Loesungen - Vogel Kunststofftechnik

Teil I Teil II Teil III

Teil I

Aufgaben zur Kunststoffkunde

1 1.1 1.2

Grundlagen der Kunststoffchemie Aufbau, Struktur und Zustandsbereiche Zusatz- und Hilfsstoffe

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

Aufbau und Eigenschaften der Thermoplaste Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polybutylen (PB) / Polyisobutylen (PIB) Polyvinylchlorid (PVC) Polystyrole (PS, SB, SAN, ABS, ASA) Polymethylmethacrylat (PMMA) Polyacetal / Polyoxymethylen (POM) Fluorpolymere Polyamid (PA) Polycarbonat (PC) Lineare Polyester: Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) Weitere Thermoplaste

3 3.1

Aufbau und Eigenschaften der Duroplaste Polykondensationsharze: Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, Melamin-Phenol-FormaldehydHarze (PF-/UF-/MF-/MP-Harze) Polymerisationsharze: ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) Polyadditionsharze (EP-Harze) Vernetzte Polyurethane (PUR)

3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 4.3

Aufbau und Eigenschaften der Elastomere Naturkautschuk (NR) Synthetische Kautschuke: Isopren- (IR), Styrol-Butadien- (SBR), Butadien- (BR), Butyl- (IIR), Chloropren- (CR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR). Spezialkautschuke: Polyurethan-Elastomer (PUR), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM, EPDM), Epichlorhydrinkautschuk (CO, ECO, ETER), Fluorkautschuk (FKM), Silikonkautschuk (Q)

5 5.1

Identifizieren von Kunststoffen Allgemeines

6 6.1 6.2 6.3

Grundlagen der Kunststoffprüfung Eingangskontrollen Mechanische Prüfungen Sonstige Prüfungen

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

1

1

Grundlagen der Kunststoffchemie

1.1

Aufbau, Struktur und Zustandsbereiche

1.1.1

Elemente sind Grundstoffe, die die chemischen Verbindungen aufbauen.

1.1.2

Z.B. Kohlenstoffatom, Band Kunststoffkunde, Seite 13, Vogel Buchverlag.

1.1.3

Edelgaskonfiguration ist das Bestreben der Atome die äußere Schale mit Elektronen so zu besetzen, dass sie dem eines Edelgases entspricht (Bestreben der Elemente chemische Verbindungen aufzubauen).

1.1.4

a)

1.1.5

Sauerstoff (O) = 8 Elektronen, Wertigkeit = 2; Silizium (Si) = 14 Elektronen, Wertigkeit = 4.

1.1.6

Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Chlor (Cl), Fluor (F).

1.1.7

Gesättigte Kohlenwasserstoffe haben zwischen den Kohlenstoffatomen eine Einfachbindung, ungesättigte dagegen eine Zweifach- (Doppel-) oder Dreifachbindung.

1.1.8

Siehe Band Kunststoffkunde, Wasser: Abschnitt 1.2.2, Ethan, Ethen (Ethylen), Butylen, Isobutan, Benzol: Abschnitt 1.2.3, Vogel Buchverlag.

1.1.9

Reaktionsfähige Atomgruppen sind Atomgruppen, die für sich allein nicht existenzfähig sind, aber gebunden an Kohlenwasserstoffen untereinander chemische Reaktionen eingehen können.

1.1.10

Ausgangsbasis für Kunststoffe ist in der Regel Erdöl, kann aber auch Erdgas oder Kohle sein.

1.1.11

Das Verfahren «fraktionierte Destillation» dient der Zerlegung von Rohöl (Erdöl) über die Verdampfung und Kondensation der Öldämpfe in einzelne Fraktionen getrennt nach Siedebereichen.

1.1.12

Naphtha ist Schwerbenzin und eine Fraktion aus der Rohöldestillation.

1.1.13

Cracken von Naphtha heißt Aufspalten von relativ langen Kohlenwasserstoff-Molekülen in kleinere ungesättigte Kohlenwasserstoff-Moleküle. Voraussetzung dazu sind hohe Temperaturen und die Anwesenheit eines Katalysators.

1.1.14

Ein Merkmal von Monomeren ist das Vorhandensein von Doppelbindungen im Molekül.

1.1.15

Viele kleine Ethylen-Moleküle werden durch Wärme und Katalysatoren dazu gebracht ihre Doppelbindung aufzuspalten, so dass jedes Molekül über freie Bindearme verfügt. Diese vielen Moleküle hängen sich aneinander bis ein langer Kettenverband (Makromolekül) entstanden ist.

1.1.16

Siehe Band Kunststoffkunde, Ethylen/Polyethylen: Abschnitt 1.2.7; Propylen/Polypropylen: Abschnitt 2.2; Vinylchlorid/Polyvinylchlorid, Styrol/Polystyrol: Abschnitt 1.2.7, Vogel Buchverlag.

Moleküle sind die kleinsten Einheiten der chemischen Verbindungen und aus mindestens 2 oder mehreren Atomen aufgebaut. b) Der Zusammenhalt eines Moleküls erfolgt durch Bindungskräfte über Valenzen (Elektronenpaare).

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

2

1.1.17

Viele kleine Molekülbausteine mit Doppelbindungen oder mindestens 2 reaktionsfähigen Atomgruppen im Molekül werden über Polyreaktionen (Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition) zu Makromolekülen zusammengebaut.

1.1.18

Bei thermoplastischen Polykondensaten haben die Ausgangsstoffe je 2 reaktionsfähige Atomgruppen, um ein kettenförmiges Makromolekül aufzubauen. Bei duroplastischen Polykondensaten muss ein Reaktionspartner mehr als 2 reaktionsfähige Atomgruppen besitzen, damit sich ein netzartig verknüpftes Makromolekül bilden kann.

1.1.19

Bei der Polykondensation wird für das Zustandekommen der Reaktion immer ein Spaltprodukt (meist Wasser) abgeschieden. Bei der Polyaddition werden die reaktionsfähigen Atomgruppen umgebaut, sodass die Reaktion ohne Abspaltung eines Nebenproduktes abläuft.

1.1.20

a)

1.1.21

Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere Merkmale der Thermoplaste: kettenförmig 1-dimensional aufgebaute Makromoleküle. Merkmale der Duroplaste: engmaschig vernetzte 3-dimensional aufgebaute Makromoleküle. Merkmale der Elastomere: weitmaschig vernetzte 3-dimensionale Makromoleküle.

1.1.22

Der Molekülverband von amorphen Thermoplasten ist in idealer Unordnung, vergleichbar mit einem wirr verknäulten Wattebausch. Der Molekülverband eines teilkristallinen Thermoplasten ist teilweise durch Kristallitbildung geordnet, d.h., es bilden sich Parallelbündelungen oder Faltungen von Molekülketten, der Rest ist amorph. Hierbei können einzelne Kettenmoleküle sowohl dem kristallinen als auch dem amorphen Bereich angehören.

1.1.23

Nebenvalenzkräfte wirken zwischen den Molekülketten und bestimmen die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften. Polyethylen niedriger Dichte hat einen überwiegend verzweigten Makromolekülaufbau, somit sind die Nebenvalenzkräfte nicht so stark ausgeprägt wie bei Polyethylen hoher Dichte. Daher resultieren die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Polyethylentypen.

1.1.24

Eigenschaftsverändernde Faktoren sind: stereospezifischer Makromolekülaufbau mittels bestimmter Katalysatoren, Zusatz von Füll- oder Verstärkungsstoffen, Copolymerisation mit anderen Monomeren, Polymermischungen (Polyblends), Polymere mit unterschiedlich großen Polymerisationsgraden sowie breiter oder enger Verteilung der Polymerketten um den Mittelwert des Polymerisationsgrades.

1.1.25

Bei den Copolymeren werden 2 oder 3 unterschiedliche Monomerarten in eine Makromolekülkette hineinpolymerisiert. Polyblends sind Mischungen von fertigen Polymeren.

1.1.26

Für Kunststoffe, die in Längsrichtung eine starke Beanspruchung erfahren, wie z.B. Polyethylenbändchen zur Herstellung von Sackware oder alle Arten von Fadengebinden (Angelschnüre, Seile usw.) ist eine starke Molekülorientierung erwünscht.

1.1.27

Je nach der Verarbeitungsart (z.B. Extrudieren oder Spritzgießen) müssen die Polymerschmelzen unterschiedliche Schmelzviskositäten aufweisen. Diese stehen im unmittelbaren Zusammenhang mit den Kettenlängen der Polymeren. Je länger die Ketten, umso zäher die Schmelze.

Ungesättigte Polyesterharze werden durch Polykondensation hergestellt und in einem reaktionsfähigen Lösungsmittel, z.B. Styrol aufgelöst. b) Durch Copolymerisation zwischen dem ungesättigten Harz und Styrol wird das Harz ausgehärtet.

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3

1.1.28

Mikro-Brown'sche Bewegung: Teilstücke der Molekülkette werden durch Wärmeeinwirkung in Schwingung gebracht, so dass der Kunststoff erweicht, aber noch nicht fließt, weil Verschlaufungen der Ketten noch einen gewissen Zusammenhalt des Gefüges bewirken. Makro-Brown'sche Bewegung: Die Bewegung der Ketten sind jetzt dermaßen groß, dass der Kunststoff seine Gestalt verliert, er zerfließt.

1.1.29

Thermoelastischer Zustand: Die Mikro-Brown'sche Bewegung ist wirksam, wobei der thermoplastische Kunststoff nun einen Zustand annimmt, der etwa mit dem eines weichen Gummis zu vergleichen ist. Thermoplastischer Zustand: Die Makro-Brown'sche Bewegung ist wirksam, womit der thermoplastische Kunststoff im Schmelzezustand vorliegt.

1.1.30

Die Verarbeitung von PMMA-Tafelmaterial zu Badewannen erfolgt im thermoelastischen Bereich, weil die Tafel trotz einer Temperatur von ca. 150 °C noch nicht zerfließen darf, sondern sie muss ihre Form in etwa behalten, bis der Umformvorgang einsetzt.

1.1.31

Bei teilkristallinen Thermoplasten ist für den amorphen Anteil bei Raumtemperatur (23 °C) schon der thermoelastische Zustand vorhanden, d.h., nur die Kristallite halten den Kunststoff in Form. Dadurch liegt ein mehr oder weniger hart-zäher Zustand bis kurz vor den Kristallitschmelz-Temperaturbereich vor. Hart-spröde wird der teilkristalline Thermoplast erst, wenn die amorphen Anteile nicht mehr der Mikro-Brown'schen Bewegung unterliegen, d.h., auch dieser Anteil ist dann «eingefroren». Die meisten teilkristallinen Thermoplasten sind bei Minustemperaturen im hart-spröden Zustand.

1.1.32

Duroplaste bestehen aus engmaschig vernetzten Makromolekülen. Ihr Netzwerk kann durch Temperatureinwirkung nicht mehr «aufgeknüpft» werden. Bei zu hoher Temperatur wird allerdings das Netzwerk zerstört, d.h., der Duroplast zersetzt sich.

1.2

Zusatz- und Hilfsstoffe

1.2.1

Durch Zumischung von Verarbeitungshilfen und eigenschaftsverbessernde Zusätze werden die Kunststoffe zum einen besser verarbeitbar und zum anderen für den jeweiligen Anwendungsfall den Anforderungen angepasst.

1.2.2

Die Zusatz- und Hilfsstoffe werden in die Gruppen Verarbeitungshilfsstoffe und eigenschaftsändernde Zusatzstoffe eingeteilt.

1.2.3

Zusatz- und Hilfsstoffe sollen folgende Eigenschaften aufweisen: hohe Thermostabilität, Farbneutralität, Verträglichkeit mit anderen Zusätzen, geringe Flüchtigkeit, Migrationsbeständigkeit, keine negative Eigenschaftsveränderung hervorrufen, gute Lichtstabilität, Geruchs- und Geschmacksneutralität, physiologische Unbedenklichkeit.

1.2.4

a) Weichmachen lassen sich Thermoplaste, die einen ausgeprägten Dipolcharakter besitzen. b) Die Weichmachermoleküle besitzen ebenso einen Dipol und setzen sich durch die Nebenvalenzkräfte zwischen die Polymerketten und lockern damit das starre Gefüge auf. Monomerweichmacher bilden kurze Brückenglieder, Polymerweichmacher längere Übergangsglieder zwischen den Polymerketten, so dass die Beweglichkeit des Molekülgefüges sich unterschiedlich verhält. Polymerweichmacher haben daher eine weniger gute weichmachende Wirkung.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

1.2.5

Monomerweichmacher können unter Umständen aus dem PVC-weich an die Oberfläche migrieren (wandern) und somit in Lebensmittel bzw. in den Kindermund gelangen. Sie sind zwar nicht giftig, man weiß aber zu wenig über die Langzeitwirkung hinsichtlich einer eventuellen Krebserkrankung.

1.2.6

Impactmodifier sind Schlagzähmacher und wirken bei Stoßbelastung, insbesondere in der Kälte, als innere Dämpfung, so dass kein Sprödbruch mehr auftreten kann.

1.2.7

Bei den relativ hohen Verarbeitungstemperaturen sollen die Wärmestabilisatoren die HClAbspaltung verhindern bzw. eventuell gebildetes HCl binden.

1.2.8

a)

1.2.9

Innere Gleitmittel sind in der Regel polare Verbindungen. Sie sind gut verträglich (z.B. mit dem PVC) und lassen die Kettenmoleküle in der Schmelze besser aneinander vorbei gleiten. Äußere Gleitmittel haben keine gute Verträglichkeit mit der Kunststoffschmelze, schwitzen somit aus und bilden einen Schmierfilm zwischen Schmelze und Maschinenwand.

1.2.10

Lösliche Farbmittel färben die Kunststoffe derart, dass die Kunststoffe transparent bleiben. Sie werden als Farbstoffe bezeichnet. Unlösliche Farbmittel sind Pigmente, die aufgrund ihrer Teilchengröße den Kunststoffen eine gewisse Deckkraft verleihen.

1.2.11

Füllstoffe werden zur gezielten Eigenschaftsverbesserung von Kunststoffen eingesetzt. Verstärkungsstoffe verbessern die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. Festigkeit und Steifigkeit. Auch die Temperaturbeständigkeit und das Schwindungsverhalten wird meist verbessert.

1.2.12

a)

1.2.13

Die Wirkungsweise von Flammschutzmittel beruht auf: Abschirmung des Sauerstoffs vom Brandherd, Beeinflussung der Zersetzung des Kunststoffs, Beeinflussung des Verbrennungsmechanismus.

1.2.14

Peroxide sollen z.B. im Fall von UP-Harzen lineare Kettenmoleküle mit Styrol vernetzen. Beschleuniger dienen dazu, die Vernetzung der UP-Harze schneller ablaufen zu lassen. Inhibitoren verzögern bzw. verhindern eine solche Vernetzungsreaktion.

1.2.15

Die meisten thermoplastischen Formmassen kommen als Granulat in den Handel. Granulate enthalten in der Regel alle notwendigen Zusatzstoffe und sind für die Verarbeitung gut rieselfähig.

1.2.16

Mastiziermittel dienen dazu thermisch-mechanisch abgebaute Naturkautschukmoleküle mit Sauerstoff abzusättigen, damit die verkürzten Kettenmoleküle besser verarbeitbar werden.

1.2.17

a) Vernetzungsmittel für ungesättigte Kautschuke ist Schwefel. b) Die eingesetzte Menge für Weichgummi beträgt bis zu 3 %.

4

Schutz vor energiereicher Strahlung bieten UV-Absorber, die energiereiche Strahlung in unschädliche Wärme umwandeln. b) Einen einsetzenden Kettenabbau lässt sich an der Verfärbung des PVC von Gelb über Braun bis Schwarz erkennen. c) Barium-, Cadmium- und Bleiverbindungen sind Schwermetallsalze, die giftig sind.

Die Verhinderung von elektrostatischer Aufladung wird durch die Erniedrigung des Oberflächenwiderstands des Kunststoffs erreicht. b) Die Wirkungsweise von Antistatika ist das Ausschwitzen aus dem Kunststoff an die Oberfläche und die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde 1.2.18

Neben den Vernetzungsmitteln werden auch Vulkanisationsbeschleuniger und -verzögerer eingesetzt. Wie die Namen schon aussagen, sollen die Beschleuniger den Vulkanisationsprozess beschleunigen, die Verzögerer den Prozess verzögern. Dadurch werden Eigenschaften und Verarbeitung positiv beeinflusst.

1.2.19

Aktive Füllstoffe verbessern bestimmte Eigenschaften des Gummis, wie z.B. Festigkeit, Abrieb und Weiterreißwiderstand.

1.2.20

Weichmacher haben im Kautschuk bzw. im Gummi die Aufgaben: Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften, Streckung der Kautschukmasse, Verbesserung der Fließeigenschaften Erleichterung der Einarbeitung von Füllstoffen.

1.2.21

Faktise sind feste Weichmacher und verbessern die Verarbeitbarkeit und einige Eigenschaften, wie z.B. Dimensionsstabilität, Standfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, Schleifbarkeit u.a.

1.2.22

Alterungsschutzmittel sind unerlässlich, um den Makromolekülabbau zu verhindern bzw. zu verzögern.

1.2.23

Zusatzstoffe für Latex sollen in Emulsions-, Suspensionsform oder wenn sie wasserlöslich sind, in wässriger Lösung zugesetzt werden.

1.2.25

Siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 1.5.1, Vogel Buchverlag.

1.2.26

Kautschuke kommen in Form von Blöcken, Fellen oder Schnitzel in den Handel.

5

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

6

2

Aufbau und Eigenschaften der Thermoplaste

2.1

Polyethylen (PE)

2.1.1

Aus Ethylenmolekülen wird über die Polymerisation Polyethylen hergestellt.

2.1.2

Das «n» an der eckigen Klammer des Molekülausschnitts von Polyethylen bedeutet, dass sich n Monomere in die Polyethylenkette eingebaut haben. Es ist der sog. Polymerisationsgrad.

2.1.3

a) PE lässt sich nach der Hochdruck- und nach der Niederdruckpolymerisation herstellen. b) PE, das nach dem Hochdruckverfahren hergestellt wurde, hat einen verzweigten Makromolekülaufbau. PE, das nach dem Niederdruckverfahren hergestellt wurde, besitzt eine lineare Molekülstruktur.

2.1.4 Eigenschaftsmerkmale

PE-LD

PE-HD

a)

40…50

60…80

0,915…0,94

0,94…0,965

8,0…10,0

20,0…30,0

b)

Kristallinität (%) 3

Dichte (g/cm ) 2

c)

Festigkeit (N/mm )

d)

Gebrauchstemperatur (°C) 80…90

90…105

Durch die unterschiedlichen Abstände der Polymerketten der verzweigten bzw. linearen Molekülstrukturen ergeben sich unterschiedliche Nebenvalenzkräfte, wodurch sich die voneinander abweichenden Eigenschaften erklären lassen. 2.1.5

PE-LD hat einen Kristallitschmelzbereich von 105…110 °C, PE-HD einen von 130…135 °C.

2.1.6

Durch die engere Molekülstruktur bei PE-HD dringen organische Kohlenwasserstoffe nicht in das Material ein, Aufquellen des Kunststoffs wird so verhindert. PE-LD quillt dagegen auf.

2.1.7

Das Kleben von PE miteinander ist sehr schlecht möglich, weil dieser Werkstoff unpolar ist. Dadurch ist eine Haftung der Klebmasse nicht gegeben. Bei Oberflächenvorbehandlung (z.B. durch Abflammen) ist eine eingeschränkte Haftung erreichbar, die aber keiner Beanspruchung durch Zug oder Scherung standhält.

2.1.8

Durch Beimengen von 2…2,5 % Ruß zu PE kann die schnelle Versprödung durch Sonnenlicht verhindert werden.

2.1.9

PE ist nicht transparent, weil die Kristallite das Licht brechen. PE besitzt deshalb eine milchig-weiße Eigenfarbe.

2.1.10

Für PE-HD muss eine höhere Verarbeitungstemperatur gewählt werden. Begründung siehe Lösung 2.1.4, CD-ROM.

2.1.11

Typische Anwendungen von PE-HD und PE-LD siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.1, Vogel Buchverlag.

2.1.12

Sondertypen von PE sind: ultrahochmolekulares PE, vernetztes PE (PE-V), chloriertes PE (PE-C), lineares PE mit niedriger Dichte (PE-LLD).

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

7

2.1.13

Die Polymerketten sind bei ultrahochmolekularem PE dermaßen groß, dass ein Aufschmelzen des Kunststoffs nicht mehr möglich ist.

2.1.14

Durch Vernetzen von PE werden diverse Eigenschaften wesentlich verbessert. PE verliert seinen thermoplastischen Charakter.

2.1.15

Chloriertes PE wird als Mischungskomponente für PVC verwendet, da es elastifizierende Eigenschaften besitzt und dem PVC bessere Schlagzähigkeit – besonders in der Kälte – verleiht.

2.1.16

PE-LLD hat bei niedriger Dichte eine hervorragende Reiß- und Weiterreißfestigkeit und wird deshalb gern für Verpackungsfolien verwendet.

2.2

Polypropylen (PP)

2.2.1

Olefine sind Kohlenwasserstoffe, die eine Doppelbindung im Molekül aufweisen. Das trifft für PP aber nicht zu, denn im Polymer ist die Doppelbindung nicht mehr vorhanden. Da aber der Ausgangsstoff Propylen die Doppelbindung im Molekül hatte, wird das Polymer als Polyolefin bezeichnet.

2.2.2

Die Ordnungsstruktur der Makromoleküle von PP ist teilkristallin.

2.2.3

Die gravierenden Unterschiede von PE und PP sind die Kugeldruckhärte und die VicatErweichungstemperatur. Den Härteunterschied kann man sehr einfach durch die Fingernagelprobe herausfinden. PE hinterlässt Ritzspuren, PP dagegen nicht. Natürlich gibt es bei den physikalischen Eigenschaften noch weitere Unterschiede, dazu sind aber genauere Untersuchungen notwendig.

2.2.4

PP-Homopolymerisat Block-Copolymerisat

2.2.5

Die räumliche Ausrichtung der CH3-Gruppen ist bei den verschiedenen PP-Typen unterschiedlich. Isotaktisches PP = CH3-Gruppen befinden sich alle in einer Richtung. Syndiotaktisches PP = CH3-Gruppen sind regelmäßig in gegenüberliegender Stellung angeordnet. Ataktisches PP = CH3-Gruppen sind regellos angeordnet.

2.2.6

Je höher der isotaktische Anteil im PP, desto besser sind die Eigenschaften Zugfestigkeit, Steifigkeit und Härte.

2.2.7

PP-H hat eine Versprödungstemperatur von 0 °C.

2.2.8

PP hat eine kurzzeitig höhere Gebrauchstemperatur von 35 °C und eine langzeitig höhere von 20 °C sowie eine um 25 °C höhere Erweichungstemperatur (PP-H) als PE-HD.

= reines Polypropylen. = Propylen mit mindestens 50 % Anteil und aliphatischen Olefinen (z.B. Ethylen) werden getrennt zu mittleren Blöcken vorpolymerisiert und dann zu einer Kette zusammenpolymerisiert. Random-Copolymerisat = statistisches Copolymerisat aus Propylen mit mindestens 50 % Anteil und aliphatischen Olefinen (z.B. Ethylen) in willkürlicher Verteilung der Monomere in der Kette. Siehe hierzu Band Kunststoffkunde, Abschnitt 1.2.7, Vogel Buchverlag.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

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2.2.9

Ja, die Massetemperatur muss bei der Umstellung von PE- auf PP-Verarbeitung mit dem Extruder erhöht werden, da die Erweichungstemperatur für PP um 25 °C höher liegt. Somit erhöhen sich alle Temperaturwerte am Extruder um mindestens diesen Betrag (nach Tabelle um ca. 35 °C).

2.2.10

Die Umformtemperaturen von PE liegen bei 120…160 °C, die von PP bei 160…200 °C.

2.2.11

Typische Anwendungen von PP siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.2, Vogel Buchverlag.

2.3

Polybutylen (PB) / Polyisobutylen (PIB)

2.3.1

Die Strukturformeln von PB und PIB (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.4, Vogel Buchverlag). Das Ausgangsprodukt für PB ist ein Normal-Butylen, d.h., das Molekül hat keine Seitengruppen an der Kette. Bei PIB ist das Ausgangsmolekül mit einer Seitengruppe (Methylgruppe) verzweigt. Diese Verbindung ist von der Zusammensetzung mit dem Normal-Butylen gleich, hat aber eine andere Struktur und wird daher mit dem Zusatz «iso-» versehen.

2.3.2

Das Molekülgewicht von PB ist bis zu 10 mal höher als das von PE-LD. Die Zeitstandsfestigkeit ist aufgrund des höheren Molekülgewichts auch höher als bei PE-LD.

2.3.3

Die Temperaturbeständigkeit von PB liegt bei 100 °C.

2.3.4

Im Innenausbau von Häusern wird PB häufig für Fußbodenheizungs- und Warmwasserrohre eingesetzt.

2.3.5

Unter Kriechen versteht man bei Kunststoffen eine Deformation schon bei kleinen Lastbereichen, d.h., es bleibt eine bleibende Verformung zurück. Abmildern lässt sich die Kriechneigung bei PIB durch Zumischen von Talkum, Ruß und PE-LD.

2.3.6

Folien aus PIB lassen sich durch Kalandrieren oder Extrudieren mit Breitschlitzdüsen herstellen.

2.3.7

Die Verarbeitung von PIB lässt sich durch Abmischen mit Polyolefinen verbessern.

2.4

Polyvinylchlorid (PVC)

2.4.1

Die Polymerisationsverfahren für die Herstellung von PVC heißen: Emulsions- (E), Suspensions- (S) und Massepolymerisationsverfahren (M). Die Reinheit ist bei PVC-E am schlechtesten (enthält Emulgator), PVC-S ist ziemlich rein (es sind nur geringe Anteile von Schutzkolloiden enthalten), PVC-M ist absolut rein.

2.4.2

Der Emulgator im PVC-E verleiht dem PVC für die Verarbeitung in der Schmelze eine gute innere Schmierung (inneres Gleitmittel).

2.4.3

Das PVC-E ist durch den enthaltenen Emulgator trüb, weshalb keine Transparenz erreicht werden kann.

2.4.4

Transparente Produkte macht man aus PVC-S, besser noch aus PVC-M.

2.4.5

Das Mischverfahren, um PVC mit Zusatz- und Hilfsstoffen zu versehen, nennt man Compoundierung.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

9

2.4.6

Bei PVC-U werden die Zusätze Wärmestabilisatoren, Gleitmittel, Füllstoffe, Pigmente und eventuell Schlagzähmacher (Impactmodifier) eingearbeitet, bei PVC-P ist der Schlagzähmacher nicht enthalten, dafür sind flüssige Weichmacher in größeren Anteilen (20…35 %) zugesetzt.

2.4.7

Dem PVC müssen Wärmestabilisatoren zugesetzt werden, weil beim Erreichen der Verarbeitungstemperatur schon die Zersetzung des PVC einsetzt.

2.4.8

Die Typenbezeichnungen am PVC sagen folgendes aus: PVC-U = PVC hart (unplasticized) PVC-P = PVC weich (plasticized) PVC-NI = PVC normal schlagzäh (normal impact) PVC-RI = PVC erhöht schlagzäh (raised impact) PVC-HI = PVC hoch schlagzäh (high impact).

2.4.9

PVC-P mit 40 % Weichmacher hat u.a. folgende Eigenschaften: Dichte (g/cm3) = 1,29 Festigkeit (N/mm2) = 20 Glasübergangstemperatur (°C) = –20.

2.4.10

Die Weichmacherart und der Weichmacheranteil haben bei PVC einen Einfluss auf die Brennbarkeit.

2.4.11

Anwendungen im Bauwesen von PVC (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.7, Vogel Buchverlag).

2.4.12

Unter PVC-Modifikationen versteht man Mischungen (Polyblends) von PVC mit Schlagzähmachern oder Copolymere aufgebaut aus Vinylchlorid mit anderen Monomeren.

2.4.13

Es werden bei PVC Eigenschaftsveränderungen erzielt: a) durch Beimischung von chloriertem PE = Verbesserung der Schlagzähigkeit in der Kälte, b) durch nachchlorieren von PVC = Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit und verbesserte Chemikalienbeständigkeit.

2.4.14

Beim Molekülaufbau von PVC ist 1 Chloratom an 1 Kohlenstoffatom eines Molekülabschnittes gebunden, dagegen sind am PVDC 2 Chloratome am Kohlenstoff eines Molekülabschnittes gebunden.

2.5

Polystyrole (PS, SB, SAN, ABS, ASA)

2.5.1

Strukturformel von PS (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.9, Vogel Buchverlag). Der sechseckige Ring mit dem Kreis in der PS-Formel ist die vereinfachte Form der Benzolformel. Die ausgeschriebene Formel für Benzol siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 1.2.3, Vogel Buchverlag.

2.5.2

a) Der Ordnungszustand der Makromoleküle von PS ist amorph. b) Das ist erkennbar an der Transparenz des ungefärbten PS.

2.5.3

PS hat u.a. folgende Eigenschaften: a) große Härte, b) relativ hohe Sprödigkeit, c) Wärmeformbeständigkeit etwa 80 °C, d) Chemikalienbeständigkeit ist gegenüber anorganischen Lösungsmitteln außer konzentrierter Schwefelsäure gut, gegen die meisten organischen Lösungsmittel ist PS nicht beständig.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde 2.5.4

10

Von PS sind nachfolgende Schaumprodukte auf dem Markt: Styropor (Partikelschaum), Styrofoam (Extrusionsschaum), Strukturschaum (Spritzgegossene Formteile). Bei der Herstellung von Styropor werden in der 1. Stufe aus kleinen Perlen durch Dampf erbsengroße Schaumkugeln hergestellt. Diese werden nach einer Zwischenlagerung wieder durch Dampf erhitzt und soweit gebläht, dass sie in einem geschlossenen Werkzeug miteinander verschweißen.

2.5.5

Formteile aus Strukturschaum haben gegenüber kompakten Teilen u.a. folgende Vorteile: Materialersparnis bei gleicher Wanddicke, höhere Steifigkeit bei gleichem Gewicht, keine Einfallstellen, keine Orientierungen und Spannungen.

2.5.6

a) PS wird mit Butadien, schlagzäh, ausgerüstet. b) Butadien wird entweder als Butadienkautschuk über eine rein physikalische Mischung in das PS eingebracht oder es wird als Co-Komponente in das Makromolekül mit einpolymerisiert.

2.5.7

Eigenschaftsvergleiche der Polystyrole: Sprödigkeit

Transparenz

Wasseraufnahme Spannungsrissbeständigkeit

PS

groß

glasklar

gering

gering

SB

gering

opak

gering

besser als PS

2.5.8

Im Bereich von Haushaltsartikeln wird SB für Kleiderbügel, Gehäuse für elektrische Geräte, Toilettenartikel, Kühlschrankinnenbehälter u.a.m. eingesetzt.

2.5.9

Eigenschaftsverbesserungen von SAN gegenüber von PS sind z.B.: höhere Steifigkeit, Zähigkeit, Kratzfestigkeit und Wärmeformbeständigkeit.

2.5.10

SAN wird wegen der besseren Eigenschaften gegenüber PS bevorzugt für technische Teile eingesetzt.

2.5.11

a) Unter einem Terpolymer versteht man eine «3-Stoff-Masse». b) Beispiele aus dem Polystyrolbereich sind: ABS = Acrylnitril/Butadien/Styrol – Terpolymer, ASA = Acrylnitril/Styrol/Acrylester – Terpolymer.

2.5.12

ABS-Blends sind Mischungen von ABS mit anderen Polymeren, wie z.B. ABS/PVC, ABS/PC oder ABS/PUR.

2.5.13

a) Die Metallschicht wird durch Galvanisieren aufgebracht. b) Die gute Haftung wird durch Herausbeizen der Elastomerkomponente aus der Oberfläche und die mechanische Verankerung der Metallschicht in den entstandenen Kavernen erreicht.

2.5.14

ABS-Anwendungen im Fahrzeugwesen (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.9.4, Vogel Buchverlag).

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

11

2.5.15

ASA hat durch den Austausch der Elastomerkomponente Butadien mit Acrylester den großen Vorteil, dass es neben der hohen Kälteschlagzähigkeit auch eine sehr gute Witterungsbeständigkeit besitzt.

2.5.16

ASA-Anwendungen im Außenbereich siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.9.5, Vogel Buchverlag.

2.6

Polymethylmethacrylat (PMMA)

2.6.1

Strukturformel von PMMA siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.10, Vogel Buchverlag. 5 × C = 5 × 12 = 60 8×H=8×1=8 2 × O = 2 × 16 = 32 Molekülmasse = 100 für das Monomer, 100 × 4800 = 480 000 = Molekülmasse für das Polymer.

2.6.2

Durch Zumischen von speziellen Polymeren mit elastischen Anteilen oder durch Copolymerisation mit Acrylnitril von mehr als 50 % oder Butadien/Styrol (MBS) lässt sich bei PMMA die Sprödigkeit sehr gut zurückdrängen.

2.6.3

Durch Copolymerisation mit Acrylnitril erhält man AMMA (Acrylnitril-Methylmethacrylat), das sich durch erhöhte Chemikalienbeständigkeit auszeichnet.

2.6.4

Die optischen Eigenschaften von PMMA sind glasklare Lichtdurchlässigkeit (92 %) bei hoher Brillanz.

2.6.5 Eigenschaftsvergleiche von

PMMA-Halbzeug

PMMA-Formmasse

MBS-Formmasse

12

11

60

Härte (N/mm )

200

180

105

Erweichungstemperatur (°C)

115

90

95

2

Schlagzähigkeit (kJ/m ) 2

2.6.6

a)

Hochmolekulares PMMA wird durch diskontinuierliche Kammerpolymerisation als Massepolymerisat hergestellt. Die Kammer besteht i.d.R. aus Spiegelglasscheiben. b) Das gegossene PMMA wird als Halbzeug in Form von Platten, Blöcke, Stäbe oder Rohre in den Handel gebracht.

2.6.7

Bei unsachgemäßer Lagerung können PMMA-Granulate Feuchtigkeit anziehen, die durch Vortrocknung entfernt werden muss.

2.6.8

a)

2.6.9

Anwendungen von PMMA aus den Bereichen Optik und Bauwesen siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.10, Vogel Buchverlag.

Beim Warmformen von PMMA-Tafeln zu Badewannen müssen die Tafeln auf Temperaturen von 150…180 °C erwärmt werden. b) Beim Warmformen wird das Material gereckt, wodurch eine biaxiale Molekülorientierung erzielt wird, die zu einer wesentlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

12

2.7

Polyacetal / Polyoxymethylen (POM)

2.7.1

POM wird als Homopolymer aus Formaldehyd oder als Copolymer aus Formaldehyd und einem Ringether hergestellt.

2.7.2

Der strukturelle Molekülaufbau ist teilkristallin.

2.7.3

a) Siehe Lösung 2.7.1, CD-ROM. b) Der Typ Homopolymer besitzt eine höhere Kristallinität gegenüber dem Copolymer, dafür ist der Kettenabbau in der Schmelze beim Copolymer, zurückzuführen auf den Ringether, nicht mehr so leicht möglich. Weitere Unterschiede siehe Band Kunststoffkunde, Tabelle 2.17, Vogel Buchverlag.

2.7.4

Das Gleitverhalten von POM kann durch Füllung mit Molybdändisulfid verbessert werden, wartungsfreies Gleiten erreicht man durch Zusatz von PTFE-Pulver.

2.7.5

Durch Einarbeiten von 20…30 % Glasfasern kann die Zugfestigkeit verdoppelt und die Steifigkeit (E-Modul) verdreifacht werden.

2.7.6

Durch Wärme nachbehandelte POM-Teile weisen eine höhere Kristallinität auf und erlangen dadurch bessere mechanische Eigenschaften.

2.7.7

Durch Zugabe von thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren (PUR) oder vernetzten Kautschuken lässt sich POM schlagfest ausrüsten.

2.7.8

Es kann bei der Verarbeitung von POM in der Schmelze bei zu hohen Temperaturen zur Zersetzung kommen. Dann entsteht Formaldehydgas, das das Material explosionsartig aus Düse und Trichter hinausschießen lässt. Es ist daher im Störfall eine Schutzbrille zu tragen und für eine gute Be- und Entlüftung zu sorgen. Außerdem sind an der Maschine die Verarbeitungstemperaturen sofort zu senken.

2.7.9

Bei der Verklebung von POM mit 2-Komponenten-Kleber ist eine Vorbehandlung mit Chromsäure erforderlich.

2.7.10

POM ist aufgrund seiner hohen Zähigkeit besonders für Schnapp- und Pressverbindungen im Maschinen- und Gerätebau geeignet.

2.7.11

POM-Anwendungen aus den Bereichen Elektrotechnik und Möbelbau siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.13, Vogel Buchverlag.

2.8

Fluorpolymere

2.8.1

Fluorpolymere haben u.a. folgende außergewöhnliche Eigenschaften: hervorragende Chemikalien- und Lösungsmittelbeständigkeit, einen weiten Temperatureinsatzbereich (–200 bis +300 °C), ausgezeichnete Gleit- und Reibeigenschaften.

2.8.2

a)

Strukturformel von Polytetrafluorethylen (PTFE) siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.14.1, Vogel Buchverlag. b) PTFE wird durch die E- und S-Polymerisation hergestellt. c) Die Kristallinität von PTFE beträgt 53…70 %.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

13

2.8.3

PTFE kann man durch Spritzgießen nicht verarbeiten, weil die Kristallite beim Schmelzen nicht «flüssig» werden. Das Material wird gelartig und transparent.

2.8.4

Halbzeuge aus PTFE werden durch Presssintern, Pulverextrusion (Ramextrusion) und Pastenextrusion hergestellt. Folien schält man von gesinterten bzw. ungesinterten Vollstäben.

2.8.5

Einsatzgebiete von PTFE in der chemischen Industrie siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.14.1, Vogel Buchverlag.

2.8.6

Für die Spritzgießverarbeitung kann das vollfluorierte PerfluorethylenpropylenCopolymerisat (FEP) eingesetzt werden.

2.8.7

Mit Glasfasern kann das fluorhaltige Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE) verstärkt werden.

2.8.8

Im Rohrleitungsbau ist das fluorhaltige Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufgrund seiner guten Schweiß- und Klebbarkeit sehr gut geeignet.

2.8.9 Eigenschaftsvergleich der Fluorpolymeren a) b)

Dichte (g/cm2) 2

Zugfestigkeit (N/mm ) 2

c)

Härte (N/mm )

d)

Einsatztemperaturbereich (°C)

PTFE

PFA/TFA

PVDF

2,15…2,20

2,13…2,17

1,78

20…40

20…30

50…60

27…32

30…40

70

–200/+300

–200/+260

–60/+150

2.9

Polyamid (PA)

2.9.1

PA werden i.d.R. durch Polykondensation hergestellt (Ausnahme PA 6, ausgehend von Caprolactam).

2.9.2

a)

2.9.3

a) Die Gruppe im Kettenverband der PA heißt Amid-Gruppe. b) An der Amidgruppe sind neben Kohlenstoff und Wasserstoff außerdem noch Stickstoff und Sauerstoff beteiligt.

2.9.4

a)

2.9.5

Durch die Wasseraufnahme bekommen PA ihren zähharten Charakter.

Die Zahlen hinter dem Kurzzeichen sagen aus, welche Reaktionspartner zum Aufbau der PA herangezogen wurden. Die Zahlen beziehen sich auf die Anzahl der Kohlenstoffe, die zwischen den Fremdatomen (Stickstoff) im Kettenverband stehen. PA 6: 6 Kohlenstoffatome im Ausgangsmolekül, PA 66: Je 6 Kohlenstoffatome in den beiden Ausgangsmolekülen, PA 610: Das eine Ausgangsmolekül besitzt 6, das andere 10 Kohlenstoffatome. b) Die Ausgangstoffe haben die Bezeichnungen für PA 6: Caprolactam, für PA 66: Hexamethylendiamin und Adipinsäure, für PA 610: Hexamethylendiamin und Sebacinsäure. Die Formeln dazu siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.15, Vogel Buchverlag.

Die Amidgruppe verstärkt aufgrund des Dipolcharakters die zwischenmolekularen Bindungskräfte. b) Je öfter im Kettenverband die Amidgruppe auftritt, desto mehr Wasser wird vom PA aufgenommen.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

14

2.9.6

Ein hoher Wassergehalt wirkt sich bei PA nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften und auf die Maßhaltigkeit aus.

2.9.7

Durch den Zusatz von 35 % Glasfasern verbessern sich gegenüber nicht verstärktem PA die Zugfestigkeit um mehr als das Doppelte, die Schlagzähigkeit vermindert sich, bleibt aber auf relativ hohem Niveau, die Gebrauchstemperaturbeständigkeit verbessert sich um ca. 30…40 °C.

2.9.8

Der E-Modul, ein Maß für die Steifigkeit, liegt bei den PA im Bereich der meisten zähharten Thermoplaste, allerdings steigt er bei den glasfasergefüllten PA-Typen enorm an und erreicht den 4- bis 5fachen Wert.

2.9.9

a) Einen hohen Kristallisationsgrad erreicht man durch langsames Abkühlen der Schmelze. b) Mit einem hohen Kristallisationsgrad nimmt die Wasseraufnahme ab, verbessert werden die Maßhaltigkeit, die Abriebfestigkeit sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften.

2.9.10

Man kann den PA-Typ PA 46 zu den hochtemperaturbeständigen Thermoplasten zählen.

2.9.11

Folgende Thermoplaste lassen sich mit PA blenden: PE, PET, POM und EP.

2.9.12

Durch Co-Kondensation mit verschiedenen Monomeren lassen sich PA herstellen, die als Lösung zur Verarbeitung gelangen, um daraus z.B. Folien herzustellen.

2.9.13

Bei dickwandigen Teilen kann man durch Tempern innere Spannungen abbauen und die Nachkristallisation erhöhen, wodurch die Eigenschaften verbessert werden.

2.9.14

a)

2.9.15

Vor der Verarbeitung von PA-Granulaten sollte immer eine Vortrocknung vorgenommen werden.

2.9.16

Dickwandige Halbzeuge lassen sich wirtschaftlich durch Gusspolyamid herstellen.

2.9.17

Grafithaltiges PA ist besonders gut geeignet für wartungsfreie Lager- und Gleitelemente.

2.9.18

Anwendungen von PA-Fäden siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.15 unter «Sonstiges», Vogel Buchverlag.

2.10

Polycarbonat (PC)

2.10.1

a) Beim PC ist der ringförmige Baustein Benzol im Kettenverband enthalten. b) Die Benzolringe behindern die Beweglichkeit des Makromoleküls, worauf die hohe Steifheit und die hohe Temperaturbeständigkeit zurückzuführen sind.

Unter Konditionieren versteht man die beschleunigte Wasseraufnahme bei PA, wie sie sonst über einen Zeitraum von ca. 3 Monaten unter normalen atmosphärischen Bedingungen erfolgen würde. b) Erreicht wird das durch Lagerung im warmen Wasser bis zum gewünschten Wert. c) Die Wasseraufnahme ist mit einer Volumenzunahme verbunden, somit können PA-Teile direkt nach der Wasseraufnahme einigermaßen passgenau in Maschinen und Geräte eingebaut werden.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

15

2.10.2 von

Eigenschaftswerte 2

Festigkeit (N/mm ) Dehnung (%) 2

Schlagzähigkeit (mJ/mm ) 2

Härte (N/mm ) Gebrauchstemperatur (°C)

PC

im Vergleich mit

SAN

ca. 60

70

ca. 80

3

o. Br.

20

95

ca. 160

–135…+135

90

Die Spannung (Festigkeit) von glasfasergefülltem PC gegenüber ungefülltem wird um 1/3 erhöht und die Dehnung von ca. 80 % auf 3,5 % reduziert. b) Es werden durch Glasfaserverstärkung von PC weiterhin folgende Eigenschaften verbessert: Steifigkeit, Druckfestigkeit, Maßhaltigkeit und Wärmeformbeständigkeit.

2.10.3

a)

2.10.4

a) Die maximale Lichtdurchlässigkeit für glasklares PC liegt zwischen 80…90 %. b) Der Vergilbung von PC kann man durch Zusatz von UV-Stabilisatoren entgegenwirken.

2.10.5

Durch Co-Kondensation mit anderen Molekülbausteinen kann man die Wärmeformbeständigkeit und die Kerbschlagzähigkeit bei PC verbessern.

2.10.6

a) Der maximale Feuchtigkeitsgehalt bei PC-Granulaten darf nicht höher als 0,02 % sein. b) Die Verarbeitungstemperaturen für PC werden beim Spritgießen auf ca. 270…310 °C eingestellt.

2.10.7

PC kann man am besten durch Heizelementschweißen miteinander verbinden.

2.10.8

Für das Warmformen von PC-Tafeln sollen folgende Bedingungen gewählt werden: a) Vorwärmtemperatur: 110 °C. b) Der Vorwärmvorgang soll mehrere Stunden dauern. c) Warmformtemperatur: 180…210 °C.

2.10.9

Anwendungen von PC aus dem Bereich optischer Speicher sind: Compact-Disc (CD), CDPermanentspeicherplatte, Bildspeicher-CD. Anwendungen aus der Lichttechnik sowie dem Bauwesen siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.16, Vogel Buchverlag.

2.11

Lineare Polyester: Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT)

2.11.1

Bei PET hat der Molekülbaustein am Terephthalat 2 Kohlenstoffatome, beim PBT 4.

2.11.2

Amorphe PET-Typen erhält man durch den Einbau geeigneter Comonomere, damit transparente Produkte entstehen können.

2.11.3

Der Eigenschaftsvergleich zwischen PET und PBT zeigt, dass das PBT in der Härte und bei der langzeitigen Gebrauchstemperatur etwas bessere Werte aufweist, dagegen ist die Kerbschlagzähigkeit etwas schlechter und die chemische Beständigkeit gegenüber aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen nicht gegeben.

2.11.4

Um eine verbesserte Verarbeitung zu erreichen wird PET mit PBT geblendet.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

16

2.11.5

Unter «bottle-grade»-Qualität versteht man spezielle PET-Typen mit reduzierter Kristallisationsgeschwindigkeit für besonders hochtransparente Getränkeflaschen und besonders niedrige Durchlässigkeit für O und CO2.

2.11.6

Vor der Verarbeitung von PET- oder PBT-Granulaten sollte eine intensive Vortrocknung erfolgen.

2.11.7

Unter dem 2-Stufen-Verfahren zur Herstellung von PET-Flaschen versteht man das Spritzgießen eines Vorformlings, der danach durch biaxiales Streckblasen zur Flasche geformt wird.

2.11.8

PBT kann man mit den thermoplastischen Kunststoffen PC, PA, PTFE, und TPE (thermoplastische Elastomere) auf Styrol-Dien-Basis «blenden».

2.11.9

Typische Anwendungen von PET und PBT aus dem Bereich technische Teile siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 2.17 und 2.18, Vogel Buchverlag.

2.12

Weitere Thermoplaste

2,12.1

a) 2 Standardkunststoffe sind u.a.: Polyethylen (PE), Polystyrol (PS). b) 2 technische Kunststoffe sind u.a.: Polyamid (PA), Polycarbonat (PC). c) 2 HT-Thermoplaste sind u.a.: Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS).

2.12.2

a)

2.12.3

Die Schwindungswerte von verstärkten HT-Thermoplasten bewegen sich in der Größenordnung von 0 bis maximal 1,1 %, im Schnitt liegen sie bei ca. 0,5 %.

2.12.4

HT-Thermoplaste werden hauptsächlich eingesetzt, um Werkstoffe wie Metall, Glas, Keramik, Duroplaste und andere Thermoplaste zu ersetzen, insbesondere dort, wo höhere Temperaturen herrschen und neue Sicherheitsanforderungen verlangt werden. Außerdem lassen sich mit diesen Werkstoffen neue Konstruktionsideen verwirklichen.

2.12.5

Die Makromoleküle der thermoplastischen Elastomere (TPE) sind im Gegensatz zu den klassischen Elastomeren nicht durch ein chemisches Netzwerk verknüpft, sondern besitzen in Teilbereichen physikalische Vernetzungspunkte in Form von starken Nebenvalenzkräften oder Kristalliten, die in der Wärme aufgehoben werden.

2.12.6

TPE werden in die Stoffklassen Blockcopolymere und Elastomerlegierungen (Polyblends) eingeteilt.

2.12.7

Bei Styrolblockcopolymeren ist die Hartkomponente das Styrolsegment, die Weichkomponente das Butadiensegment oder andere ähnliche Kautschuksegmente.

2.12.8

Bei der EPDM/PP-Legierung ist das EPDM-Terpolymer (Ethylen/Propylen/DienMischpolymerisat) die Weichkomponente und PP die Hartkomponente.

2.12.9

TPE können recycelt werden, weil ihre Vernetzung nur auf physikalischer Basis beruht, wodurch mittels Wärmeeinwirkung im Schmelzbereich die Vernetzung vollkommen aufgehoben ist. TPE verhalten sich jetzt wie Thermoplaste. Bei klassischen Elastomeren lässt sich das Netzwerk nicht mehr durch Wärmeeinwirkung aufknüpfen, es sei denn, durch Zerstörung des gesamten Raumnetzmoleküls.

Die Kettenbeweglichkeit der HT-Thermoplaste wird durch den Einbau von sperrigen und starren aromatischen und heterocyklischen Ringverbindungen gemindert. b) Darauf sind auch die hohe Temperaturbeständigkeit und das hohe Standvermögen zurückzuführen.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

17

2.12.10 TPE haben den Nachteil, dass sie keiner hohen Temperaturbelastung ausgesetzt werden können, da sie bei Erreichung des Erweichungspunktes ihre Gestalt für immer verlieren. Außerdem ist auch die Dauerwärmeformbeständigkeit vermindert, weil die TPE zum «Kriechen » neigen. Die chemische Beständigkeit ist im Vergleich zu den klassischen Elastomeren teilweise eingeschränkt. 2.12.11 Das Einsatzgebiet von TPE-S ist in den Bereichen für Schuhsohlen, Klebstoffe, Bitumenmodifizierungen und Kabelisolierungen zu finden. 2.12.12 Die englische Abkürzung LCP heißt auf Deutsch: flüssigkristalline Polymere. 2.12.13 Kristallite bei LCP sind stabförmige, steife Moleküle, die eine strenge parallele Ausrichtung aufweisen. 2.12.14 Man spricht bei LCP von Eigenverstärkung, weil in der Schmelze schon parallel angeordnete Stabmoleküle vorliegen, die bei der Verarbeitung erhalten bleiben und sich in Fließrichtung orientieren. Nach der Abkühlung ist diese Faserverstärkung aus der gleichen Substanz wirksam. 2.12.15 Blenden lassen sich LCP z.B. mit technischen Kunststoffen: PA, PBT, PET, PC und PES. 2.12.16 Einsatzgebiete von LCP liegen in der Elektrotechnik und Elektronik, in der Kommunikationstechnik, im Kraftfahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin- und Feinwerktechnik. 2.12.17 Biologisch abbaubare Kunststoffe werden im Körper zu unschädlicher Milchsäure abgebaut und mit der Zeit ausgeschieden. Darum setzt man sie für Implantate ein.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

18

3

Aufbau und Eigenschaften der Duroplaste

3.1

Polykondensationsharze: Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, MelaminPhenol-Formaldehyd-Harze (PF-/UF-/MF-/MP-Harze)

3.1.1

a)

3.1.2

Die Sprödigkeit der Polykondensationsharze kann man durch Zugabe geeigneter Füllstoffe herabsetzen.

3.1.3

a)

3.1.4

a) Resole sind niedermolekulare PF-Harze mit einem Überschuss an Formaldehyd. b) Resole werden durch eine alkalische Reaktionsführung gebildet. c) Die Resole sind nicht lagerfähig, sie sind eigenhärtend, d.h. sie härten bei Raumtemperatur langsam aus.

3.1.5

a) Der A-, B-, und C-Zustand bei den PF-Harzen ist ein Maß für den Kondensationsgrad. b) A-Zustand: PF-Harz ist in organischen Lösungsmitteln löslich und schmelzbar. B-Zustand: PF-Harz ist nicht mehr löslich, aber quellbar und noch schmelzbar. C-Zustand: PF-Harz ist nicht mehr quellbar und nicht mehr schmelzbar.

Funktionelle Endgruppen sind reaktionsfähige Atomgruppen, die untereinander reagieren können. b) Die Makromoleküle der Polykondensationsharze weisen engmaschig vernetzte Strukturen auf.

Novolake sind niedermolekulare PF-Harze, die aus etwa 12 durch CH2-Brücken verknüpfte Phenole entstanden sind. b) Novolake werden aus Phenol und Formaldehyd bei saurer Reaktionsführung hergestellt. c) Durch Zugabe von Hexamethylentetramin erhält man lagerstabile, schnellhärtende Pressmassen.

3.1.6 Eigenschaftsvergleich von 2

PF-Harzen

UF-Harzen und

MF-Harzen

a)

Festigkeit (N/mm )

25

30

30

b)

Gebrauchstemperatur (°C)

110

70

80

10

11

c)

Durchgangswiderstand (Ω cm)

10

10

1011

d)

Lichtechtheit

gering

hoch

hoch

e)

Zulässigkeit in Kontakt mit Lebensmitteln

unzulässig

unzulässig

zulässig

3.1.7

a)

Hauptsächliche Verarbeitungsverfahren für Polykondensationsharze zur Herstellung von Formteilen und Halbzeugen sind das Pressen, Spritzpressen sowie Spritzgießen. b) Weitere Verarbeitungsmöglichkeiten sind das Gießen zur Herstellung von Platten, Blöcken, Rohren und Profilen und das Schäumen zur Herstellung von diversen Schaumstoffprodukten.

3.1.8

Schichtpressstoffplatten werden aus PF-harzgetränkten Papier- oder Gewebebahnen im Pressverfahren hergestellt. Für dekorative Schichtpressstoffplatten ist die sichtbare Oberschicht aus MF-getränktem Papier aufgebaut.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

19

3.1.9

a) MP-Harze sind sogenannte Co-Kondensate, die aus PF und MF aufgebaut sind. b) MP-Formteile besitzen hinsichtlich der Eigenschaften gegenüber dem schlechteren Einzelpartner Vorteile und umgekehrt gegenüber dem besseren Einzelpartner Nachteile. Somit liegen die Eigenschaften zwischen denen der reinen PF- und MF-Harze. Nachteilig ist die Unzulässigkeit in Kontakt mit Lebensmitteln.

3.1.10

Formteile aus MF werden gegenüber denen aus UF bevorzugt eingesetzt, weil sie die bessere Kriechstromfestigkeit besitzen.

3.2

Polymerisationsharze: ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze)

3.2.1

a) UP-Harze werden durch Polykondensation hergestellt. b) Von den beiden Ausgangsstoffen hat die ungesättigte Dicarbonsäure den ungesättigten Charakter.

3.2.2

Beim Herstellen der ungesättigten Polyesterharze werden neben den Diolen nicht nur ungesättigte, sondern auch gesättigte Dicarbonsäuren in den Molekülverband eingebaut. a) Erhöht man den Anteil der ungesättigten Dicarbonsäuren gegenüber dem der gesättigten, dann ist die Reaktivität des Harzes höher. b) Ist der Anteil der ungesättigten Dicarbonsäure niedriger, dann ist die Reaktivität ebenfalls niedriger.

3.2.3

a) Lösungsmittel für Polyesterharze sind ungesättigte Monomere, wie z.B. Styrol. b) UP-Harz und Styrol können durch Wärme oder mittels Reaktionsmittel miteinander reagieren, so dass eine vollständige Vernetzung der Molekülstruktur erreicht wird und die Harze fest werden.

3.2.4

a) Unter Härtung versteht man bei den Reaktionsharzen die Vernetzung. b) Das Lösungsmittel (Styrol) wird als Reaktionspartner vollständig in das Makromolekül mit eingebaut. c) Das Makromolekül ist nach der Härtung räumlich vernetzt.

3.2.5

Bei der Härtung von UP-Harzen wird zwischen der Kalthärtung (UP-Harz + Härter + Beschleuniger) und der Warmhärtung (UP-Harz + Härter + Wärme) unterschieden.

3.2.6

Als Härter für UP-Harze werden Benzoylperoxid, Methylethylketonperoxid oder Cyclohexanonperoxid eingesetzt.

3.2.7

Als Beschleuniger werden bei der Kalthärtung Amin- oder Kobaltbeschleuniger eingesetzt.

3.2.8

Eine exotherme Vernetzungsreaktion ist mit Wärmeentwicklung verbunden.

3.2.9

Bei der Kalthärtung ist durch die exotherme Reaktion der Temperaturanstieg langsamer und erreicht das Maximum bei etwa 160 °C. Bei der Warmhärtung wird durch die zugeführte Wärme ein höheres Temperaturniveau von fast 200 °C in kürzerer Zeit erreicht.

3.2.10

Die hohe Volumenschwindung bei UP-Harzen kann man durch Zugabe von feinverteilten thermoplastischen Polymeren oder durch Verstärkungsfasern und Zuschlagsstoffe stark reduzieren.

3.2.11

Nach Abschluss der Kalthärtung soll eine Temperierung bei höheren Temperaturen über mehrere Stunden erfolgen.

3.2.12

Beim Umgang mit Härtern und Beschleunigern ist der Hautkontakt, insbesondere mit Schleimhäuten und Augen zu vermeiden, weil diese Stoffe ätzend wirken.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

20

3.2.13

Es sind seit einigen Jahren sog. lichthärtende Harze entwickelt worden, wobei das Licht den im Harz enthaltenen Härter zur Reaktion bringt.

3.2.14

UP-Harze kommen als flüssige Laminierharze, als feuchte Formmasse (flächenförmig oder nicht flächenförmig) oder trockene Formmasse (rieselfähig) in den Handel. Durch Zusatz von Paraffinen, Wachs o.Ä. kann man die starke Styrolverdunstung um mehr als 50 % herabsetzen.

3.2.15

3.2.16

Als Faserverstärkung für UP-Harze kommen infrage: Glasfaserstränge (Rovings), Glasfasermatten und Glasfasergewebe. Für höhere mechanische Beanspruchung werden auch Gebinde aus Aramid- oder Kohlenstofffasern eingesetzt.

3.2.17

Durch die Erhöhung des Glasgehaltes kann man bei UP-Harzen die Biegefestigkeit und das Langzeitverhalten wesentlich verbessern.

3.2.18

Die Verarbeitungsverfahren von UP-Harzen als Formmasse sind Pressen und Spritzgießen.

3.2.19

Bei der Härtung von UP-Harzen entsteht im Gegensatz zu anderen Polykondensationsharzen kein Nebenprodukt, weil die Härtungsreaktion eine Copolymerisation ist.

3.2.20

Anwendungsbeispiele aus dem Bauwesen von faserverstärkten UP-Harzen siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 3.5, Vogel Buchverlag.

3.2.21

Anwendungen von unverstärkten UP-Harzen siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 3.5, Vogel Buchverlag.

3.3

Polyadditionsharze (EP-Harze)

3.3.1

a)

3.3.2

Bei der Kalthärtung von EP-Harzen setzt man aliphatische und cycloaliphatische Amine, bei der Warmhärtung aromatische Amine und Säureanhydride ein.

3.3.3

Die warmgehärteten EP-Harze haben deutlich bessere Eigenschaften als die kaltgehärteten.

3.3.4

a)

3.3.5

Beim Umgang mit EP-Harzen und Reaktionsmitteln ist der Kontakt mit der Haut, insbesondere der mit den Schleimhäuten und Augen zu vermeiden.

3.3.6

EP-Harze kommen als flüssige Gieß- und Laminierharze sowie als feste Formmassen, als Granulat oder in Stäbchenform in den Handel.

Die Epoxidgruppe ist eine Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Konstellation (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 3.8, Vogel Buchverlag). b) Die reaktionsfreudigen Epoxidgruppen befinden sich immer am Ende des Epoxidharzmoleküls. c) Bei der Härtungsreaktion wird die Epoxidgruppe aufgespalten, so dass 1 Valenz zur Bindung mit dem Härter frei wird. An den Sauerstoff bindet sich der vom Härter abgespaltene Wasserstoff.

Das Mischungsverhältnis muss bei der EP-Härtung genau eingehalten werden, weil der Härter nicht als Katalysator wirkt, sondern sich aktiv an der Vernetzungsreaktion beteiligt. b) Somit wird der Härter bei der Härtungsreaktion in das vernetzte Makromolekül mit eingebunden.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

21

3.3.7

Als Faserverstärkung für EP-Harze kommen infrage: Glasfaserstränge (Rovings), Glasfasermatten und Glasfasergewebe. Für höhere mechanische Beanspruchung werden auch Gebinde aus Aramid- oder Kohlenstofffasern eingesetzt.

3.3.8

Vergleiche der nachfolgenden Eigenschaften sind an unverstärkten Harzen vorgenommen worden. Eigenschaften

UP-Harz (GF 55 %)

EP-Harz (GF 60 %)

a)

Schwindung

hoch (bis 9 %)

sehr gering

b)

Gebrauchstemperatur

50…90

80…110

c)

Haftungsvermögen

gut

Durchgangswiderstand (Ω cm)

10 …10

d)

14

sehr gut 15

1017

3.3.9

Gebräuchliche Verarbeitungsverfahren für EP-Harze sind: Press-, Spritzpress- und Spritzgießverfahren für feste Formmassen. Für flüssige Harze werden die gleichen Verfahren wie bei den UP-Harzen angewandt, so z.B. Handlaminieren, Schleudern, Profilziehen und Wickeln.

3.3.10

Anwendungsbeispiele von EP-Harzen aus den Bereichen Elektrotechnik/Elektronik und Flugzeugbau (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 3.8, Vogel Buchverlag.

3.4

Vernetzte Polyurethane (PUR)

3.4.1

a) Vernetzte PUR werden aus Isocyanaten und Polyolen aufgebaut. b) Die Vernetzung erzielt man durch den Einsatz von Polyolen, die eine größere Anzahl von OH-Gruppen im Molekül besitzen, damit genügend Querverbindungen für das 3dimensionale Netzwerk aufgebaut werden können.

3.4.2

Die Polyole sind entweder auf der Basis Polyester oder Polyether aufgebaut. Je nach Verwendungszweck werden sie unterschiedlich für die PUR-Herstellung eingesetzt.

3.4.3

a)

3.4.4

Die Porenstruktur bei PUR-Schaumstoffen erhält man durch chemische oder physikalische Treibmittel.

3.4.5

PUR-Integralschaum wird durch das Aufschäumen im geschlossenen Werkzeug gebildet. Hier drückt das Treibmittel den sich bildenden Schaum gegen die Werkzeugwand, so dass eine kompakte Randschicht entsteht, im Inneren aber die Schaumstruktur erhalten bleibt.

3.4.6

PUR-Anwendungen sind sehr umfangreich, so dass hier nicht alle Anwendungen aufgezählt werden können. Sie sind nachzulesen (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 3.9, 3.9.1 und 4.7, Vogel Buchverlag).

Duroplastische PUR sind sehr engmaschig vernetzt, PUR als Elastomere haben dagegen eine weitmaschige Vernetzung. b) Der Vernetzungsgrad wird durch Polyole erreicht. Die Vielfältigkeit des Aufbaus von Polyolen lässt Moleküle unterschiedlicher Größe, insbesondere aber Moleküle mit mehr oder weniger OH-Gruppen entstehen. Die Anzahl der OH-Gruppen in Verbindung mit der Moleküllänge des Polyols ist entscheidend für den Grad der Vernetzung.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

22

4

Aufbau und Eigenschaften der Elastomere

4.1

Naturkautschuk (NR)

4.1.1

Man versteht unter der Vulkanisation von Kautschuken die Vernetzungsreaktion der ungesättigten Kautschukmoleküle mit Schwefel.

4.1.2

Den Saft von kautschukhaltigen Pflanzen nennt man «Latex».

4.1.3

Es kommen von Naturkautschuk die beiden Fellarten «Smoked Sheets» und «Crepe» in den Handel. Felle der ersten Art sind dicker (3…4 mm) und werden zur besseren Haltbarkeit geräuchert. Crepe-Felle werden dünner gewalzt (1…2 mm), gründlich gewaschen und eventuell gebleicht.

4.1.4

Die Klassifizierung von NR-Typen erfolgt nach dem sog. SMR (Standard Malaysian Rubber). Als Qualitätsmerkmale werden herangezogen: der Schmutzgehalt, der Gehalt an flüchtigen Anteilen, sowie eine Vergleichszahl für das Rückstellvermögen und das Vulkanisationsverhalten.

4.1.5

a) Das Monomer Isopren besitzt 2 Doppelbindungen im Molekül. b) Die kleinste Moleküleinheit des NR-Makromoleküls besitzt dagegen nur 1 Doppelbindung.

4.1.6

Die Doppelbindungen im NR-Molekül haben den Vorteil, dass eine Vernetzung mit Schwefel möglich ist. Nachteilig ist, dass die Doppelbindungen auch Ozon und Sauerstoff anlagern, was zur frühzeitigen Alterung des NR führt.

4.1.7

NR zeichnet sich durch folgende mechanische Eigenschaften aus: sehr hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung, ausgezeichnete Weiterreißfestigkeit, sehr hohe Stoßelastizität.

4.1.8

NR muss wegen der mäßigen Alterungs- und Witterungsbeständigkeit stets mit Alterungsschutzmitteln vor vorzeitiger Ermüdung geschützt werden. Um die unbefriedigende UV- und Ozonbeständigkeit zu verbessern, setzt man Füllstoffe insbesondere Ruß ein.

4.1.9

NR muss vor der Verarbeitung mastiziert werden, damit man die Zusatz- und Füllstoffe in den Kautschuk homogen einarbeiten kann. Bei der Mastizierung werden durch mechanische Kräfte die langen Kettenmoleküle auseinandergerissen, so dass die Viskosität des Kautschuks niedriger wird.

4.1.10

Bevorzugtes Einsatzgebiet von NR sind die Reifen insbesondere die Lkw-Reifen. Dies geschieht aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften und des geringen Erwärmungsverhaltens bei dynamischer Belastung.

4.2

Synthetische Kautschuke: Isopren- (IR), Styrol-Butadien- (SBR), Butadien- (BR), Butyl- (IIR), Chloropren- (CR), AcrylnitrilButadien-Kautschuk (NBR)

4.2.1

IR und NR haben den gleichen Molekülaufbau, unterscheiden sich aber durch die sterische Einheitlichkeit des Isoprenmoleküls. Bei NR ist der Anteil an cis-1,4-Polyisopren mit 99,9 % am höchsten, dagegen hat IR nur einen Anteil von 98 %.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

23

4.2.2

a)

Die 2 Verfahren zur Herstellung von SBR sind zum einen die Emulsionspolymerisation bei gehobenen Temperaturen um 50 °C und zum anderen die Emulsionspolymerisation bei niedrigen Temperaturen bei ca. 5 °C. SBR wird daher unterschieden in «Hot Rubber» und «Cold Rubber». b) Der Cold Rubber wird bevorzugt eingesetzt, weil er aufgrund seines niedrigeren Molekülgewichts besser zu verarbeiten ist.

4.2.3

Die Zugfestigkeit von SBR kann durch Zugabe von hochaktiven Rußen dem Niveau von NR angepasst werden.

4.2.4

Bevorzugt wird SBR im Verschnitt mit BR in Reifen eingesetzt.

4.2.5

BR erhält erst durch Einarbeiten von hohen Füllstoff- und Weichmacheranteilen seine optimalen Eigenschaften.

4.2.6

BR wird fast ausschließlich im Verschnitt mit NR oder SBR verarbeitet.

4.2.7

Aufgrund der guten Eishaftung wird BR in der Lauffläche von Winterreifen eingesetzt.

4.2.8

Wegen der geringen Gasdurchlässigkeit wird IIR als Innenlage für schlauchlose Reifen verwendet.

4.2.9

CR-Typen mit starker Kristallisationsneigung werden für Klebstoffe verwendet.

4.2.10

Eigenschaften von CR, die gegenüber den reinen Kohlenwasserstoff-Kautschuken verbessert sind, sind u.a.: höhere Temperaturbeständigkeit, besseres Brandschutzverhalten und die sehr gute Wetter- und Ozonbeständigkeit, abgesehen von IIR.

4.2.11

Durch die Copolymerisation zwischen Butadien und Acrylnitril ist das Makromolekül unregelmäßig aufgebaut und kann deshalb keine Dehnungskristallisation zur Selbstverfestigung aufbauen.

4.2.12

Durch Erhöhung des Acrylnitrilanteils bei NBR wird die Glasübergangstemperatur angehoben, die Elastizität geht zurück.

4.2.13

Für spezielle Einsatzgebiete von NBR sind die Eigenschaften: hohe Kraftstoff-, Öl-, Alterungs-, Wärme- und Abriebbeständigkeit besonders ausgeprägt.

4.3

Spezialkautschuke: Polyurethan-Elastomer (PUR), EthylenPropylen-Kautschuk (EPM, EPDM), Epichlorhydrinkautschuk (CO, ECO, ETER), Fluorkautschuk (FKM), Silikonkautschuk (Q)

4.3.1

Unter den nachfolgenden Kurzzeichen TPU, AU und EU versteht man verschiedene Polyurethan-Elastomere. TPU ist ein thermoplastisches Elastomer, das im Gegensatz zu den klassischen Elastomeren immer wieder aufschmelzbar ist. AU ist ein vulkanisierbares Elastomer, aufgebaut auf PUR-Polyesterbasis. EU ist ebenso ein vulkanisierbares Elastomer, aufgebaut auf PUR-Polyetherbasis. Siehe hierzu auch Fragenband Teil Ι, Abschnitt 3.4 und Lösung 3.4, CD-ROM.

4.3.2

a)

Das EPM hat im Gegensatz zum EPDM keine Doppelbindungen im Molekül, so dass eine Schwefelvernetzung nicht möglich ist. b) Eine Vernetzung bei EPM wird dennoch durch den Einsatz von Peroxid ermöglicht. Hierbei werden Wasserstoffatome von den Kettenmolekülen abgespalten, so dass Querbindungen zu den benachbarten Ketten entstehen.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde 4.3.3

Für die Forderungen, die an eine Kabelisolierung in extremen Klimazonen gestellt werden, eignen sich am besten EPM/EPDM-Vulkanisate.

4.3.4

Epichlorhydrinkautschuke können für höchste Anforderungen im Kraftfahrzeugwesen den NBR aufgrund der besseren Eigenschaften ersetzen.

4.3.5

Zum Auskleiden von Behältern für chemische Syntheseanlagen eignet sich aufgrund der geforderten Eigenschaften am besten Fluorkautschuk.

4.3.6

Silikonkautschuke (Q) erhalten durch Zusatz von Füll- und Verstärkungsstoffen erst ihre ausreichenden mechanischen Eigenschaften.

4.3.7

Die Eigenschaften antiadhäsiv und hydrophob bei Q bedeuten nichthaftend und wasserabweisend, d.h., sie gelten als gute Trennmittel.

4.3.8

Flüssige Q-1-Komponenten-Masse vernetzen durch die Reaktion mit der Luftfeuchtigkeit aus.

4.3.9

Anwendungen von Q im Bauwesen sind Profile für Dehnungsfugen, Fenster- und Türprofildichtungen sowie Fugendichtungsmassen.

24

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

25

5

Identifizieren von Kunststoffen

5.1

Allgemeines

5.1.1

Eine wachsartige Oberfläche kann man bei den Kunststoffen PE, PP, POM und PTFE ertasten.

5.1.2

Nachfolgend einige Kunststoffe, die im ungefärbten Zustand transparent sind: PVC, PS, SAN, PMMA, PC, UP. Nachfolgend einige Kunststoffe, die im ungefärbten Zustand opak (milchigtrübe) sind: PE, PP, ABS, SB, PA, POM.

5.1.3

Kunststoffe, die sich mit dem Fingernagel ritzen lassen sind PE und PVC-weich.

5.1.4

Einen Weißbruch kann man bei den Kunststoffen PVC, SB, ABS, ASA und Polyblends auf der Basis PVC/chloriertes PE sowie ABS/PC erkennen.

5.1.5

Polystyrole haben beim Herunterfallen einen blechartigen Klang.

5.1.6

Kunststoffe, die auf der Wasseroberfläche schwimmen sind: PE, PP, PB und PIB.

5.1.7

In einem 100-ml-Messzylinder wird eine Lösung von 46,5 g Glycerin und 3,5 g (ml) destilliertes Wasser angesetzt. Die SAN-Probe schwimmt an der Oberfläche, während die PC-Probe in der Flüssigkeit schwebt. Durch Zugießen von wenig Glycerin wird die PC-Probe auch an die Oberfläche aufsteigen. In einem 2. Messzylinder wird dann eine Lösung mit 20 g Glycerin und 30 g (ml) Wasser angesetzt. Die SAN-Probe dürfte in dieser Lösung noch immer an der Oberfläche schwimmen. Durch vorsichtiges Zugießen von Wasser unter ständigem Umrühren, zur guten Durchmischung der beiden Flüssigkeiten, wird die Probe dann zu Boden sinken.

5.1.8

Zuordnung der Brand- und Geruchsmerkmale zu bestimmten Kunststoffen: a) Wachskerzengeruch: PE und PP, b) stark rußend und nach Leuchtgas riechend: PS, SB, SAN, ABS, c) fruchtig riechend, tropft ab: PMMA, d) schwer entflammbar, stechender Salzsäuregeruch: PVC.

5.1.9

Durch den Ameisensäuretest ist herauszufinden, welcher PA-Typ vorliegt. PA 6 löst sich in 70 %iger Ameisensäure, PA 66 löst sich in 80%iger Ameisensäure, PA 610 löst sich in 90%iger Ameisensäure, PA 11 wird von Ameisensäure nicht gelöst.

5.1.10

Die höchste Dichte haben die Fluorpolymeren, d.h. PTFE mit 2,15…2,20 g/cm3.

5.1.11

Die Elastomere CR und NBR kann man über die Beilsteinprobe voneinander unterscheiden. Ein ausgeglühter Kupferdraht wird mit einer geringen Probe in die kräftige Flamme eines Bunsenbrenners gehalten. Ist Chlor in der Probe, wie bei CR, wird eine intensive Grünfärbung der Flamme beobachtet.

5.1.12

Wenn ein Kunststoff in der Flamme nicht schmilzt und schwer entflammbar ist, dann handelt es sich um einen Duroplasten.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

26

6

Grundlagen der Kunststoffprüfung

6.1

Eingangskontrolle

6.1.1

Der Kunststoffverarbeiter möchte die Gewähr haben, möglichst immer die gleiche Qualität der gelieferten Kunststoffformmasse für die Verarbeitung einzusetzen.

6.1.2

Unter den englischen Abkürzungen MFR und MVR versteht man Messangaben von einer Schmelzfließprüfung. Wörtlich heißen dies Abkürzungen «melt flow rate» und «melt flow volume».

6.1.3

Die Einheit für den MFR-Wert ist Gramm pro 10 Minuten (g/10 min).

6.1.4

Die Prüfung für den MFR mit dem Code 6 (ISO 1133) oder F (DIN 53 735) muss bei einer Temperatur von 190 °C und einem Belastungsgewicht von 10 kg durchgeführt werden.

6.1.5

Das Fließverhalten von Thermoplastschmelzen bei hohen Schergeschwindigkeiten wird mit dem Kapillarrheometer gemessen.

6.1.6

Mit dem Spiraltest ermittelt man die Fließfähigkeit von Spritzgussformmassen. Dazu benötigt man eine Spritzgießmaschine und ein Werkzeug mit einem vom Anguss ausgehenden spiralförmigen Kanal. Die Fließlänge der Kunststoffschmelze bei bestimmten Verarbeitungsbedingungen wird durch Messpunkte angezeigt.

6.1.7

a)

6.1.8

Die relative Viskosität ist der Quotient aus den Viskositäten der Lösung und des Lösungsmittels, was man über die Durchlaufzeiten von Lösung und Lösungsmittel durch eine Kapillare errechnen kann.

6.1.9

Das Gerät zur Ermittlung der Viskosität von einer Lösung heißt Kapillarviskosimeter von Ubbelohde.

6.1.10

Das archimedische Prinzip lautet: Ein Körper wird, in eine Flüssigkeit getaucht, um soviel leichter, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt. In Wasser bedeutet das (1 cm3 H2O = 1 g bei 4 °C), dass die verdrängte Flüssigkeitsmenge dem Volumen des Körpers entspricht. Bei anderen Flüssigkeiten muss man die Dichte der Flüssigkeit in die Volumenberechnung mit einbeziehen.

6.1.11

Die Schüttdichte ist der Quotient vom Gewicht einer lose geschütteten Menge in einem 100-cm3-Messbecher, der randvoll gefüllt wird, dividiert durch das Messbechervolumen. Bei der Stopfdichte wird eine vorgewogene Menge von 60 g in einer bestimmten Weise im Messzylinder verdichtet und dann das Volumen nach 1 min abgelesen. Gewicht dividiert durch das Volumen ergibt die Stopfdichte.

6.1.12

Der Wassergehalt bei Kunststoffen kann z.B. mit dem AQUATRAC gemessen werden. In einem geschlossenen Gefäß wird das im Kunststoff enthaltene Wasser durch Wärme zum verdampfen und mit einer Substanz zur Reaktion gebracht, wobei sich ein Gas bildet. Der Gasdruck ist proportional dem prozentualen Wassergehalt der eingesetzten Kunststoffmenge.

Der K-Wert wird über die Viskosität einer Kunststofflösung ermittelt. Je höher der KWert, desto höher ist das mittlere Molekülgewicht des Thermoplasten. b) Ein hoher K-Wert weist auf eine hohe Schmelzviskosität hin, was wiederum bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften auch höher liegen als bei niedrigem K-Wert.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

27

6.1.13

Den thermischen Abbau von PVC kann man über die durch Wärme abgespaltenen sauren HCl-Dämpfe mittels eines Indikatorpapiers (z.B. Kongorot) qualitativ messen.

6.2

Mechanische Prüfungen

6.2.1

In das Diagramm ist der kleine Kreis für die Zugfestigkeit und Steckdehnung in der unteren Kurve nur an einer Stelle einzutragen, und zwar im Maximum, dort, wo die Kurve ihren höchsten Punkt erreicht. Für die obere Kurve ist der 1. kleine Kreis für die Zugfestigkeit am Ende der Kurve zu zeichnen. Für die Streckspannung ist der kleine Kreis aber am 1. Maximum, dort, wo die Kurve abknickt, einzutragen.

6.2.2

Die Formeln für die Spannungsberechnung lautet: Die Kraft (F) in Newton (N) dividiert durch den Anfangsquerschnitt (A) in Quadratmillimeter (mm2) ergibt die Spannung. Das Ergebnis, d.h. die Dimension für die Spannung, wird in Megapascal (MPa) angegeben. Die Formel für die Dehnungsberechnung lautet: Die Längenänderung (∆L0) dividiert durch die Anfangslänge (L0) multipliziert mit 100 % ergibt die Dehnung, angegeben in Prozent (%).

6.2.3

Die Zugfestigkeit ist von den Einflüssen Temperatur und Prüfgeschwindigkeit abhängig.

6.2.4

Unter dem technologischen Biegewinkel versteht der Kunststoffschweißer den erreichten Biegewinkel bei Höchstkraft vor dem Eintritt eines Anrisses oder Bruchs der Schweißprobe.

6.2.5

Der Elastizitätsmodul (E-Modul) ist der Quotient aus der Spannung und Dehnung und wird in Megapascal (MPa) angegeben. Der E-Modul ist ein Maß für die Steifigkeit eines Materials, darum ist es schwierig ihn für weiche Materialien zu ermitteln. Im Allgemeinen ist er bei Kunststoffen gegenüber den Metallen relativ niedrig, kann aber durch Verstärkungsstoffe erheblich gesteigert werden.

6.2.6

a) Die Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit wird mit dem Pendelschlagwerk ermittelt. b) Es wird dabei die Schlagarbeit gemessen.

6.2.7

a)

6.2.8

Bei härteren Kunstoffen kann man mit der Shore-Härteprüfung nichts mehr ausrichten. Dann wird die Kugeldruckhärteprüfung herangezogen. Gemessen wird hierbei die Oberfläche des Eindrucks mit Hilfe der Eindringtiefe der Kugel.

6.3

Sonstige Prüfungen

6.3.1

Beim Messverfahren der Wärmeformbeständigkeit nach Vicat wird ein belasteter Stab (10 oder 50 N) mit einer Stirnfläche von 1 mm2 auf eine Probe aufgesetzt. Die Probe wird nun gleichmäßig erwärmt. Ist der Stab 1 mm tief in die Probe eingedrungen, wird die dazugehörige Temperatur abgelesen.

6.3.2

Kunststoffe, die Sauerstoffe im Molekül besitzen, haben deshalb einen größeren dielektrischen Verlustfaktor als Kunststoffe, die nur aus Kohlenwasserstoffen aufgebaut sind, weil sie ein Dipolmoment aufweisen.

Der Unterschied bei den Härteprüfungen von Shore A und Shore B besteht darin; dass die Nadel am unteren Ende bei Shore A abgeflacht ist und bei Shore B eine runde Spitze besitzt. b) Für die Härteprüfung von weichen Kunststoffen wird das Verfahren nach Shore A angewandt.

Teil I / Lösungen zur Kunststoffkunde

28

6.3.3

Spannungsrissbildung wird an Thermoplasten hervorgerufen, die im Inneren Spannungen besitzen, z.B. hervorgerufen durch zu hohen Nachdruck beim Spritzgießen an Fertigteilen. Kommen diese Kunststoffe mit geeigneten Medien in Berührung, dann können sich die Spannungen lösen und an der Oberfläche feinste Haarrisse entstehen lassen. Thermoplaste, die einer äußeren Spannung ausgesetzt sind, unterliegen auch der Spannungsrisskorrosion. Für die Prüfung der Spannungsrissbildung gibt es für die verschiedenen Thermoplaste geeignete Medien, in die man die Teile eintaucht, nach einer vorgegebenen Zeit wieder herausnimmt und beurteilt.

6.3.4

Zur Prüfung von Kautschuken mit dem Scherscheibenviskosimeter wird das ermittelte Drehmoment in Mooney-Einheiten angegeben.

6.3.5

Der Kautschuk ist bei der Erfassung des Vulkanisationsverhaltens im Vulkameter nur leichtschwingenden Bewegungen ausgesetzt, um ihn bei zunehmender Vernetzung nicht zu zerstören. Bei umlaufendem Rotor, würde der Kurvenverlauf den eigentlichen Vulkanisationsvorgang verfälschen.

6.3.6

Unter der Weiterreißfestigkeit versteht man den Widerstand, den eine gekerbte Elastomerprobe einer Zug- oder Druckbeanspruchung entgegensetzt.

6.3.7

Typische Prüfungen an Vulkanisaten (Elastomeren) sind u.a. die Härteprüfung nach Shore A, die Druckverformungsrest- und die Rückprallelastizitäts-Prüfung.

6.3.8

Unter dem viskoelastischen Verhalten versteht man, dass sich die Kunststoffe aufgrund ihres makromolekularen Aufbaus unter mechanischen Belastungen verformen, d.h., die Werkstoffe «kriechen».

6.3.9

Die zeitabhängigen Spannungs-Dehnungs-Linien, bzw. die Kriechmoduln, sagen dem Konstrukteur, welches Langzeitverhalten bei dem entsprechenden Kunststoff zu erwarten ist. Damit kann er die Dimensionierung eines Bauteils werkstoffgerecht vornehmen, z.B. die Wanddicke bei Druckrohren berechnen.

6.3.10

Fertigteilprüfungen sind u.a. Sicht-, Gewichts- und Maßhaltigkeitskontrolle sowie Fall- und Warmlagerungsversuch.

6.3.11

Die Qualitätssicherung bei Kunststofferzeugnissen ist eine Forderung, die im Interesse von Kunststoffherstellern und -verarbeitern liegt. Sie dient den Verbrauchern als Schutz vor mangelnder Qualität der verwendeten Kunststoffprodukte. Deshalb sind Erzeugnisse mit Prüf-, Überwachungs- oder Gütezeichen denen vorzuziehen, die dieser Überwachung nicht unterliegen,.

6.3.12

Die Strukturen des Qualitätsmanagements sind in der ISO 9000 ff festgeschrieben. Die Ziele sind, die Kunden und die Öffentlichkeit auf ein funktionierendes Managementsystem hinzuweisen sowie eine interne Optimierung der Arbeitsabläufe nach internationalem Standard zu garantieren.

Teil II

Aufgaben zur Kunststoffverarbeitung

1 1.1

Kunststofftechnologie Grundlagen

2 2.1 2.2

Kunststoffrohstoffe Aufbereitung von Kunststoffrohstoffen Mathematische Aufgaben zur Aufbereitung

3 3.1 3.2 3.3

Herstellen von Halbzeugen durch Kalandrieren Kalanderaufbau Verfahrenstechnik Mathematische Aufgaben zum Kalandrieren

4 4.1 4.2 4.3

Herstellen von Halbzeugen durch Beschichten Allgemeines Beschichtungsverfahren Mathematische Aufgaben zum Beschichten

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

Extrudieren Allgemeines Systemanalyse der Extrusionsanlage und des Extruders Verfahrenstechnik beim Extrudieren Betriebsverhalten eines Extruders Extruderwerkzeuge Nachfolgeeinrichtungen Extruderanlagen Produktionstechnik Fehler beim Extrudieren und ihre Beseitigung Mathematische Aufgaben zum Extrudieren

6 6.1 6.2 6.3

Herstellen von Formteilen durch Extrusionsblasformen Allgemeines Spritzblasformen Mathematische Aufgaben zum Extrusionsblasformen

7 7.1

Gießen von Folien Allgemeines

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.8

Spritzgießen Allgemeines Spritzgießmaschine Verfahrenstechnik beim Spritzgießen Spritzgießwerkzeuge Formteilgestaltung Vermischtes Mathematische Aufgaben zum Spritzgießen

2 9 9.1 9.2 9.3

Herstellen von Formteilen durch Pressen Formmassen und ihre Aufbereitung Pressverfahren Mathematische Aufgaben zum Pressen

10 10.1 10.2 10.3

Herstellen von Formteilen und Halbzeugen durch Schäumen Allgemeines Schäumverfahren Mathematische Aufgaben zum Schäumen

11 11.1 11.2 11.3 11.4

Herstellen von Bauteilen mit faserverstärkten Kunststoffen Werkstoffkomponenten Härtung der Harze Verarbeitungsverfahren Mathematische Aufgaben zur Verarbeitung von FVW

12 12.1

Gießen von Rektionsharzen Gießverfahren und Gießwerkzeuge

13 13.1 13.2 13.3 13.4

Rotationsformen Allgemeines Rotationsanlagen Verarbeitungsfehler Mathematische Aufgaben zum Rotationsformen

14 14.1

Pulverbeschichten Beschichtungsverfahren

15 15.1 15.2 15.3

Verarbeiten von Kautschuken Werkstoff Kautschuk Herstellen von Formmassen Herstellen von Formteilen und Halbzeugen

16 16.1 16.2 16.3 16.4

Warmformen (Thermoformen) von Kunststoffen Verhalten der Thermoplaste bei Erwärmung Umformverfahren Vorbereiten des Halbzeugs Mathematische Aufgaben zum Warmformen (Thermoformen)

17 17.1 17.2 17.3

Schweißen von Kunststoffen Grundlagen Schweißverfahren Mathematische Aufgaben zum Schweißen

18 18.1 18.3 18.4 18.5

Kleben von Kunststoffen Grundlagen Klebstoffsysteme Technologie des Klebens Mathematische Aufgaben zum Kleben

19 19.1 19.3 19.4 19.5

Mechanisches Verbinden von Kunststoffen Allgemeines Schraubenverbindungen Schnappverbindungen Mathematische Aufgaben zum mechanischen Verbinden

20 20.1 20.2

Spanende Bearbeitung von Kunststoffen Allgemeines Mathematische Aufgaben zur spanenden Verarbeitung von Kunststoffen

21 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5

Veredeln von Kunststoffen Polieren Metallisieren Beflocken Bedrucken Lackieren

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

1

29

Kunststofftechnologie

1.1

Grundlagen

1.1.1

Stoffe mit makromolekularem Aufbau kennt man seit ca. 150 Jahren. Es waren abgewandelte Naturstoffe wie Vulkanfiber (1859), Celluloid (1869) oder Kunsthorn (1897).

1.1.2

Seit ca. 100 Jahren: u.a. Bakelite 1908, PVC 1931, PE-HD 1953, PP 1957 ...).

1.1.3

Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation.

1.1.4

Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, Thermoplastische Elastomere. Die Einteilung erfolgt nach der Struktur der Polymere und ihrem Verhalten bei Wärme.

1.1.5

Siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 1.3.2, Vogel Buchverlag.

1.1.6

Amorphe Thermoplaste: fest – Erweichung – thermoelastisch – Fließbeginn der Polymere – thermoplastisch – Zersetzung. Teilkristalline Thermoplaste: fest – Erweichung – thermoelastisch – Auflösung der kristallinen Bereiche – thermoplastisch – Zersetzung.

1.1.7

Duroplaste sind räumlich engmaschig vernetzt. Diese Vernetzung lässt nur eine sehr geringe Molekularbewegung zu. Sie sind folglich hart und spröde. Elastomere sind weitmaschig vernetzt. Sie verhalten sich gummielastisch.

1.1.8

a) Je höher der Polymerisationsgrad, je höher die Viskosität, je zähflüssiger die Schmelze. b) Mit der Schmelzindexprüfung (siehe Band Kunststoffkunde, Abschnitt 6.1.1, Vogel Buchverlag). c) Je höher der K-Wert, desto höher das mittlere Molekülgewicht und die Viskosität. Demnach ist die Schmelze eines Kunststoffes mit dem K-Wert 74 dünnflüssiger als mit einem K-Wert von 124.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

30

2

Kunststoffrohstoffe

2.1

Aufbereitung von Kunststoffrohstoffen

2.1.1

Der Kunststoffrohstoff entsteht in Reaktionsbehältern durch chemische Reaktionsverfahren (Polymerisation). Das so gewonnene Polymerisat enthält noch keine Zuschlagstoffe.

2.1.2

Dem Kunststoffrohstoff müssen Zuschlagstoffe zugemischt werden, die Aussehen und Eigenschaften des Rohstoffes verändern.

2.1.3

Zusatzstoffe verändern die Eigenschaften des Grundwerkstoffes, z.B. Weichmacher, UVStabilisatoren, Füllstoffe, Treibmittel, usw. Hilfsstoffe sind Stoffe, die eine bessere Verarbeitung des Rohstoffes ermöglichen u.a. Gleitmittel, Wärmestabilisatoren bei PVC usw.

2.1.4

PVC-E enthält ca. 2,5 % Emulgatoren, es ist daher trüb. PVC-M ist ein sehr reines Produkt, es hat eine hohe Lichtdurchlässigkeit.

2.1.5

Bei der Aufbereitung wird aus dem Kunststoffrohstoff durch Zerkleinern, Mischen und Plastifizieren eine verarbeitungsfähige Formmasse hergestellt.

2.1.6

Unter Compoundierung versteht man das Aufbereiten des Kunststoffrohstoffes.

2.1.7

Beim Zerkleinern eines Stoffes wird immer eine größere Oberfläche erzeugt als das Produkt vorher hatte. Hierdurch kann eine bessere Benetzung (Vermischung) mit anderen Komponenten erzielt werden.

2.1.8

PS und PF-Harze sind harte Stoffe. Zum Zerkleinern werden große Kräfte benötigt.

2.1.9

Eine Schneidmühle wird bei PVC, PE, PP oder PA eingesetzt. Die Korngröße wird durch einen austauschbaren Siebeinsatz bestimmt.

2.1.10

a)

2.1.11

Freifallmischer.

2.1.12

Innenkneter für das Herstellen von Formmassen mit hohen Füllstoffanteilen. Walzwerke für hochwertige PVC-Mischungen. Schneckenaggregate für kontinuierlich arbeitende Anlagen.

2.1.13

Kaltgranulierung: Mit einem Plastifiziergerät und einer Lochdüse werden Kunststoffstränge extrudiert. Die Stränge werden in einem Wasserbad abgekühlt und anschließend durch eine rotierende Messerwalze in Körnchen geschnitten. Heißabschlaggranulierung: Hierbei werden die Kunststoffstränge im plastischen Zustand durch ein rotierendes Messer getrennt. Die abgetrennten Teilchen fallen in ein Wasserbad und kühlen ab.

2.1.14

Das Granulat ist kugelförmig oder linsenförmig, weil es beim Abkühlen im Wasserbad die kleinstmögliche Oberfläche erlangen will.

2.1.15

Volumetrisch: Messen des Volumens mit einem Messbecher. Gravimetrisch: Feststellen der Masse durch eine Waage.

Durch ein hochtourig laufendes Mischwerkzeug entstehen starke Relativbewegungen der Partikel. Hierdurch entsteht Reibungswärme. b) Damit flüssige Zusätze besser in das PVC-Pulver eindringen können. c) PVC wird ab ca. 140 °C (ohne Wärmestabilisatoren) plastisch.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung 2.1.16

Kleine Mengen: Sackware (25 kg), große Mengen: Oktabins (bis 1000 kg).

2.1.17

Oktabins sind 8-eckige Pappcontainer.

2.1.18

Lagern nur in trockenen Räumen. Sackware 1…2 Tage vor der Verarbeitung in der Produktionshalle lagern.

2.1.19

PC, PA, PMMA.

2.1.20

Harze müssen kühl, trocken und dunkel lagern. Sie sollen nicht länger als ein halbes Jahr gelagert werden.

2.1.21

Druck- und Saugförderanlagen.

2.1.22

Eine Saugförderanlage arbeitet mit Unterdruck und damit staubfrei.

2.1.23

Durch die hohen Fördergeschwindigkeiten (bis 22m/s) besteht die Gefahr der Entmischung der aufbereiteten Formmasse.

2.2

Mathematische Aufgaben zur Aufbereitung

2.2.1

PVC Weichmacher Füllstoff Farbstoff Gleitmittel Stabilisator

155,595 73,37 17,71 4,554 1,012 0,759

kg kg kg kg kg kg

2.2.2

SBR Stabilisator Zinkoxid Paraffin Alterungsschutz Ruß Beschleuniger Schwefel

125 1,875 10 1,875 1,875 60 1,25 3,125

kg kg kg kg kg kg kg kg

2.2.3

Füllung = 72,5 %

2.2.4

t = 8 min, 35 s

31

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

32

3

Herstellen von Halbzeugen durch Kalandrieren

3.1

Kalanderaufbau

3.1.1

Verfahrensabschnitte: Aufbereiten – Plastifizieren - Formgebung durch Kalandrieren Bauelemente: Wiege und Mischstation, Innenkneter und Mischwalzwerk bzw. Schneckenextruder, Transportband mit Metallabscheider, Walzwerk, Strainer, Kalander, Abzugswalzen, Kühlwalzen, Dickenkontrolle, Aufwicklung.

3.1.2

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 3.1, Vogel Buchverlag. Bei dieser Walzenanordnung und Einspeisung der Formmasse können aufsteigende Weichmacherdämpfe keinen Schaden anrichten.

3.1.3

PVC ist eine zähfließende Formmasse, die auch im Walzenspalt nicht zu dünnflüssig wird.

3.1.4

Korrekturmaßnahmen: Schrägverstellung (crossing over), Walzenbiegung (roll bending), Profilschleifen (bombage)

3.2

Verfahrenstechnik

3.2.1

Jeweils der letzte Walzenspalt.

3.2.2

Jede Walze läuft mit einer geringfügig höheren Drehzahl als die vorhergehende. Außerdem steigt die Temperatur von Walze zu Walze an.

3.2.3

Der Knetwirbel sorgt für eine seitliche Ausbreitung der Schmelze über den ganzen Walzenspalt und erzeugt jeweils eine neue Oberfläche. Hierdurch wird die Oberflächenqualität wesentlich verbessert.

3.2.4

Die Beheizung erfolgt mit heißem Druckwasser. Hochtemperaturverfahren: 180…220 °C Niedertemperaturverfahren: 160…180 °C

3.2.5

Die Folie klebt auf der Rolle zusammen.

3.2.6

Strainer (Englisch: Sieb), Heraussieben von Fremdteilchen. Die Kalanderwalzen sind wegen ihrer glatten Oberfläche sehr empfindlich gegen mechanische Beschädigungen.

3.2.7

Foliendicke ca. 10…25 µm.

3.2.8

Das Mischwalzwerk dient als Puffer (Speicher), zur weiteren Homogenisierung der Formmasse, und es dient zur Entgasung flüchtiger Bestandteile.

3.2.9

Unter Kaschieren versteht man das Verbinden artfremder Folien unter Druck und Temperatur (häufig auch mittels einer Klebeschicht).

3.2.10

Messerwalzen beschneiden die Ränder der kalandrierten Folie um definierte Abmessungen zu fertigen.

3.2.11

Die Verstreckung erfolgt im Bereich der Abzugswalzen im thermoelastischen Bereich der Folie. Durch eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit von Walze zu Walze wird die Folie verstreckt. Die Polymere erfahren eine Längsorientierung, die eingefroren wird. Hierdurch wird eine Festigkeitssteigerung erreicht.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung 3.2.12

Siehe Lösung 3.2.4 (unterschiedliche Verarbeitungstemperaturen).

3.2.13

Das Tempern, dadurch werden innere Spannungen (Orientierungen) abgebaut. Tempern ist eine nachfolgende Wärmebehandlung. Das Bauteil wird mehrere Stunden bei 60…70 °C gelagert.

3.2.14

Unter Dublieren versteht man das Verbinden von gleichen dünnen Folien zu einer dicken Folie mittels Kalanderwalzen.

3.3

Mathematische Aufgaben zum Kalandrieren

3.3.1

m = 8280 kg

3.3.2

nA = 313,3 m–1 nE = 43,4 min–1

3.3.3

Q = 87 780 kJ

3.3.4

d = 130 µm

3.3.5

υ4 = 5,72 m/min n4 = 3 min–1

3.3.6

a) F = 2400 N b) M = 1080 Nm

33

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

34

4

Herstellen von Halbzeugen durch Beschichten

4.1

Allgemeines

4.1.1

Teppichboden, Regenschutzkleidung usw.

4.1.2

Als Trägerbahnen dienen: Textilgewebe, Papierbahnen, Kunststofffolien, Metallfolien, Faservliese. Gewebe ist eine Verflechtung von sich kreuzenden Fäden. Gewirke ist ein langer, ineinanderverflochtener Faden Vliese sind nicht ineinanderverflochtene Fäden, die wirr aufeinander liegen.

4.1.3

Textile Fasern werden vor der Verarbeitung zu einem Gewebe mit Schlichte versehen. Die Schlichte, eine chemische Substanz, macht den Faden elastisch und gleitfähig. Vor dem Auftragen einer Beschichtungsmasse aus Kunststoff muss diese Schlichte entfernt werden, damit eine gute Haftung mit den Fasern erreicht wird. Beim Imprägnieren wird die Trägerbahn mit einer wasserabstoßenden oder fäulnishemmenden chemischen Substanz getränkt.

4.1.4

Eine Dispersion ist ein Stoffgemisch, bei dem ein Stoff in einem anderen Stoff feinst verteilt ist. Man unterscheidet dabei die Suspension, bei der ein fester Stoff in einem flüssigen Stoff verteilt ist und die Emulsion, bei der sich 2 flüssige Stoffe mit Hilfe eines Emulgators vermischen, z.B. Wasser + Öl + Seife. Zuschläge für PVC-Pasten sind: Stabilisatoren, Treibmittel, Farbpigmente, Füllstoffe. Plastisole sind pastöse Mischungen aus PVC-Pulver und flüssigem Weichmacher. Organosole sind Mischungen aus PVC-Pulver, Weichmachern und flüchtigen Lösungsmitteln zur Herabsetzung der Viskosität.

4.2

Beschichtungsverfahren

4.2.1

Das Rakel kann gegen Luft, Gummituch oder Walzen arbeiten.

4.2.2

In der Regel bei grobmaschigen Geweben. Der Abstreifer hält überschüssige Paste zurück.

4.2.3

a) hauptsächlich für Gewebebeschichtung b) Die Beschichtungsdicke lässt sich genau dosieren und es kann mit Fertigungsgeschwindigkeit und damit wirtschaftlich gearbeitet werden. c) mit dem Rotationssiebdruckverfahren

4.2.4

Mit dem Verfahren «Extrusionsbeschichtung».

4.2.5

Beim indirekten Beschichten, auch Umkehrbeschichtungsverfahren. Auf einer Papierbahn, die eine entsprechend genarbte Oberflächenstruktur aufweist, wird zuerst die schäumbare pastöse Masse aufgetragen, bevor die Trägerbahn aufgelegt wird.

4.2.6

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Abschnitt 4.5, Punkte 1…13, Vogel Buchverlag.

4.2.7

Im geheizten Gelierkanal (180…200 °C) dringen die Weichmacher, die in der Paste enthalten sind, in die PVC-Körnchen ein. Die Körnchen werden weich, quellen auf und verschmelzen zu einer homogenen Masse.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

35

4.2.8

Extender sind sekundäre Weichmacher. Sie erhöhen die Fließfähigkeit der pastösen Masse im Gelierkanal. Primärweichmacher auch Polymerweichmacher wirken in der Molekülkette, Sekundärweichmacher wirken zwischen den Molekülketten.

4.2.9

Mit Infrarot-Strahlern (IR-Strahlern) wird die Kunststoffbeschichtung soweit aufgewärmt, dass sie verformt (geprägt) werden kann.

4.3

Mathematische Aufgaben zum Beschichten

4.3.1

v1 = 0,047 m/s

4.3.2

benötigte Masse m = 9,64 t / Bestellte Masse reicht

4.3.3

M = 15300 kg

4.3.4

Q = 664714 kJ

v2 = 0,56 m/s

W = 184,6 kWh

Zunahme: 1191%

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

36

5

Extrudieren

5.1

Allgemeines

5.1.1

Halbzeuge sind Halbfertigprodukte wie Profile, Rohre, Platten, Folien usw.

5.1.2

Grundsätzlich alle Thermoplaste. Voraussetzung ist allerdings eine ausreichend hohe Schmelzviskosität.

5.1.3

Sie haben eine stabile Außenhaut und einen geschäumten Kern.

5.1.4

In einem Zylinder dreht sich eine Schnecke, die Kunststoffmasse verdichtet, plastifiziert, homogenisiert und unter Druck ausstößt.

5.2

Systemanalyse der Extrusionsanlage und des Extruders

5.2.1

Extruder, Werkzeug, Kalibrierung, Kühlung, Abzug, Trennvorrichtung, Aufwicklung oder Stapelvorrichtung.

5.2.2

Die Energieumsetzung erfolgt in 3 Stufen: a) Energieumwandlung durch den Elektromotor in Bewegungsenergie, b) Energieumformung und Energietransport durch das Reduziergetriebe, c) Energieumwandlung durch die rotierende Schnecke in Druck- und Wärmeenergie.

5.2.3

Die Stoffumsetzung erfolgt in 4 Stufen: a) Stoffumsetzung im Extruder (fest–plastisch). b) Stoffumformung im Werkzeug zu einem Halbzeug. c) Stofftransport durch den Abzug. d) Stoffspeicherung durch Aufwickeln bzw. Stapeln und lagern.

5.2.4

Zylinder: Aufnahme der Schnecke. Schnecke: Einziehen, verdichten, homogenisieren, ausstoßen der Formmasse. Motor: Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Getriebe: Reduzierung der Motordrehzahl und Erhöhung des Drehmomentes für die Schnecke. Heizung: Temperaturregelung zum Aufschmelzen der Formmasse.

5.2.5

3-Stufen-Schnecke und kernprogressive Schnecke (siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 5.3, Vogel Buchverlag).

5.2.6

Die Barriereschnecke ist in der Aufschmelzzone 2-gängig.

5.2.7

Das Gangvolumen wird in der Aufschmelzzone verkleinert, entweder durch Veränderung der Gangtiefe oder durch Veränderung der Steigung.

5.2.8

Das Gangtiefenverhältnis h1 : h2.

5.2.9

L = 25 × D = 25 × 90 mm = 2250 mm

5.2.10

Sie sorgen für eine Verbesserung der Plastifizierung und Homogenisierung.

5.2.11

Sie hat 2 Meteringzonen und 1 Dekompressionszone in der flüchtige Bestandteile in Form von Gasen aus der Formmasse ausgeschieden werden.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

37

5.2.12

Aus Schnecke und Zylinder.

5.2.13

Um die Förderleistung (den Durchsatz) zu steigern.

5.2.14

Damit das eingezogene Granulat nicht an der Schnecke kleben bleibt und somit nicht nach vorn gefördert wird.

5.2.15

Die Schnecke hat im Betriebszustand keinen Kontakt mit der Zylinderwand (keine Reibung).

5.2.16

Elektromotor und Reduziergetriebe.

5.2.17

Gleichstrommotoren und Kommutatormotoren.

5.2.18

Ein Reduziergetriebe soll die Drehzahl des Elektromotors herabsetzen und ein großes Drehmoment für den Schneckenantrieb erzeugen (Energieumsetzung).

5.2.19

Um eine genaue Temperaturführung (ein Temperaturprofil) entlang des Zylinders zu erreichen. In der Regel steigt die Temperatur von der Einzugszone zur Ausstoßzone an (z.B. PP: 180…235 °C).

5.3

Verfahrenstechnik beim Extrudieren

5.3.1

Einziehen – Fördern – Verdichten – Plastifizieren – Homogenisieren – Ausstoßen.

5.3.2

Das eingezogne Granulat/Pulver darf nicht an der Schnecke haften bleiben, da sonst keine Förderung nach vorn erfolgt. Zwischen Zylinderwand und Formmasse muss dagegen viel Kontakt bestehen, damit von der Zylinderwand Wärme aufgenommen wird und durch das Anhaften der Formmasse an der Zylinderwand eine nachfolgende Scherung der Schmelze entsteht (siehe Rheologie der Schmelze).

5.3.3

Weil hierbei zwischen den Schnecken eine Zwangsförderung der Formmasse entsteht.

5.3.4

Durch kernprogressive oder gangprogressive Schnecken (siehe auch Lösung 5.2.7).

5.3.5

Nach einem ersten Druckaufbau in der 1. Umwandlungszone (1. Meteringzone) fällt der Druck durch die Schneckengeometrie wieder sehr schnell (Dekompression). Zum Ausstoßen wird dann wieder Druck aufgebaut (2. Meteringzone).

5.3.6

Flüchtige Bestandteile (Feuchtigkeit) in der eingezogenen Formmasse werden in der ersten Meteringzone durch Druck- und Temperaturanstieg gasförmig. In der Dekompressionszone werden diese Gase freigesetzt und können durch ein Vakuum abgesaugt werden.

5.3.7

Durch den Kontakt der Kunststoffmasse mit der Zylinderwand und der Scherung beim Fördern erwärmt sich die Masse. In der treibenden Flanke werden nicht aufgeschmolzene Anteile zurückgeführt. Scherungswärme entsteht durch unterschiedliche Fließfrontgeschwindigkeiten in der Schmelze.

5.3.8

Damit alle Zusatz- und Hilfsmittel feinst verteilt werden und eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Schmelze gewährleistet ist.

5.3.9

Schmelze, die entgegen der Förderrichtung zwischen Schneckensteg und Zylinderwand zurückströmt. Ursache ist das Spiel zwischen Zylinderwand und Schneckenstege und das Druckgefälle im Zylinder.

5.3.10

Je höher die Schneckendrehzahl, desto höher die Scherwärme.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

38

5.3.11

Sie arbeiten mit hohen Schneckendrehzahlen und ohne äußere Heizung. Die Schmelzwärme wird durch die Materialscherung erzeugt.

5.3.12

a)

Am Ende des Zylinders ist ein Werkzeug angeflanscht, das eine Querschnittsverengung darstellt. Die Formmasse fließt nur unter Druck durch diese Engstelle. b) Den notwendigen Druckaufbau erreicht man z.B. durch den Einbau von Lochscheiben am Ende des Zylinders.

5.3.13

5.3.14

Zwischen Schneckenspitze und Werkzeugkopf.

5.4

Betriebsverhalten eines Extruders

5.4.1

a) Die Schneckendrehzahl, die Schneckengeometrie und die Art der Einzugszone. b) Die Heizleistung der Bänder und zum großen Teil die durch die Fließeigenschaften der Schmelze erzeugte Schwerwärme. Auch die Schneckendrehzahl und Schneckengeometrie c) Die Fördergeschwindigkeit des Materials ist abhängig von der Schneckendrehzahl und der Schneckengeometrie.

5.5

Extruderwerkzeuge

5.5.1

a) Der Übergang muss strömungsgünstig, ohne Ecken und Kanten gestaltet werden. b) Tote Winkel entstehen bei kantigen Übergängen in einem Strömungskanal. Hierbei entstehen Verwirbelungen in der Strömung, die zu thermischen Schädigungen der Kunststoffmasse führen können.

5.5.2

Lochscheiben drosseln den Schmelzstrom und bauen so einen zusätzlichen Druck im Zylinder auf. Drahtsiebe filtern zusätzlich Verunreinigungen heraus und schützen das Werkzeug vor möglichen Schäden.

5.5.3

a) Im Übergangsteil. b) Sie dient zur Beruhigung des Schmelzestroms (Homogenisierung der Schmelze).

5.5.4

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, früher Bild 5.17, ab 9. Auflage Bild 5.18, Vogel Buchverlag.

5.5.5

Indem durch eine Verjüngung der Fließkanäle im Werkzeug ein zusätzlicher Druck aufgebaut wird (Kompressionszone).

5.5.6

Die Bügelzone dient zur Beruhigung des Schmelzestroms.

5.5.7

a)

Siehe Band Kunststoffverarbeitung früher Bild 5.21, ab 9. Auflage Bild 5.22, ähnlich Nr. 15, Vogel Buchverlag. b) Die Luftzufuhr dient zur intensiveren Kühlung.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

39

5.5.8

Es wird zentral über einen Einlaufkanal angeströmt, und dann wird der Massestrom über sternförmig angeordnete Fließkanäle nach außen zu den Wendelkanälen geführt.

5.5.9

Mit Breitschlitzdüsen und Kleiderbügeldüsen (PVC).

5.5.10

Durch einen Staubalken mit dem der Fließkanalquerschnitt und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze verändert werden kann. In der Mitte wird ein kleiner Spalt eingestellt, der einen großen Strömungswiderstand bewirkt. Dadurch breitet sich die Schmelze seitlich aus.

5.5.11

Über die Stellschrauben der Düsenlippen.

5.5.12

Wegen der strömungsgünstigen Form des Verteilerkanals entstehen keine toten Winkel. Die Schmelze wird thermisch nicht geschädigt.

5.5.13

Der Herzkurvenkanal führt die Schmelze um den Dorn herum (Zwangführung) und korrigiert dabei die Fließwegunterschiede.

5.5.14

Siehe Lösung 5.5.8.

5.5.15

Die einzelnen Drähte werden zuerst einem Werkzeug für Innenummantelung zugeführt, dann werden alle 3 Drähte zusammengeführt und außerhalb des Werkzeugs ummantelt.

5.6

Nachfolgeeinrichtungen

5.6.1

Sie haben die Aufgabe, Form und Abmessungen des Halbzeugs bis zur Erstarrung (Raumtemperatur) zu erhalten.

5.6.2

Bei Rohren wird der Außendurchmesser kalibriert.

5.6.3

Bei der Vakuumkammerkalibrierung wird das Rohr durch ein Vakuum an die Kalibrierdüse angesaugt. Bei der Vakuumtankkalibrierung wird in einem Wassertank, der nur zu ca. 80 % gefüllt ist, ein Vakuum erzeugt. Der im Rohr herrschende atmosphärische Luftdruck drückt das Rohr gegen die Kalibrierbuchsen und -ringe.

5.6.4

Durch das Vakuum im Tank und durch den Überdruck im Rohr würde das Rohr im Wasserbad auftreiben.

5.6.5

Zur Abdichtung des Rohres, damit ein Druckraum entsteht.

5.6.6

Weil sich das Rohr von Ziehblende zu Ziehblende verjüngt. Dies muss durch die Abzugsgeschwindigkeit kompensiert werden.

5.6.7

Tafeln durch ein Glattwalzwerk. Folien werden nicht kalibriert.

5.6.8

Durch Entzug von Verdampfungswärme entsteht ein Kühleffekt.

5.6.9

Durch Luftkühlung (Gebläse).

5.6.10

Weil sonst das Extrudat nicht kalibriert werden könnte.

5.6.11

Dadurch, dass die Drehzahl mit zunehmendem Wickeldurchmesser kleiner wird und das Drehmoment gleichzeitig erhöht wird.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

40

5.6.12

Über Gestellwagen, die auf Rollen und Schienen geführt werden und mit gleicher Geschwindigkeit wie das Extrudat mit laufen.

5.7

Extruderanlagen

5.7.1

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 5.1 und Lösungen 5.2.2 und 5.2.3, Vogel Buchverlag.

5.7.2

Durch Hintereinandersetzung von mehreren Kalibrierblöcken.

5.7.3

Es sind geschäumte Kunststoffe mit einer festen, formstabilen Außenhaut und einem geschäumten Kern.

5.7.4

Bei der Extrusion von Tafeln wird die Schmelze über eine kurze Luftstrecke waagerecht dem Einlaufspalt eines Glattwalzwerkes zugeführt. Bei der Flachfolienextrusion wird die Schmelze aus der Düse senkrecht nach unten auf eine gekühlte Walze geführt.

5.7.5

Siehe Band Kunststoffverarbeitung früher Bild 5.40, ab 9. Auflage Bild 5.41, Vogel Buchverlag.

5.7.6

Radial angeströmte Blasköpfe (Pinolen), zentral angeströmte Blasköpfe und Spiraldornköpfe.

5.7.7

Eine Orientierung ist eine kristalline Anordnung (Parallelausrichtung) der Polymere. Die Orientierung kann sowohl in Längsrichtung durch den Abzug als auch in Radialrichtung durch das Aufblasverhältnis des Schlauches erfolgen. Es wird hierdurch eine mechanische Festigkeitssteigerung erreicht.

5.7.8

Über die Abzugsgeschwindigkeit, wobei eine berührungslose Foliendickenmessvorrichtung (Ultraschall) ständig die Foliendicke kontrolliert.

5.7.9

Die Folie erfährt bei der Fertigung 2 unterschiedliche Orientierungen. Durch den Abzug in Längsrichtung und durch das Aufblasen in Querrichtung radial. Wird diese Orientierung eingefroren, entsteht bei Wiedererwärmung ein Memoryeffekt.

5.7.10

Damit die Folie ausreichend abkühlt und beim Zusammenlegen nicht klebt.

5.7.11

Entweder dreht sich der Blaskopf oder die «Flachlegung» reversierend um 360°.

5.7.12

Mehrschichtfolien werden durch ein Coextrusionswerkzeug hergestellt. (Siehe Band Kunststoffverarbeitung früher Bild 5.41, ab 9. Auflage Bild 5.42 oder Bild III.10 in diesem Band, Vogel Buchverlag.)

5.7.13

Drahtabwickler, Drahtrichtgerät, Vorwärmgerät, Extruder mit Ummantelungskopf, Kühlung, Prüfgeräte, Abzug und Aufwicklung.

5.7.14

Der zu ummantelnde Draht wird durch die Mitte des Werkzeugs gezogen. (Siehe Band Kunststoffverarbeitung früher Bild 5.27, ab 9. Auflage Bild 5.28, Vogel Buchverlag).

5.7.15

Aus einem Shredder, Transportband mit Metallsuchgeräten, einer Schneidmühle, Waschanlagen, Trennanlagen nach dem Schwimm- und Sinkprinzip oder als Hydrozyklone, Trocknungsanlagen, Silomischer, Plastifiziereinheit (Extruder), Granulierung.

5.7.16

Durch die Reckung des Fadens erfolgt eine Orientierung der Polymere in Längsrichtung und dadurch eine Festigkeitssteigerung.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

41

5.7.17

Der RAM-Extruder besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder und einem Stempelkolben. Die Kunststoffformmasse wird im Zylinder nur erwärmt, nicht plastifiziert. Der Kolben verdichtet dann die Masse bei hohen Drücken, so dass der hochmolekulare Kunststoff gesintert (zusammengebacken) wird.

5.8

Produktionstechnik

5.8.1

Füllstandshöhe im Trichter, Temperatur der Formmasse im Zylinder und Werkzeug, Schneckendrehzahl, Schmelzdruck, Kalibriermaße, Stromaufnahme des Antriebs.

5.8.2

Wenn vorgegebene Grenzwerte nicht eingehalten werden, z.B. Warngrenzwerte aus der Qualitätsregelkarte (QRK).

5.8.3

Prozess- und Betriebsdaten werden durch Computer überwacht. Das Personal kontrolliert häufig nur noch die optische Qualität des Extrudats.

5.8.4

Erfasst und geregelt werden das Metergewicht und die Wanddicken über den Massedurchsatz bzw. die Abzugsgeschwindigkeit, die Folienbreite bei der Schlauchfolienextrusion durch die Blasluftmenge, die den Schlauchdurchmesser beeinflusst.

5.8.5

Durch den Einsatz einer Zahnradpumpe zwischen Zylinder und Werkzeug.

5.8.6

Die Schneckendrehzahl und die Abzugsgeschwindigkeit.

5.8.7

Reinigen der Maschinenteile, Schmiermittelergänzung, Ölwechsel, Wartung von Keilriemen, Ketten oder Kupplungen, Kalibrierung von Messgeräten.

5.8.8

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Tabelle 5.2, Vogel Buchverlag.

Werkstoff PE LD

Erzeugnis Temperaturen (°C)

Massedruck

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Zone 4

Kopf

Düse

(bar)

Rohre

125

125

130

130

130

135

100…170

Blasfolien

140

160

170

180

180

185

150…200

5.9

Fehler beim Extrudieren und ihre Beseitigung

5.9.1

Durch eine zu hohe Abzugsgeschwindigkeit entstanden Zwangsorientierungen der Polymere.

5.9.2

Die Temperatur des Werkzeugs muss erhöht werden.

5.9.3

Heizleistung der Bänder erhöhen oder den Fließwiderstand durch eine andere Lochscheibe erhöhen.

5.9.4

Die Wanddicke ist ungleichmäßig. Die Zentrierung muss verändert werden.

5.9.5

Die Oberfläche des Extrudats weist Feuchtigkeitsschlieren auf.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

5.10

Mathematische Aufgaben zum Extrudieren

5.10.1

185 Rohre

5.10.2

n = 254,6 min–1

5.10.3

M = 142 015 Nm

5.10.4

t = 3,2 h = 3 h, 12 min

5.10.5

m1 = 3,45 kg/m

5.10.6

F = 21 kN = 2100 daN

5.10.7

5,5 Jahre

5.10.8

P = 32,6 kW

5.10.9

20,16 €

5.10.10 F = 54,3 kN 5.10.11 s = 2,375 m 5.10.12 P = 2,97 kW η = 0,7 5.10.13 mZylinder = 1,327 kg/m mVierkant = 2,2 kg/m mSechseck = 2,4 kg/m 5.10.14 n = 729,2 min–1 5.10.15 a) F = 43 085 N b) υ = 1,76 5.10.16 Q = 74 MJ 5.10.17 145 A 5.10.18 υ = 29,8 m/min ≈ 0,5 m/s 5.10.19 A = 17,44 cm² (Dichte ρ = 1,38 g/cm³) Kunststoff PVC-hart

42

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

6

Herstellen von Formteilen durch Extrusionsblasformen

6.1

Allgemeines

6.1.1

Baugruppen: Extruder mit Umlenkwerkzeug und Blasstation mit Blaswerkzeug, Aufspannplatten und hydraulischer Schließeinheit.

43

Mit Hilfe des Extruders wird im 1. Schritt ein Schlauch (Vorformling) extrudiert. Der Vorformling wird dann in einem 2. Schritt im Blaswerkzeug zum Hohlkörper aufgeblasen. 6.1.2

Bei einem Hohlkörper ist der Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Öffnung. Hohlkörper sind demnach: Ball, Flasche und Benzinkanister.

6.1.3

Aus PE (ca. 85 % aller Formteile), PVC-U, und PP.

6.1.4

PE-Werkzeug mit radialer Anströmung (Pinole). Die Schmelze wird durch eine Herzkurve um den Dorn herum nach unten geführt (siehe Band Kunststoffverarbeitung, früher Bild 6.2, ab 9. Auflage Bild 6.4, Vogel Buchverlag). PVC-Werkzeug mit zentraler Anströmung (siehe Band Kunststoffverarbeitung früher Bild 6.3, ab 9. Auflage Bild 6.5, Vogel Buchverlag). Speicherwerkzeuge mit einem ringförmigen Speicher für große Blasteile (siehe Band Kunststoffverarbeitung, früher Bild 6.5, ab 9. Auflage Bild 6.7, Vogel Buchverlag)

6.1.5

Indem der Dorn oder das Mundstück am Extruderwerkzeug (Umlenkkopf) verstellt wird (siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 6.1, Vogel Buchverlag).

6.1.6

Die Herzkurve führt den Schmelzstrom um den Dorn herum nach unten und sorgt somit für eine gleichmäßige, homogene Fließfrontgeschwindigkeit bei der keine Bindenähte entstehen.

6.1.7

Die thermisch empfindliche Schmelze muss strömungsgünstig umgeleitet werden. Der Pinolenkopf erfüllt nicht diese Bedingung.

6.1.8

Mehrschichtblasköpfe (Coextrusionsblasköpfe), die von 2 oder mehr Extrudern mit Kunststoffschmelzen gespeist werden.

6.1.9

Die Barriereschicht verhindert das Ausgasen einer Flüssigkeit, z.B. bei einer Sprudelflasche (siehe Erläuterungen zur Mathematikaufgabe 6.3.3).

6.1.10

Das Blaswerkzeug wird zum Schlauchwerkzeug geführt und klemmt ein Schlauchstück ein. Dabei wird es gleichzeitig abgetrennt. Das Blaswerkzeug schwenkt zur Seite und der Vorformling wird aufgeblasen.

6.1.11

Der Vorformling wird durch das Werkzeug zusammengequetscht, wodurch eine Art Verschweißung zustande kommt. Der Staubalken sorgt dafür, dass beim Quetschen das Material nicht wegfließt.

6.1.12

Für den Flaschenhals ist eine austauschbare Kalibrierplatte im Werkzeug eingelassen. In Verbindung mit dem Blasdorn entsteht so eine definierte Öffnung und Formgebung.

6.1.13

Bei größeren Blasformteilen wird der Schlauch mit einer Spreizvorrichtung aufgeweitet. So erreicht man eine gleichmäßige Wanddickenverteilung beim Aufblasen.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

44

6.1.14

Beim Extrusionsstreckblasen wird der Vorformling in einer 1. Formgebungsphase im thermoelastischen Zustand vorgeblasen. Nach der Übergabe in eine 2. Blasform wird der Vorformling soweit abgekühlt, dass beim Fertigblasen eine Verstreckung (Zwangsorientierung) der Polymere erfolgt. Hierdurch wird u.a. eine Festigkeitssteigerung und eine höhere Transparenz der Formteile erreicht.

6.1.15

Das Werkzeug wurde zu schnell geschlossen. Die Luft zwischen dem Vorformling und der Werkzeugoberfläche konnte nicht schnell genug entweichen.

6.1.16

Im Bereich des Flaschenhalses sind die Materialquerschnitte am größten. Wegen dieser Werkstoffanhäufung muss intensiver gekühlt werden.

6.2

Spritzblasformen

6.2.1

a)

6.2.2

Das Spritzblasen ist für rotationssymetrische Hohlkörper z. B. Flaschen, Becher und Dosen bis zu einem Volumen von 2 Litern geeignet.

6.2.3

Eine Spritzblaseinheit besteht aus einer Plastifiziereinheit (Spritzeinheit) in der Preforms gefertigt werden und einer formgebenden Einheit für das Fertigteil (Blaseinheit).

6.2.4

Beim Einstufenverfahren wird der Vorformling direkt nach dem Spritzgießen in einer Blasstation zum Fertigteil aufgeblasen. Beim Zweistufenverfahren wird der Vorformling nach dem Spritzgießen zwischengelagert und erst später in einem Blaswerkzeug durch Streckblasenblasen zum Fertigteil aufgeblasen. Dies bietet den Vorteil, dass die Blasstation an einem anderen Ort als die Spritzgießmaschine stehen kann (z.B. bei Getränkeherstellern).

6.2.5

Die Herstellung von Spritzblasteilen ist sehr teuer, da jeweils ein Spritzgießwerkzeug und ein Blaswerkzeug benötigt wird.

6.3

Mathematische Aufgaben zum Extrusionsblasformen

6.3.1

G = 0,291 N V = 22,278 cm³

6.3.2

V=3l

6.3.3

Q = 0,476 cm³

6.3.4

V = 0,54 l

In einem ersten Schritt werden Vorformlinge, sogenannte „Preforms“ durch Spritzgießen hergestellt. In einem zweiten Schritt werden dann die Preforms in einer Blasstation zu einem Hohlkörper (Flasche) aufgeblasen. Dieses kann unmittelbar nach dem Spritzgießen erfolgen, oder aber nach einem Zwischenlagern später im Streckblasverfahren. b) Durch Spritzblasen wird eine hohe Maßhaltigkeit des Flaschenhalses (Gewinde) erreicht. Beim Blasformen ist die Gestaltung des Hohlkörpers durch das Formwerkzeug recht einfach und kostengünstig. Das Verfahren ist weitestgehend abfallfrei.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

7

Gießen von Folien

7.1

Allgemeines

7.1.1

Celluloseester zählt zu den ältesten Thermoplasten (1869). Es ist ein abgewandelter Naturstoff. Er hat eine amorphe Struktur, eine hohe Festigkeit, eine hohe Transparenz und einen hohen Oberflächenglanz.

7.1.2

Hauptanwendungsgebiet sind Filme im Bereich der Fotoindustrie, Folie zur Isolierungen bei Kondensatoren (Elektroindustrie).

45

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

46

8

Spritzgießen

8.1

Allgemeines

8.1.1

Für Massenartikel mit großer Stückzahl und technische Formteile.

8.1.2

Als Pulver oder Granulat.

8.2

Spritzgießmaschine

8.2.1

Aus den Baugruppen Schließeinheit, Spritzeinheit und dem Maschinenbett.

8.2.2

a)

8.2.3

Die notwendige Wärmeenergie wird über elektrische Heizbänder und zum Teil über die Scherwärme (Friktion) der Formmasse zugeführt.

8.2.4

Maschinen mit vertikalen Schließeinheiten, Maschinen mit schwenkbaren Schließeinheiten und Rundläufermaschinen.

8.2.5

Die Formmasse einziehen, fördern, aufschmelzen und homogenisieren.

8.2.6

Einzugszone, Kompressionszone und Ausstoßzone (Meteringzone).

8.2.7

Die Länge der Schnecke = 20 × Durchmesser der Schnecke.

8.2.8

Die Rückstromsperre verhindert ein Zurückfließen der Schmelze beim Einspritzen. Ohne diese Sperre ist der Einspritzdruck und Nachdruck nicht optimal einzustellen.

8.2.9

Die Düse ist die Verbindung zwischen Zylinder und Werkzeug. Sie setzt den Einspritzdruck in Geschwindigkeit der Masse um.

8.2.10

Der Düsenradius ist ca. 0,5…1 mm kleiner als der Radius der Angussbuchse am Werkzeug.

8.2.11

Bei hochviskosen (zähflüssigen) Schmelzen.

8.2.12

Eine Nadel verschließt federbelastet die Austrittsöffnung der Düse. Beim Beginn des Einspritzvorgangs entsteht ein Druck, der an der konisch geformten Nadelspitze eine Kraft entgegen der Federwirkung aufbaut. Dadurch wird die Öffnung freigegeben.

8.2.13

Sie muss das Werkzeug aufnehmen, das Werkzeug schließen, das Werkzeug gegen den Einspritzdruck zuhalten und das Werkzeug zum Entformen öffnen.

8.2.14

Eine feste Aufspannplatte, eine bewegliche Aufspannplatte, Holme, Schließsystem als Kniehebel oder mit Hydraulikzylindern, Maschinenbett.

8.2.15

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bilder 8.11 bis 8.13, Vogel Buchverlag.

Bauelemente der Spritzeinheit sind: Zylinder, Schnecke, Heizelemente, Düse und Antrieb. b) Aufgaben: Zylinder mit Schnecke: einziehen, fördern und plastifizieren der Formmasse. Heizelemente: Zufuhr der notwendigen Wärmeenergie zum Plastifizieren. Düse: Verbindungselement zwischen Zylinder und Werkzeug, setzt den Druck im Zylinder in Geschwindigkeit der Masse beim Einspritzen um. Antriebe: erzeugen eine rotierende und lineare Bewegung der Schnecke.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

47

8.2.16

Die Holme führen die bewegliche Aufspannplatte und müssen die Zuhaltekraft beim Einspritzen auffangen. Sie werden auf Dehnung beansprucht.

8.2.17

Die Schließkraft ist die notwendige Kraft zum Bewegen der Aufspannplatte. Die Werkzeugauftriebskraft ist die Kraft, die im Augenblick des Einsspritzens der Formmasse in das Werkzeug entsteht. Die Zuhaltekraft ist definiert als die Gesamtheit aller Kräfte, die beim Einspritzen auf die Holme wirken. Sie muss so bemessen sein, dass ein Auftreiben der Werkzeughälften durch die Schmelze verhindert wird. Hierbei muss die Federkonstante der Holme (elastisches Verhalten) durch eine Vorspannung berücksichtigt werden.

8.2.18

Zuhaltekraft = Einspritzdruck × projizierte Fläche der Kavität (Formteil).

8.2.19

Da die Holme extrem auf Dehnung beansprucht werden, muss eine Sicherheitsgrenze beachtet werden. Außerdem wird so der Maschinenverschleiß verringert.

8.2.20

Werkzeugtemperiergeräte zur Verkürzung der Zykluszeiten und damit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Trocknungsanlagen zur Vermeidung von Ausschuss bei hygroskopischen Formmassen.

8.2.21

Die Entgasungsschnecke hat eine Dekompressionszone. Siehe Band Kunststoffverarbeitung, früher Bild 5.12, ab 9. Auflage Bild 5.13 und Bild 8.15, Vogel Buchverlag. Flüchtige Bestandteile (Feuchtigkeit) in der eingezogenen Formmasse werden in der 1. Meteringzone durch Druck- und Temperaturanstieg gasförmig. In der Dekompressionszone werden diese Gase freigesetzt und können durch ein Vakuum abgesaugt werden.

8.2.22 Vorgetrocknet werden müssen folgende Formmassen: PMMA, PA, PC, PBT, PET, ABS, Blends aus PC wie z. B. ABS

8.3

Verfahrenstechnik beim Spritzgießen

8.3.1

Werkzeug öffnen – entformen – Werkzeug schließen – Düse anfahren – einspritzen – nachdrücken – dosieren/plastifizieren – kühlen.

8.3.2

a)

Die Schnecke wird beim Fördern in ihrer Rückwärtsbewegung durch ein Drosselventil abgebremst. Dadurch entseht ein Druck im Sammelraum vor der Schneckenspitze. b) Der Staudruck wird über den Druck in der Hydraulik ermittelt. c) Der Staudruck dient zur gründlicheren Homogenisierung der Schmelze.

8.3.3

Die Schnecke führt folgende Bewegungen aus: a) rotierende Bewegung während des Einziehens und Förderns der Formmasse. b) lineare Bewegung während des Einspritzens (Kolbenwirkung der Schnecke).

8.3.4

Der Dosierweg wird nach der Volumengröße des Formteils eingestellt. Er sollte zwischen 4 × D und 1 × D eingestellt werden. (D = Schneckendurchmesser).

8.3.5

Dosieren und plastifizieren.

8.3.6

Eine zu lange Verweilzeit der Formmasse im Sammelraum vor der Schneckenspitze kann zu einer thermischen Schädigung der Schmelze führen.

8.3.7

Bei zu groß eingestelltem Dosierweg können Schlieren oder Luftbläschen an der Oberfläche des Formteils auftreten. Bei einem zu kleinen Dosierweg wird die Verweilzeit der Schmelze im Zylinder unnötig verlängert. Es kann zur thermischen Schädigung der Schmelze kommen.

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

48

8.3.8

Eine lineare Bewegung (Kolbenbewegung).

8.3.9

a) Der Nachdruck gleicht die Volumenschwindung beim Abkühlen des Formteils aus. b) Der Nachdruck wird zeitabhängig gesteuert. c) Beginnend mit dem letzten Einspritzdruck sollte er in mehren Stufen verringert werden (pro Stufe ca. 30…50 % weniger). Die Höhe des Nachdruckes richtet sich nach den Qualitätsanforderungen wie der Maßhaltigkeit, der Oberflächenbeschaffenheit und der Spannungsarmut des Formteils. d) Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Tabelle 8.5, Vogel Buchverlag.

8.3.10

Siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 8.61 und Bild 8.62, Vogel Buchverlag. Die Durchmesserunterschiede zwischen dem Hydraulikkolben des Schneckenantriebs und dem Schneckendurchmesser ergeben eine Druckübersetzung. Die Durchmesser stehen dabei im umgekehrten Verhältnis wie die Drücke.

8.3.11

Temperatur: Zeit: Druck: Geschwindigkeit:

8.3.12

Die Einspritzzeit, die Nachdruckzeit, die Nachkühlzeit, die Zeit zum Öffnen des Werkzeugs, die Entformzeit und die Zeit zum Schließen des Werkzeugs.

8.3.13

Auf optische Fehler des Formteils, u.a. Oberfläche und Konturausformung.

8.3.14

Schlechte Oberflächenbeschaffenheit, Orientierung und damit Spannungen im Formteil und zu hohe Kristallinität bei teilkristallinen Thermoplasten.

8.3.15

Dadurch kann der Füllvorgang des Werkzeugs optimiert werden. Langsames Einspritzen zu Beginn verhindert u.a. die Freistrahlbildung. Langsameres Einspritzen zum Ende kann Überspritzen verhindern und ermöglicht eine genauere Umschaltung auf Nachdruck.

8.3.16

Im Prinzip erfolgt sie nach den Vorgaben: langsam – schnell – langsam.

8.3.17

Geringere innere Spannungen im Formteil, Materialeinsparung durch Gewichtsoptimierung und Minimierung des Verzugs eines Formteils.

8.3.18

Friktionswärme entsteht durch Scherung (innere Reibung) in der Schmelze. Durch Anhaften der Kunststoffteilchen an der Zylinderwand entstehen unterschiedliche Fließfrontgeschwindigkeiten im Fließkanal. An der Zylinderwand tendiert die Geschwindigkeit gegen 0, während sie zur Fließkanalmitte die höchste Geschwindigkeit erreicht.

8.3.19

Indem die Werkzeugtemperatur möglichst hoch gewählt wird.

8.3.20

Am Ende der Verdichtungsphase, siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 8.65, Vogel Buchverlag.

8.3.21

Kurven siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 8.67, Vogel Buchverlag. Das Erstarren der teilkristallinen Bereiche führt auch zu einem schnellen Volumenschwund und damit zu einem Druckabfall im Werkzeug.

Massetemperatur und Werkzeugtemperatur Einspritzdruck, Nachdruck und Kühlzeit Einspritzdruck, Nachdruck und Staudruck Einspritzgeschwindigkeit (linear) und Schneckendrehzahl

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

49

8.4

Spritzgießwerkzeuge

8.4.1

Feststehende Werkzeughälfte, bewegliche Werkzeughälfte, Angusssystem, Auswerfersystem und Kühlsystem.

8.4.2

Kunststoffformmasse in die Kavität leiten, Formgebung der Masse, Masse kühlen und Formteil auswerfen.

8.4.3

Die Kanalsysteme im Werkzeug, die die Formmasse zur Kavität leiten und in dem die Formmasse erstarrt, bezeichnet man insgesamt als Angusssystem. Dazu gehören: Angussstange, Angusskegel, Verteilerkanäle und der Anschnitt.

8.4.4

Die Kavität ist das Formnest im Werkzeug.

8.4.5

Der Kreisquerschnitt hat gegenüber anderen Querschnitten die geringste Oberfläche. Somit kühlt die Schmelze im Fließkanal nicht so schnell ab.

8.4.6

Ein Mehrfachwerkzeug hat 2 und mehr Kavitäten (Formnester).

8.4.7

Kegel- oder Stangenanguss: Bei zähflüssigen oder temperaturempfindlichen Schmelzen. Punktanguss: Angussloses Spritzen. Häufig bei Mehrfachwerkzeugen mit Isolierverteilern oder bei Heißkanalwerkzeugen. Tunnelanguss: Ähnlich wie der Punktanguss. Schirmanguss: Bei ring- oder hülsenförmigen Teilen. Der Massestrom wird nicht geteilt. Ringanguss: Bei längeren rohrförmigen Teilen.

8.4.8

Der Punktanguss bedarf keiner Nacharbeit, er ist angusslos.

8.4.9

Bei Formteilen mit Hinterschneidungen (siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 8.30, Vogel Buchverlag.

8.4.10

Die Vorkammerbuchse (mit oder ohne Heizung) sorgt für eine «plastische Seele».

8.4.11

Es müssen ausreichend schnelle Zyklen gefahren werden, damit die plastische Seele nicht einfriert.

8.4.12

Bei großen, mehrfach angespritzten Formteilen und in Mehrfachwerkzeugen, wenn die Angussverteiler nicht mit entformt werden sollen.

8.4.13

Der Anschnitt ist der Übergangsquerschnitt vom Fließkanal zum Formteil.

8.4.14

Durch Führungsbolzen und Führungsbuchsen in den Werkzeughälften.

8.4.15

Durch im Werkzeug eingebaute Lamellenpakete oder Entlüftungseinsätze aus porösem Material und durch eingeschliffene Entlüftungskanäle in den Trennebenen der Werkzeughälften.

8.5

Formteilgestaltung

8.5.1

Beim Quellfluss fließt die Formmasse gleichmäßig vom Anschnitt in das Formnest vorwärts und füllt die Kavität. Im Inneren verbleibt eine plastische Seele, die ein Nachfließen der Schmelze ermöglicht (wichtig für den Nachdruck).

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

50

8.5.3

Bei längerer Lagerung und bei späterer Erwärmung werden Molekülorientierungen abgebaut. Dieses kann eine Veränderung der Maßhaltigkeit bewirken. Minimiert werden kann die Nachschwindung u.a. durch höhere Werkzeugtemperaturen, durch höhere Verarbeitungsdrücke und durch den Zusatz von Verstärkerstoffen.

8.5.4

Molekülorientierungen können zum Verzug von Formteilen führen.

8.5.5

Spannungen entstehen durch unterschiedlich starke Volumenveränderungen in Teilbereichen eines Formteils, hervorgerufen z.B. durch ungleichmäßige Abkühlung. Spannungen entstehen aber auch durch Überspritzungen eines Formteils. In beiden Fällen entstehen unerwünschte Molekülorientierungen.

8.5.6

a) b) c) d) e) f)

8.6

Vermischtes

8.6.1

Sie entstehen durch eine ungenügende Füllung der Kavität. Gegenmaßnahmen können sein: Massepolster erhöhen, Nachdruck oder Nachdruckzeit erhöhen,

8.6.2

Es ist eine zu hohe Restfeuchtigkeit im Granulat.

8.6.3

Bei einem Abreißwerkzeug wird beim Öffnen der Punktanguss am Formteil abgerissen, so dass Formteil und Angusssystem getrennt entformt werden müssen.

8.6.4

Die Zuhaltekraft erhöhen, die Dosierung oder den Nachdruck verringern.

8.6.5

Die Drehzahl der Schnecke erhöhen.

8.6.6

U.a.: Eine NC-Steuerung zur Regelung des Spritzgießprozesses. Automatische Materialversorgungsanlagen. Handhabungsautomaten und/oder Roboter zum Entformen und zur Nacharbeit des Formteils.

8.6.7

Über Drucksensoren im Spritzgießwerkzeug.

8.6.8

Die Einbauhöhe eines Werkzeugs ist das Einbaumaß eines geschlossenen Werkzeugs gemessen über die Aufspannplatten (siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 8.16, Vogel Buchverlag.

8.6.9

Druck, Temperatur und Zeit

8.6.10

Es ist die Zuhaltekraft.

8.8

Mathematische Aufgaben zum Spritzgießen

8.8.1

Typ 1600-675

8.8.2

n = 1460 Formteile/h

geringe Wanddicken vorsehen, Wanddicken gleichmäßig halten, Masseanhäufungen vermeiden, scharfe Kanten und Ecken vermeiden, Entformungsschrägen einplanen, Hinterschneidungen vermeiden.

50

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung 8.8.3

υ = 0,94 m/s

8.8.4

n = 202 min–1

8.8.5

V = 1522 cm³

8.8.6

Dosierweg = 87 mm (ca. 2,5 · D)

8.8.7

Dosierweg = 5,3 cm

8.8.8

m = 31,91 g

8.8.9

Dosierweg = 20,3 cm

8.8.10

t = 42 s

8.8.11

a) p = 65 bar b) p = 83 bar

8.8.12

1250 Teile

8.8.13

σ = 69,2 N/mm²

8.8.14

43,3 %

8.8.15

Ι = 74,75 A

8.8.16

F = 488,58 kN

8.8.17

n = 1094 min–1

8.8.18

F = 89,76 kN

8.8.19

a) Q = 2049,6 kJ b) V = 98 l

8.8.20

p = 93,36 bar

8.9

Ablaufsteuerung einer Spritzgießmaschine

8.9.1

Aufgabe der Stellglieder I : steuert das Öffnen und Schließen des Kniehebels (Werkzeug) II: steuert die Rotation der Schnecke beim Dosieren III : steuert das Einspritzen und Nachdrücken IV : steuert den Vorschub und Rückzug der Spritzeinheit

51

Aufgabe der Wegbegrenzer: E1: begrenzt den Rückzug der Spritzeinheit E2: schaltet den Schneckenrücklauf (Dosierung) aus E3: spricht an, wenn der Kniehebel gestreckt ist (Einspitzvorgang kann beginnen) E4: stoppt den Vorlauf der Spritzeinheit (Düse liegt an) E5: begrenzt den Einspritzweg (schaltet auf Nachdruck um)

51

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

52

Aufgabe der Baueinheit V (Drosselrückschlagventil) Mit Hilfe des Drosselrückschlagventils das in der Rückleitung des Schneckenvorschubzylinders eingebaut ist, kann der Staudruck eingestellt werden. Sinnbilder I, III,IV

Sinnbild II

8.9.2

Zeitabhängige Steuerung: – Einspritzzeit (Geschwindigkeit) – Nachdruckzeit

8.9.3

Stufenlose Drehzahl- und Drehmomentenregelung.

8.9.4

Der Endschalter signalisiert, das der Kniehebel gestreckt ist und der Einspritzvorgang beginnen kann.

8.9.5

Das Wegeventil III schaltet den Schneckenvorschub zum Einspritzen und Nachdrücken ein. (E5 begrenzt den Einspritzweg und schaltet auf Nachdruck um.)

8.9.6

Das Dosiervolumen wird durch die Wegbegrenzer E2 eingestellt.

8.9.7

Das Füllvolumen (Einspritzweg) wird durch den Wegbegrenzer E5 und der Nachdruckzeit bestimmt.

52

Teil II / Lösungen zur Kunststoffverarbeitung

53

9

Herstellen von Formteilen durch Pressen

9.1

Formmassen und ihre Aufbereitung

9.1.1

Härtbare Formmassen bestehen aus Harz, Füllstoffen und Farbstoffen.

9.1.2

Die Anlieferung erfolgt als Pulver, Granulat, in teigiger Form oder als Prepregs. Zugemischt werden müssen im Aufbereitungsprozess Füllstoffe, Farbstoffe, Zuschlagstoffe für die Verarbeitung und eigenschaftsverändernde Verstärkerstoffe.

9.1.3

Aufbereitungsverfahren:

Verfahrensablauf: Unterschiede:

Schmelzflussverfahren, Flüssigharzverfahren, Prepregverfahren (SMC), siehe Band Kunststoffverarbeitung, Bild 9.1 und 9.2, Vogel Buchverlag, Beim Schmelzflussverfahren werden Feststoffkomponenten aufbereitet. Beim Flüssigharzverfahren wird flüssiges Harz aufbereitet. Im Prepregverfahren imprägniert man Glasfasermatten mit Harz.

9.1.4

Beim Imprägnieren werden feste Stoffe in einer Flüssigkeit feinst verteilt (Einmischen der Zuschlagstoffe in das Harz.)

9.1.5

Dosieren:

Tablettieren:

Vorplastifizieren:

Volumetrisch bei rieselfähigen Formmassen. Gravimetrisch bei Formmassen mit Faser- oder Schnitzelfüllstoffen. Sehr genaue Dosierung mit dem Vorteil, dass Tabletten vorgewärmt werden können, um die Zykluszeit bei Pressen zu verringern. Wirtschaftliches Verfahren zum Füllen der Pressform.

9.1.6

Die Formmasse muss rieselfähig, also pulverig oder körnig sein.

9.2

Pressverfahren

9.2.1

Durch Zufuhr von Wärme, das Werkzeug wird geheizt.

9.2.2

Höhere Auslastung der Pressen, Schonung der Werkzeuge durch besseres Fließverhalten der Masse, und verbesserte Oberflächenqualität der Formteile.

9.2.3

Werkzeug öffnen – Dosieren – Werkzeug schließen – Pressen und aushärten des Formteils – Werkzeug öffnen und entformen.

9.2.4

Aus Matrize und Patrize.

9.2.5

Beim Pressen wird die Formmasse in ein geöffnetes Formwerkzeug eingebracht. Beim Spritzpressen wird die Formmasse unter Druck in ein Formnest gespritzt. Dabei entstehen nachteilige Orientierungen der Füllstoffe.

9.2.6

Formmasse Typ 131:

Presstemperatur: 145…150 °C Pressdruck: