Polymer Engineering 1: Einführung, Synthese, Eigenschaften

547 Pages·2020·41.294 MB·German

by  Peter Eyerer, Helmut Schüle

Peter Eyerer
Helmut Schüle Hrsg.
Polymer
Engineering 1
Einführung · Synthese · Eigenschaften
2. Auflage
Polymer Engineering 1
Peter Eyerer
Helmut Schüle
(Hrsg.)
Polymer
Engineering 1
Einführung, Synthese, Eigenschaften
2. Auflage
Hrsg.
Peter Eyerer Helmut Schüle
Fraunhofer-Institut für Chemische Campus Pirmasens
Technologie (ICT) Hochschule Kaiserslautern
Pfinztal, Deutschland Pirmasens, Deutschland
ISBN 978-3-662-59836-8 ISBN 978-3-662-59837-5 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59837-5
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detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über 7 http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Ursprünglich erschienen in einem Band unter Eyerer, P; Hirth, T.; Elsner, P. (Hrsg.)
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V
Vorwort zu den 3 Bänden Polymer
Engineering
„Klimawandel stoppen! Aber auch Artensterben- ob Mensch, Tier oder Pflanzen-
welt- verhindern! Weltweite Pandemien eindämmen! Massentierhaltung unnötig
machen! Aber auch die Lebensqualität für Menschen unabhängig von ihrer Herkunft,
ihres Alters und persönlicher Konstitution erhöhen. Um all diese Wünsche, Träume
und nachvollziehbare Forderungen zu erfüllen, führt bei der Suche nach nachhaltigen
Lösungen überraschender Weise kein Weg an der Verwendung von technisch hoch-
wertigen Polymersystemen (landläufig Kunststoffe, abfällig Plastik genannt) vorbei.
Man stelle sich die global wütende Corona-Pandemie ohne das Vorhandensein von
Kunststoffen vor! Wie soll eine Impfstoffentwicklung ohne medizinische Gerätschaften,
Spritzen, Kanülen und Infusionszubehör funktionieren? Eine digitalisierte, medizi-
nische Vollüberwachung z. B. von Herzschlag, Blutsauerstoffgehalt und die Atmungs-
aktivitäten eines Patienten während einer medizinisch notwendigen, wochenlang
andauernden Vollnarkose ( künstliches Koma) und die hierzu auch erforderliche kli-
matisierte Behandlungsstation ohne Verwendung von Kunststoff-Funktionsbauteile
ist undenkbar. Auch unter Einhaltung von medizinisch erforderlichen hygienischen
Bedingungen durchzuführende Transporte, eine Impfstoffverteilung sowie eine Durch-
impfung der Menschheit (mehrere Milliarden?), um eine globale Herdenimmunität zu
erreichen, ist ohne ein Zugriff auf polymere Werkstoffe (auch Biopolymere) bzw. unter
bestmöglichen Bedingungen hergestellte Kunststoffbauteile nicht möglich.
Zu beachten ist, dass anspruchsvolle, insbesondere im High-Tech-Bereich anzu-
treffende Polymerbauteile oder ganze Baugruppen nur unter Einbeziehung von
Kenntnissen über Werkstoffchemie und -physik, Verarbeitungsverfahren in
Zusammenwirken mit Formwerkzeugen einschließlich notwendiger rheologischen,
fließtechnischen FEM-Simulationsprogrammen und der Materialprüfung (->
beinhaltet auch die aktuelle allgemeingültige Gesetzgebungen) hochwertig hergestellt
werden können. Werden all diese angeführten Wissensgebiete herangezogen, um mit
Hilfe einer ingenieurmäßigen Vorgehensweise eine kunststoffspezifische Aufgaben-
stellung mit Blick auf Bauteile oder Komponenten zu lösen, spricht man auch von Poly-
mer Engineering. Besonderen Wert legt man darüber hinaus bei den Problemlösungen
auch auf eine ganzheitliche Produktbetrachtung.
Liegt mit dem seit Jahrzehnten erfolgreichen, ständig aktualisierten Fachbuch „Domi-
ninghaus“ (Kunststoffe – Eigenschaft und Anwendungen) ein umfassendes Nach-
schlagewerk zum Thema Kunststoffe vor, so ist ein mit ähnlich umfangreicher
Informationsfülle ausgestattetes noch für den Alltag handhabbares Lexikon zu Polymer
Engineering derzeit nicht verfügbar. Motivation für den Verlag in enger Zusammen-
arbeit mit den Herausgebern war es daher, diese Lücke zu schließen.
Wie die oben gemachten beschreibenden Ausführungen über Polymer Engineering
an Beispielen aus der Medizin bereits erahnen lassen, ist eine sinnvolle, zeitgemäße
(-> Aufnahme auch von digital recherchierten Quellen mit Querverweisen) Auf-
arbeitung dieses fachlichen Spektrums in nur einem dicken Buch weder leser- noch
anwendungsfreundlich. Daher entschlossen sich der Verlag und die Herausgeber eine
VI Vorwort zu den 3 Bänden Polymer Engineering
in sich geschlossene 3-bändige Darstellung zum industriellen Polymer Engineering zu
erarbeiten und zu veröffentlichen.
So beinhaltet Band 1 die Einführung und behandelt die Synthese von Polymeren
sowie deren Eigenschaften. Für Werkstoffe, Komponenten und Produktsysteme gibt
dieses Werk nachhaltige Antworten auf die wichtigen technischen, wirtschaftlichen,
ökologischen und sozial relevanten komplexen Fragestellungen. Band 2 behandelt
die Verarbeitung von Polymeren, Oberflächentechnologien sowie die Entwicklung
und Gestaltung von Bauteilen. Band 3 beinhaltet die Werkstoff- und Bauteilprüfung,
Betrachtungen zum Recycling und zur Nachhaltigkeit sowie einen Ausblick auf anzu-
treffende Entwicklungen.
Um eine Literatur zu präsentieren, welche als Zielgruppen von der Facherst- und
Weiterbildung (-> Berufs-aber auch Hochschule) bis zu hochqualifizierten, praxis-
erfahrenen Ingenieure, Chemiker/Physiker und Betriebswirte in verschiedensten
Industrie- bzw. Managementtätigkeiten erreichen will, erfordert es besondere Vor-
gehensweise bei der vorzunehmenden Beitragsgestaltung. Deshalb wird, soweit es
das zu beschreibende Fachgebiet zulässt, das „Zwiebelschalen-Modell“ angewandt.
Ein Fachartikel ist so aufgebaut, dass er mit einem leicht lesbarem und somit inhalt-
lich schnell umzusetzenden, eher einer Unterrichtsstunde nahekommenden Einstieg
beginnt. Der sich anschließende, vertiefende Abschnitt bezieht weitergehende Fachzeit-
schriften, Dissertationen auch spezifische, tiefergehende Firmeninformation u.ä. ein.
Abschluss bildet in aller Regel eine allgemeine Darstellung im Internet recherchierter,
weitergehender Informationen, sehr umfangreiche Literaturverzeichnisse aber auch
konkrete Hinweise auf Synergieeffekte angrenzender Fachgebiete (-> kurz dokumen-
tierte Zeitschriftenbeiträge, Tagungen, Patente u.a.)
Allen Kapiteln gemein sind eine Vielfalt an gut dokumentierten Informationsquellen
wie Abbildungen, Diagramme, Stoffwert- bzw. Verarbeitungsdatentabellen etc. Mit aus-
gewählten Farbfotos und/oder speziell ausgearbeitete Praxisbeispielen werden darüber
hinaus theoretische Ausführungen verständlich und nachhaltig untermalt.
Doch auch zu kritischen, unserer aller Zukunft betreffend, Sachverhalten soll dieses
Kompendium herangezogen werden!
Täglich hören wir über Schreckensnachrichten: Plastikmüll, Feinstaubbelastungen
(Mikroplastik) infolge Reifenabrieb, Nanopartikel aus Kosmetika. Fasern aus
Bekleidungsteilen führen zu Plastik in den Weltmeeren, im Boden und in der Luft.
Polymerpartikel (Kunststoffprimärteilchen) wandern über die Essensaufnahme in
Mensch und Tier. Alles unverzeihbar!
Zukünftige Aufgabe eines einzufordernden hochqualifizierten Polymer Engineering
muss deshalb eine uneingeschränkte Vermeidung von derartigen zukunftsschäd-
lichen Technikentwicklungen bereits in den Anfängen sein. Oberstes Gebot muss es
auch sein, bei den Verbrauchern durch ehrliche, offene Aufklärung ein faktentreues
Bewusstsein zu erzeugen. Erkannte Fehlentwicklungen und Schieflagen sind darüber
hinaus mit aller Deutlichkeit und verständlich beim Namen zu nennen. Grundsätz-
lich gilt mehr denn je: Kunststoffe nur als funktionsarmes Plastik- sprich als Nur-Weg-
Werf-Kunststoff zur Unterstützung der menschlichen Bequemlichkeit– zu verwenden,
muss – neben Ressourcengründen auch aus der Forderung nach zukünftiger, annehm-
barer Qualität für alles Leben auf unserem blauen Planeten – ggfs auch durch fiskali-
sche Strategien vermieden bzw. nachhaltig unter Strafe gestellt werden.
VII
Vorwort zu den 3 Bänden Polymer Engineering
All diese obige Ausführungen zeigen auch, dass alle drei Bände zusammen ein sicher-
lich riesiges Fachspektrum abdecken – und trotzdem etwas fehlt. An dieser Stelle emp-
fehlen wir, die Bücher mit ihren sehr umfangreichen Stichwortverzeichnissen einfach
als Navigations-Plattform zu nehmen und mit diesen Begriffen zu “googeln“. In nicht
wenigen Fällen werden sie erkennen, dass plötzlich eine Vielzahl an Informationen
(Bilder, Artikel u.a.) sie überfluten wird. Nach einer Sichtung des Materials werden sie
letztendlich (hoffentlich) eine hervorragende Ergänzung zu „ihrem nicht kompletten“
Beitrag in den 3 Bänden erhalten. Oder, es wird nichts an neuen, seriösen Erkennt-
nissen vorliegen.
Selbstverständlich erbitten die Herausgeber weitergehende Vorschläge, um die vor-
liegende Buchreihe auch zukünftig auf höchstem Niveau weiter zu entwickeln.
Besuchen Sie die Bücher in ihrer Gesamtheit im Internet (e books bei Springer). Prüfen
Sie die Inhaltsverzeichnisse hinsichtlich ihren Bedürfnissen und beginnen gegebenen-
falls einfach durch Anclicken mit möglichen Leseproben.
Viel Spaß!
Peter Eyerer
Helmut Schüle
Oktober 2020
PS: Unser herzlicher Dank geht an Alexandra Wolf, die in riesigem Engagement uns
bei der Organisation der 3 Bände über viele Jahre in höchstem Maße entlastet und
kompetent unterstützt hat.
Bei den indischen Kolleg*Innen des Springer Verlages bedanken wir uns für die
hervorragende kompetente und aufmerksame Zusammenarbeit.
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in Polymer Engineering ...................................... 1
Peter Eyerer
1.1 Umweltgerechtes Produkt-Engineering; Polymer Engineering .................. 2
1.2 Begriffe, Kurzzeichen für Kunststoffe, Periodensystem und Umrechnung ....... 4
1.2.1 Kurzzeichen für Kunststoffe (nach DIN 7728 Teil 1) ............................... 4
1.2.2 Bilder und Tabellen ............................................................ 9
1.3 Einteilungen .................................................................. 15
1.3.1 Einteilung der Werkstoffe ...................................................... 15
1.3.2 Definition Verbundwerkstoffe .................................................. 15
1.3.3 Einteilung der Kunststoffe (Abb. 1.16 und 1.17) .................................. 17
1.3.4 Handelsnamen und Bezugsquellen ............................................. 21
1.3.5 Thermoplaste (ausführlich siehe Abb. 1.19) ...................................... 21
1.3.6 Thermoplastische Elastomere (ausführlich siehe Abb. 1.19) ...................... 21
1.3.7 Elastomere (ausführlich siehe Abb. 1.22) ........................................ 21
1.3.8 Duroplaste (siehe Abb. 1.26 und 1.31) ........................................... 23
1.3.9 Hauptmerkmale von Kunststoffen (in Anlehnung an DIN 7724) (Abb. 1.28) ........ 23
1.4 Werkstoffe im Vergleich ....................................................... 27
1.5 Zusammenfassung der Abschn. 1.1 und 1.2 .................................... 27
1.6 Wirtschaft der Kunststoffe ..................................................... 31
1.6.1 Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe ...................................... 31
Literatur zu Abschn. 1 ................................................................... 42
2 Synthese (Herstellung, Erzeugung) von (petrobasierten)
Kunststoffen ................................................................ 45
Peter Eyerer
2.1 Übersicht Polymerisation ...................................................... 47
2.2 Zuordnung von Kunststoffen zu Polymerisationsarten ......................... 47
2.3 Polymerisationen ............................................................. 47
2.3.1 Additionspolymerisation ....................................................... 47
2.4 Einflüsse der Polymerisation auf Werkstoffeigenschaften ...................... 64
2.5 Duroplaste (technische Harze) [4, 5, 8] ......................................... 66
2.6 Additionspolymerisate ........................................................ 71
2.6.1 Ungesättigter Polyester (UP, SMC, BMC) ......................................... 71
2.6.2 Epoxidharze (EP) ............................................................... 73
2.7 Abgewandelte Naturstoffe (Biopolymere auf Basis
nachwachsender Rohstoffe) ................................................... 76
2.7.1 Kunststoffe auf Cellulosebasis (siehe auch Abschn. 3.12 und 3.7.3) ................ 77
2.7.2 Kunststoffe auf Proteinbasis (siehe auch Abschn. 3.12) ........................... 78
2.7.3 Kunststoffe auf Ligninbasis (siehe auch Abschn. 3.12) ............................ 78
2.8 Kunststofferzeugung (verfahrenstechnische Prozesse) [1] ...................... 79
2.8.1 Allgemeines zur Erzeugung von Kunststoffen ................................... 79
2.8.2 Kunststofferzeugung: Beispiel Polystyrol – technischer Prozess [1] ................ 79
2.8.3 Erzeugung (Synthese) von Kunststoffen: Weiteres Beispiel
Polyethylenterephthalat – technischer Prozess [1] ............................... 84
Literatur zu Abschn. 2 .................................................................. 87
X Inhaltsverzeichnis
3 Eigenschaften von Kunststoffen in Bauteilen ............................ 89
Peter Eyerer
3.1 Aufbau der Kunststoffe ........................................................ 94
3.1.1 Chemische Ordnungszustände ................................................. 110
3.1.2 Physikalische Ordnungszustände ............................................... 146
3.2 Charakterisierung der Zustandsbereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.2.1 Energieelastischer Bereich ..................................................... 155
3.2.2 Nebenerweichungsbereich (Nebendispersion) .................................. 156
3.2.3 Haupterweichungsbereich (Hauptdispersion) [70] ............................... 156
3.2.4 Entropieelastischer Bereich ..................................................... 158
3.2.5 Fließbereich, Schmelzbereich, Rheologie ........................................ 162
3.3 Mechanische Eigenschaften ................................................... 165
3.3.1 Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften ...................... 165
3.3.2 Verformungsverhalten von Kunststoffen ........................................ 174
3.3.3 Verhalten bei Zugbelastung .................................................... 175
3.3.4 Mechanische Dämpfung ....................................................... 180
3.3.5 Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften .............................. 182
3.3.6 Wechselfestigkeit .............................................................. 191
3.3.7 Sicherheitsbeiwerte ............................................................ 195
3.4 Weitere physikalische Eigenschaften (elektrisch, optisch, thermisch) ........... 195
3.5 Chemische Eigenschaften ..................................................... 203
3.5.1 Beständigkeit gegen Chemikalien/Medien ...................................... 203
3.5.2 Alterungsvorgänge und Medienbeständigkeit von Kunststoffen
(zum Beispiel für Membranen) – Was passiert bei langer
Gebrauchsdauer mit Kunststoffen? ............................................. 214
3.5.3 Schutzmaßnahmen gegen Alterungsvorgänge .................................. 214
3.5.4 Photokatalyse und ihre Anwendungsmöglichkeiten ............................. 216
3.5.5 Beständigkeit von Elastomeren ................................................. 220
3.6 Kurzcharakterisierung von ausgewählten Kunststoffen
(teilweise nach Ehrenstein) [131] .............................................. 222
3.6.1 Amorphe Thermoplaste ........................................................ 224
3.6.2 Teilkristalline Thermoplaste .................................................... 237
3.6.3 Hochtemperaturfeste Thermoplaste ............................................ 250
3.6.4 Duroplaste .................................................................... 254
3.6.5 Polyimide [143] ................................................................ 256
3.6.6 Polyetherketone [143] ......................................................... 258
3.6.7 Polyurethane .................................................................. 260
3.6.8 Sonstige ...................................................................... 260
3.7 Zusatzstoffe für Kunststoffe ................................................... 260
3.7.1 Funktionszusatzstoffe (Additive) (Tab. 3.63 und 3.64) ............................ 265
3.7.2 Organische und anorganische Füllstoffe ........................................ 323
3.7.3 Verstärkungsstoffe ............................................................. 333
3.8 Verbundwerkstoffe ............................................................ 362
3.8.1 Schalungshaut als Kunststoffverbundkonstruktion .............................. 363
3.8.2 Faserverstärkte Kunststoffe (siehe vor allem auch Band 2 Abschn. 3.7.3) .......... 370
3.9 Thermoplastische Elastomere (TPE) – Eigenschaften,
Gegenüberstellung, Anwendungen ............................................ 372
3.9.1 Einleitung ..................................................................... 372
3.9.2 Theorie ........................................................................ 374
3.9.3 Charakterisierung der thermoplastischen Elastomere ............................ 376
3.9.4 Einsatzbeispiele für thermoplastische Elastomere ............................... 384
XI
Inhaltsverzeichnis
3.9.5 Vergleichende Betrachtung der thermoplastischen Elastomere ................... 385
3.9.6 Ausblick ....................................................................... 387
3.10 Elastomere – Eigenschaften, Anwendungen ................................... 387
3.10.1 Einleitung ..................................................................... 387
3.10.2 Der Elastomerbegriff ........................................................... 388
3.10.3 Zusammensetzung von Elastomerwerkstoffen .................................. 399
3.10.4 Kautschuke .................................................................... 400
3.10.5 Grundklassifizierung von Elastomeren und Ableitung weiterer
Merkmale aus dem chemischen Molekülaufbau ................................. 407
3.10.6 Weitere R-Kautschuke (Auswahl) ................................................ 411
3.10.7 Weitere M-Kautschuke (Auswahl) ............................................... 414
3.10.8 O-Kautschuk (Auswahl) ........................................................ 416
3.10.9 Q-Kautschuke ................................................................. 417
3.10.10 U-Kautschuke ................................................................. 418
3.10.11 Ölverstreckte Kautschuke ...................................................... 419
3.10.12 Vorvernetzte Kautschuke ....................................................... 420
3.10.13 Zusammenfassende Darstellung des Grundleistungsvermögens
von Elastomeren ............................................................... 420
3.10.14 Zusammenfassung der Prinzipeigenschaften von Elastomeren ................... 421
3.10.15 Verträglichkeit von Elastomeren in Kältemitteln ................................. 422
3.11 Polysiloxane (Silicone) – Eigenschaften und Anwendungen .................... 434
3.11.1 Einleitung ..................................................................... 434
3.11.2 Herstellung .................................................................... 434
3.11.3 Silikonöle ..................................................................... 436
3.11.4 Silikonharze ................................................................... 437
3.11.5 RTV-2 Silikonkautschuke ....................................................... 438
3.11.6 RTV-1 Silikonkautschuke ....................................................... 439
3.11.7 HTV-Silikonkautschuke ......................................................... 440
3.11.8 Zusammenfassung der Eigenschaften der Silicone ............................... 442
3.11.9 Markt und Anwendungen für Silicone ........................................... 443
3.11.10 Härtbare Silikonharzformmassen ............................................... 444
3.12 Polymere (Matrices) und Faserverbundwerkstoffe aus natürlichen
(biobasiert nachwachsenden) und synthetischen
(petrobasierten) Rohstoffen .................................................. 451
3.12.1 Rohstoffe ...................................................................... 453
3.12.2 Biopolymere ................................................................... 458
3.12.3 Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Wood Plastic
Composites (WPC) [300] ........................................................ 469
3.12.4 Verarbeitung von natürlichen (biobasierten) nachwachsenden und
synthetischen (petrobasierten) Polymeren ...................................... 484
3.13 Duroplaste .................................................................... 490
3.13.1 Ungesättigte Polyester (UP) (aus: [300]) ......................................... 494
3.13.2 Epoxidharze (EP) (aus: [330]) .................................................... 494
3.14 Schlussbemerkung zu Polymer Engineering Band 1 ............................ 502
Literatur ............................................................................... 502
Serviceteil
Schlussbemerkung zu Polymer Engineering Band 1 ................................ 522
Gliederung zu den Bänden 2 und 3 ............................................... 523
Stichwortverzeichnis ............................................................. 525