologien zur Herstellung von Polymeren, z. B.die Verwendung neuer Katalysatoren (z. B. Metallocene) bei der Polymerisation oderauch der Automatisierung der Fertigungsprozesse bei der Um- und Urformung, gibt esnoch immer keine nennenswerten Verbilligungen der Kunststoffrohstoffe. Jedoch vergrö-ßern sich die Anwendungsmöglichkeiten und die Kunststoffe wachsen durch weitere Sub-stitution der klassischen Werkstoffe auch in den Industrieländern noch langsam weiter.Die Vergrößerung der Erzeugungseinheiten war eine lange verfolgte Strategie der Roh-stoffhersteller. Diese Möglichkeiten sind jedoch erschöps. Heute haben die Anlagen zurPolymerisation von Standardkunststoffen, wie PVC, PE, PP und PS, bereits solche Dimen-sionen erreicht (z. B. 600.000 t pro Jahr bei PE), dass eine weitere Vergrößerung kaumnoch Kostenersparnisse bringen kann. Stattdessen verlangt der Markt eine Spezialisie-rung, die sogar kleinere Anlagen erfordert.In den Schwellenländern wachsen die Verbrauchsvolumina an Kunststoffen mit den stei-genden Lebensstandards sehr schnell. Hier besteht ein großer Bedarf an Konsumgütern,denen die billigen Massengüter aus den preiswerten Kunststoffen sehr entgegenkommen.Während in den entwickelten Industrieländern die Spezialisierung fortschreitet, sind esin den sich entwickelnden Ländern die Massenkunstoffe, die besonders schnell wachsen.Es sind vor allem die in großen Mengen erzeugten thermoplastischen Kunststoffe, die sogenannten Standard- oder Massen-Kunststoffe, wie Polyolefine (PE und PP), Polyvinyl-chlorid (PVC) und Polystyrole (PS), die über 2/3 der gesamten Kunststoffproduktion ausmachen. Die übrigen Thermoplaste machen nur noch ca. 10 % aus. Auf die härtbaren

BILD 1.4 Pro-Kopf-Verbrauch von Kunststoffen in der Welt nach Ländern und Gebieten(Quelle: Plastics Europe www.plasticseurope.org/PEMRG)

In den Schwel-lenländernwächst mit derSteigerung desLebensstan-dards dieKunststoff-verwendungboomartig

Nordamerika,Westeuropa und Japanjeweils mit ca. 100 kg/Kopf

SignifikantesWachstumin Asien und Osteuropaerwartet

2015 bleibt derVerbrauch pro Kopf inAsien und Osteuropanoch weit unter demVerbrauch dertraditionellen Märkte inNordamerika,Westeuropaund Japan

1.1 Die Entwicklung der Kunststoffe 7

BILD 1.5 Der europäische Verbrauch von Kunststoffen nach den wesentlichen Verwendungs-gebieten. (Quelle: Plastics Europe; www.plasticseurope.org/PEMRG)

Harze, die als Duromere oder Duroplaste bezeichnet werden und wozu ein Großteil derFaserverbund-Werkstoffe gehört, entfallen schließlich etwa 22 %.Die gesamte Gruppe der so genannten technischen, thermoplastischen Kunststoffe, wozuauch die Polyamide und die thermoplastischen Polyester zählen, wachsen mit ca. 5 % proJahr. (Diese Zahlen beinhalten nicht die Verwendung als Faserstoffe, welche in den offi-ziellen Statistiken separat gezählt werden. Der Anteil dieser Werkstoffe für Fasern be-trägt allerdings weniger als 10 % der Gesamtproduktion.)

BILD 1.6 Preise von Kunststoffen als Funktion der Gebrauchstemperaturen

HINWEIS: Zusammenfassend kann man feststellen: Kunststoffe haben noch einegroße Zukuni vor sich; gerade erst beginnt eine neue Wachstumsphase.

Technische(Engineering)Kunststoffe

Preis (EURO/kg) Stand Februar 2011

1 2 3 4 5 100...

Dau

erge

bra

uchs

tem

per

atur

(°C

) 300

200

100 Technische Kunststoffe

Hochleistungs-Kunststoffe

Standard-(Massen-)Kunststoffe

8 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

Auch die mit langen Fasern (Glasfasern, Kohlenstofffasern u. a.) verstärkten Kunststoffe,die so genannten Faserverbund-Werkstoffe, wachsen in Anbetracht des Bedarfes anLeichtbau-Werkstoffen trotz höherer Kosten für die Verarbeitung stetig. Ihr Anteil beträgtderzeit noch etwas mehr als 2 % an der Gesamtproduktion von Kunststoffen.Kunststoffe sind, wenn man nur die Preise (siehe Bild 1.6) vergleicht, keineswegs billig.Sie sind aber nicht deswegen so konkurrenzfähig, weil das Volumen von 1 kg Kunststoffgegenüber demjenigen von 1 kg Stahl ca. sieben Mal größer ist, sondern weil sie sichleicht und kostengünstig bei größeren Stückzahlen der gleichen Gestalt verarbeiten las-sen (siehe Bild 2.3 und Tab. 1.3) und damit im Bereich von Umgebungstemperaturengroße Anwendungen erobert haben und noch erobern.

TABELLE 1.3 Energieaufwand zur Herstellung bestimmter Erzeugnisse aus unterschiedlichenWerkstoffen (Angaben in t Erdöläquivalent für Rohstoff und Herstellung derErzeugnisse) (Quelle: BASF)

Erzeugnis – Menge und Art Erdölbedarf (t)1 Mio. m2 Verpackungsfolie aus Polypropylen

Cellulose110150

1 Mio. m2 Düngemittelsäcke aus PolyethylenPapier

470700

100 km Rohrleitung, 1 Zoll Durchmesser, ausPolyethylenKupfergalvanisiertem Stahl

5766

2321 Mio. 1 l-Behälter aus PVC

Glas97

230100 km Dränagerohr, 4 Zoll Durchmesser, mit Fittings, aus

PVCAsbestzementTonGussstahl

360400500

1.970

■ 1.2 Definition und Namen

Kunststoffe werden aus den Polymeren, wie sie bei der Polymerisation oder aus der Naturgewonnen werden, und Zusätzen hergestellt. Letztere machen den Kunststoff zu dem fürdie gedachten Anwendungen und Verarbeitungsgängen geeigneten Werkstoff. DieserArbeitsvorgang, in der Regel mit Aufbereitung bezeichnet, besteht aus Misch-, Schmelz-und Granuliervorgängen und wird meist bei den Rohstoffherstellern oder bei so genann-ten Compoundeuren durchgeführt. Nur selten findet die Aufbereitung bei den Verarbeitern(Urformern: Spritzgießern, Extrudeuren usw.) statt. Die normierten Bezeichnungen der

In der Auf-bereitungwerden diePolymere zuKunststoffenmit gleichemNamen

1.2 Definition und Namen 9

Kunststoffe folgen jedoch den chemischen Namen der Polymere. In der Tabelle 1.4 sinddie zurzeit gültigen Namen aufgelistet.

TABELLE 1.4 Polymerwerkstoffe: Namen nach alphabetischer Reihenfolge, die Namen sind dieFamiliennamen der betreffenden Kunststoffklasse (nach Saechtling)

Kurzzeichen Chemische BezeichnungABS Acrylnitril-Butadien-StyrolASA Acrylnitril-Styrol-Acrylester CopolymerBR Butadien-KautschukCA CelluloseacetatCN Cellulosenitrat, CelluloidCOC Cyclopolyolefin-CopolymereCR Chloropren-KautschukCSM chlorsulfonierter Polyethylen KautschukECB Ethylencopolymer-Bitumen-BlendEP Epoxid HarzEPDM Ethylen-Propylen-Dien-KautschukEPM Ethylen-Propylen KautschukETFE Ethylen-Tetrafluorethylen CopolymerEVAC Ethylen Vinylacetat CopolymerFEP PolyfluorethylenpropylenFKM Fluor-KautschukFPM Propylen-Tetrafluorethylen KautschukFFKM Perfluor KautschukIIR Butyl Kautschuk (CIIR, BIIR)IR Isopren-KautschukLCP Liquid Crystal PolymerMF Melamin-Formaldehyd HarzMPF Melamin-Phenol-Formaldehyd HarzNBR Acrylnitril-Butadien KautschukNR Natur KautschukPA PolyamidPAEK PolyaryletherketonPAI PolyamidimidPAN PolyacrylnitrilPBT PolybutylenterephthalatPC PolycarbonatPCTFE PolychlortrifluorethylenPE PolyethylenPE-C chloriertes PolyethylenPE-HD Polyethylen, high densityPE-HMW Polyethylen, high molecular weightPE-LD Polyethylen, low densityPE-LLD Polyethylen, linear low density

Name basiertauf demNamen desMonomers

10 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

Kurzzeichen Chemische BezeichnungPE-MD Polyethylen, medium densityPE-UHMW Polyethylen, ultra high molecular densityPEEK PolyetheretherketonPEI PolyetherimidPEK PolyetherketonPEN PolyethylennaphthalatPES PolyethersulfonPET PolyethylenterephthalatPF Phenol-Formaldehyd HarzPFPE PerfluorpolyetherPI PolyimidPIB PolyisobutenPMI PolymethacrylimidPMMA PolymethylmethacrylatPMP Poly-4-Methylpenten-1POM Polyoxymethylen (Polyformaldehyd, Polyacetal Harz)PP PolypropylenPP-C Polypropylen-CopolymerPP-H Polypropylen-HomopolymerPPA PolyphthalamidPPE Polyphenylenether (früher auch PPO)PPS PolyphenylensulfidPPY PolypyrrolPS PolystyrolPS-E Polystyrol, expandierbarPSU PolysulfonPTFE PolytetrafluorethylenPUR PolyurethanPVAC PolyvinylacetatPVAL PolyvinylalkoholPVC PolyvinylchloridPVDC PolyvinylidenchloridPVDF PolyvinylidenfluoridPVF PolyvinylfluoridSAN Styrol-Acrylnitril-CopolymerSBR Styrol-Butadien KautschukSI Silikon, SilikonharzTPE Thermoplastische ElastomereUF Harnstoff-Formaldehyd HarzUP Ungesättigte PolyesterharzeVMQ Polymethylsiloxan-Vinyl Kautschuk

TABELLE 1.4 Polymerwerkstoffe: Namen nach alphabetischer Reihenfolge, die Namen sind dieFamiliennamen der betreffenden Kunststoffklasse (nach Saechtling) (Fortsetzung)

1.2 Definition und Namen 11

DIN EN ISO 1043-1 beinhaltet die Regeln zur Bildung von international üblichen Kurzzei-chen für Polymere, wie sie in Tabelle 1.4 alphabetisch geordnet zusammengestellt sind.Das Polymerkennzeichen kann ergänzt sein durch eine (mit einem Mittelstrich nach die-sem einzustellende) Kombination von Kennbuchstaben, die auf die besonderen Eigen-schasen dieses speziellen Werkstoffs verweisen:

B: Block, bromiertC: ChloriertD: DichteE: verschäumt;

verschäumbarF: flexibel, flüssigH: hoch

I: schlagzähL: linear, niedrig (low),M: mittel; molekularN: normal, NovolakP: Weichmacher haltigR: erhöht, ResolS: gesättigt, sulfoniert

T: Temperatur (beständig),thermoplastisch,duroplastisch;zäh modifiziert

U: ultra, weichmacherfreiungesättigt

V: sehrW: GewichtX: vernetzt, vernetzbar

Beispiel: Lineares Polyethylen niedriger Dichte: PE-LLD.Der Buchstabe P für „Poly“ ist für Homopolymerisate zu verwenden. Copolymer- Kurzzei-chen werden aus denen der verwendeten Monomere in der Reihenfolge abnehmenderAnteile zusammengesetzt, z. B. E/P; EVAC, SB, VCEMMA. Polymergemische sind durchdie Kurzzeichen der Grundpolymeren mit Pluszeichen zwischen ihnen in Klammern zukennzeichnen, z. B.: (PMMA+ABS).Die Doppelbelegung einiger Zeichen macht deutlich kenntlich, dass es sich hierbei leiderum keine sichere, eindeutige Kennzeichnung handelt. Sie wird zudem im täglichenGebrauch ständig durch weitere, nicht genormte, Abkürzungen erweitert.DIN EN ISO 1043-2: 2008 „Kunststoffe – Kennbuchstaben und Kurzzeichen – Teil 2: Füll-stoffe und Verstärkungsstoffe“ gibt allgemeine Richtlinien zur Kennzeichenbildung fürverstärkte Kunststoffgruppen wie z. B. GFK, CFK für Reaktionsharzformmassen, ergänztdurch DIN EN 14598-1:2005.DIN EN ISO 1043-3: 2000 enthält die Kurzzeichen für Weichmacher.DIN EN ISO 1043-4: 2000 gibt die Kurzzeichen und Kennbuchstaben für Flammschutz-mittel an.Genormte Kurzzeichen für Natur- und Synthesekautschuke (DIN ISO 1629: 2004) und fürTextilien werden nach andersartigen Regeln gebildet; es existiert leider keine Überein-stimmung.

12 1 Entwicklung und historische Bedeutung der Kunststoffe

Am Beispiel von Polyamid 12 soll nun noch die Bezeichnung erläutert werden:

Codierung von Verstärkungsmitteln und Füllstoffen inDatenblock 4 von Bild 1.8

1. Position 2. Position 3. PositionCode Art Code Form Code Gehalt Gew.-%B BorC KohlenstoffG GlasK KreideM MineralienS Organische StoffeT TalkumX nicht spezifiziert

B KugelnD PulverF FasernG MahlgutH Whisker

5 0–

2■ 2.1 Hervorstechende Eigenschahen der

Kunststoffe im Vergleich mit anderenWerkstoffen

2.1.1 Kunststoffe sind leicht

Die Dichten der Kunststoffe liegen zwischen 0,8 g/cm3 (Polymethylpenten) und 2,2 g/cm3(Polytetrafluorethylen). Sie sind damit leichter als Metalle oder keramische Werkstoffe.Dieser Eigenscha} verdanken sie viele Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau, beiSportgeräten, Verpackung und anderen.In Verbindung mit der relativ hohen mechanischen Tragfähigkeit, die durch die Einarbei-tung von leichtgewichtigen Fasern erreicht wird, gehören sie daher in dieser Form auchzu den wichtigsten Leichtbauwerkstoffen (vgl. Bild 2.1).

2.1.2 Kunststoffe sind flexibel

Die Elastizitätsmoduln der Kunststoffe (Bild 2.2) sind – ebenso wie ihre Festigkeiten –weit gespreizt. Sie reichen von denjenigen eines weichen Kautschuks (Elastomer) bis zudenjenigen von Metallen (Aluminium). Diese große Spannweite des Elastizitätsmoduls isteiner der besonderen Vorteile gegenüber anderen Werkstoffen.Besonders die Elastomere (Gummi) besitzen mit ihrer Flexibilität eine für uns unver-zichtbare, von keiner anderen Werkstoffgruppe gebotene Eigenscha}.Bei den für Kunststoffe typischen, kleinen bis mittelgroßen Formteilen kann man bereitsdurch werkstoffgerechtes Konstruieren der Formteile den niedrigen Modul überspielenund dank eines hohen Trägheitsmoments viele Anforderungen auch ohne Faserfüllungerfüllen. Bei großen Formteilen und höheren Ansprüchen an die Steifigkeit hil} die Ein-arbeitung von Füllstoffen, in erster Linie in Form von Fasern.

spezifischesGewicht

mechanischeEigenschaJen

Kunststoffe – Eigenschahenund Anwendungen kurzgefasst