Einsatz von Polymeren

  Werkstoffkunde -Labor Mark Brandner und Raphaël Murswieck  

Inhaltsverzeichnis zu Werkstoffkundelabor Kunststoffe

  Maschinen zur Verarbeitung von Thermoplasten  

1.  Spritzgießen  

1.1  Spritzgießmaschine  

2.  Extrudieren  

2.2  Extrudiermaschine  

3.  Tiefziehen  

3.3  Tiefziehmaschine  

  Untersuchte Kunststoffarten  

4.  Polyethylen PE  

5.  Polypropylen PP  

6.  Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate ABS  

7.  Polystyrol PS  

8.  Polymethylmethacrylat PMMA  

9.  Polyamide PA  

10.  Polyalkylenterephthalate PBTP  

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1.Spritzgießen von Thermoplasten

Allgemeines

Das Spritzgießen ist ein wichtiges Verarbeitungsverfahren vor allem für thermoplastische Kunststoffe.

Die Maschine besteht aus einem Plastifizierzylinder mit einer integrierten Förderschnecke, dem Stoßzylinder sowie einer mehrteiligen Werkzeug- Hohlform. (siehe Abbildung auf nächster Seite)

Funktionsprinzip

Das eingefüllte Kunststoffgranulat wird im Plastifizierungszylinder erwärmt und zähflüssig gemacht. Beim Spritzhub drückt der Kolben des Stoßzylinders die Schnecke nach vorne uns spritzt die weiche Kunststoffmasse mit hoher Geschwindigkeit in den Werkzeughohlraum.

Die Werkzeughälften sind gekühlt um so ein schnelles Abkühlen der Masse zu gewährleisten. Während des Auswurfs des Werkstücks wird die Schnecke wieder zurückgefahren und ein neuer Fertigungszyklus kann beginnen.

Vorteile

Die Vorteile des Spritzgießens bestehen in der schnellen und kostengünstigen Herstellung in einem Arbeitsgang, selbst von komplizierten Werkzeuggeometrien. Meist ist eine Nachbearbeitung nicht erforderlich. Allerdings lohnt sich Spritzgießen nur bei Massenteilen, da die Herstellung der Werkzeugformen sehr kostenintensiv ist.

Anwendungen

Zu den typischen Spritzgußerzeugnissen zählen neben Eimern, Bierkästen, Gehäuse für Fernseh, -Rundfunk- und Küchengeräte auch Massenteile für Kraftfahrzeuge, wie Zahnräder und Schrauben oder aber auch Großteile wie Telefonzellen.

Duroplaste und Elastomere

In beschränktem Umfang werden auch Duroplaste und Elastomere durch Spritzgießen verarbeitet. Dabei wird der Plastifizierungszylinder nur soweit erwärmt, daß eine ausreichende Plastizität der Kunststoffmasse erreicht wird. Das Werkzeug ist stark erwärmt, da hier die Aushärtung in der Wärme erfolgt.

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1.1. Schaubild der Spritzgießmaschine

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2. Extruder

Allgemeines

Das Extrudieren gehört zu den vielseitigsten Verfahren zur thermoplastischen Verarbeitung von Kunststoffen.

Funktionsprinzip

Der Extruder ist eine stetig arbeitende Schneckenstrangpresse mit einer vorgesetzten Profildüse. Das Kunststoffgranulat wird durch die rotierende Schnecke zuerst verdichtet, entgast, erwärmt und dadurch plastifiziert. Das Schmelzen des Granulats erfolgt zum einen durch die Reibung der sich verdichtenden Masse sowie durch Heizaggregate an der äußeren Zylinderwand der Schnecke. Die Schnecke drückt die Kunststoffmasse fortlaufend durch eine Profildüse, welche am Ende des Zylinders aufgeschraubt ist. Dort tritt sie als Strang in Form der formgebenden Düse aus.

Die Schnecke selbst hat einen zur Düse hin zunehmenden Durchmesser um die Kunststoffmasse zu verdichten und einen Druck aufzubauen. Es entsteht ein Druckabfall bei Austritt der Masse aus der Düse. Der Querschnitt der Austrittsöffnung der Düse bestimmt das Profil des austretenden Stranges. Es können runde oder aber auch flache Profile verwendet werden.

Zur weiteren Verarbeitung und um den Kunststoffstrang in seine Endform zu bringen, wird es durch einen evakuierten Raum geleitet. Da in dem Kunststoffstrang noch der normale Luftdruck herrscht, wird der Strang an den Innendurchmesser eins Kupferrohres gedrückt und erhält somit seine endgültige Form.

Anwendungen

Zu den typischen Extrudererzeugnissen zählen Platten, Bänder, Stäbe, Profile wie z.B. Fensterrahmen, Rohre oder Gartenschläuche.

Es können aber auch schlauchartige Profile zum anschließenden aufblasen, z. B. von Flaschen oder Tanks, gepresst werden, welche nicht sofort in einem Tauchbad gekühlt werden.

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2.1 Schaubild des Extruders

Einfachschnecke

Doppelschnecke

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3. Tiefziehen

Allgemein

Die Tiefziehmaschine (auch als Verpackungsmaschine bekannt) wird zum Formen von Platten und Folien aus thermoplastischen Kunststoffen angewendet. Das Tiefziehen kann auf Pressen (wie Spindelpressen, Exzenterpressen oder hydraulischen Ober- und Unterkolbenpressen) oder auf Spezialmaschinen durchgeführt werden.

Funktionsprinzip

Die Halbzeuge (also Kunststoffplatten) werden gleichmäßig auf die optimale Temperatur des jeweils eingesetzten Kunststoff aufgeheizt und mittels Vakuum, Druckluft und mechanischer Kräfte umgeformt.

Damit auch feine Konturen, die durch einfaches aufziehen der warmen Platte nicht geformt werden können, ebenfalls abgebildet werden können, werden ganz feine Löcher an die entsprechen Stellen gebohrt. Durch Vakuum an der Unterseite des Werkstückes wird nun der gewärmte Kunststoff durch die Löcher an die Form angesaugt.

Abgesehen von den üblich angewandten Warmformverfahren (Biegen, Ziehformen) arbeitet man meist mit automatisierten Thermoformmaschinen. Das Erwärmen des in einem Spannrahmen fest fixierten Halbzeugs erfolgt in der Regel mit Infrarot- Flächenstrahlern (Keramik oder Quarzstrahler).

Beim Tiefziehen von dünnen PC-Folien kann auch kalt gearbeitet werden. Beim Warmformen unterscheidet man grundsätzlich zwischen dem Negativ- und dem Positivverfahren. Bei der Negativformung wird das erwärmte Halbzeug in den konkaven Formholraum gesaugt oder gedrückt, beim Positivformen auf ein Konvex- Modell (Positiv-Formkern) gesaugt. Die am Werkzeug anliegende Seite wird glatter und maßgenauer.

Das Tiefziehen mit Gegenform besteht aus Stempel und Gesenk. Der niederfahrende Stempel drückt die erwärmte Folie in die Form, die dadurch die gewünschte Kontur annimmt.

So geformte Werkstücke weisen eine gute Maßhaltigkeit auf.

Anwendung

Die Spanne der so hergestellten Teile reicht von Verpackungsbehältern für die Konsumgüterindustrie bis hin zu Großformteilen wie z.B. Fassadenelemente, Sanitärzellen, Container, Spielzeugen {PAGE }

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4.1 Schaubild der „Verpackungsmaschine“

Formstation

Positiv- / Negativformverfahren

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4. Polyethylen PE

Allgemeines

Das Gefüge von Polyethylen besteht aus unpolarer teilkristalliner Thermoplaste mit unterschiedlichem Verzweigungsgrad und besitzt eine niedrige Dichte. PE sieht ungefärbt milchig weiß aus und ist nur bei sehr dünnen Folien fast glasklar. Die mechanischen Eigenschaften sind abhängig von der Kristallinität und vom Polymerisationsgrad. So besitzt PE ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften und kann kurzzeitig bis zu 105°C und höher thermisch beansprucht werden.

Bei unserem Brennversuch brennt es mit bläulicher Flamme und tropft brennend ab. PE ist beständig gegen Säuren, Laugen, Salzlösungen, Wasser usw., versprödet jedoch bei direkter Sonneneinstrahlung und ist durchlässig gegenüber Gas und Sauerstoff und somit ungeeignet für z.B. Getränkeflaschen.

Verarbeitung

Verarbeitet wird PE hauptsächlich durch Spritzgießen aber auch durch Extrudieren und Extrusionsblasen.

Anwendungsbeispiele

Im Maschinen- und Fahrzeugbau wird PE werden hauptsächlich Handgriffe, Verschlußstopfen, Dichtungen, Batteriekästen, Kraftstoffbehälter, oder Autoinnenverkleidungen verwendet.

In der Elektrotechnik wird PE hauptsächlich zur Isolierung von Hochspannungskabeln, Instalationsrohre und Verteilerdosen verwendet.

Im Bauwesen werden Rohleitungen für Trink- und Abwasser sowie Abdeckfolien und Heizöltanks aus PE hergestellt.

Technische Daten:

0,914..0,96 g/cm 3

Dichte:

Zugfestigkeit:

E-Modul:

Reißdehnung: 300..1000 % {PAGE }

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5. Polypropylen PP

Allgemein

Das Gefüge besteht weitgehend aus unpolarer Thermoplaste mit Kristallinität zwischen 60% - 70% und besitzt eine Dichte von 0,9g/cm 3 bis 0,91 g/m 3 .

PP ist ungefärbt schwach transparent und ist mit vielen Farben gedeckt einfärbbar bei hohem Oberflächenglanz.

Zu den mechanischen Eigenschaften zählen seine hohe Steifigkeit, Härte und Festigkeit, besitzt aber eine niedrigere Kerbschlagzähigkeit als PE. Um PP als Konstruktionsteile zu verwenden ist eine Verstärkung mit Glasfasern möglich.

Die elektrischen Eigenschaften sind ähnlich wie bei PE. Es besitzt wegen seiner hohen Isolierungseigenschaften die Neigung zu elektrostatischer Aufladung und Staubanziehen.

Bei hohen Temperaturen neigt reines PP zur Oxidation. Seine obere thermische Belastung liegt bei ca. 110°C.

Bei unserem Brennversuch stellte sich heraus das es ein ähnliches Brennverhalten aufweißt wie PE, auch PP brennt mit gelber Flamme mit blauen Kern und tropft brennend ab. Außerdem ist PP beständig gegenü ber wässrigen Lösungen sowie schwache anorganische Säuren und Laugen.

Bei erhöhten Temperaturen ist PP unbeständig gegen Benzin, Benzol und Halogenkohlenwasserstoffe.

Verarbeitung

PP ist hervorragend geeignet zum Spritzgießen, Extrudieren und Extrusionsblasen, wobei Hohlkörper mit hoher Formbeständigkeit erzeugt werden können.

Anwendungsbeispiele

Im Maschinen- und Fahrzeugbau werden aus PP hauptsächlich Lüfterflügel, Gaspedale, Pumpengehäuse, Abdeckplatten sowie Ventilatoren hergestellt. Typische Haushaltsartikel sind Innenteile von Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinentrommeln, sowie Staubsaugerteile und kochfeste Folien. In der Elektrotechnik findet PP vor allem als Kabelanschlüsse, Trafogehäuse, und Antennenteile Verwendung.

Technische Daten

Dichte 0,9....0,91 g/cm³

Zugfestigkeit 29 N/m²

E-Modul 1100...1600 N/m² {PAGE }

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6. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate ABS

Allgemein

Das Gefüge von ABS besteht aus amorpher Thermoplaste mit großen Variationsmöglichkeiten im Aufbau und besitzt eine höhere Dichte im Vergleich zu Wasser. ABS ist gelblich- weiß und gedeckt in allen Farben einfärbbar, es besitzt eine matte Oberfläche und bei Sondertypen auch glasklar. Bei Temperaturen bis –40°C zeigt sich eine hohe Steifigkeit und Zähigkeit. Außerdem ist es kratzfest und besitzt eine hohe Schlag- und Kerbschlagzähigkeit. ABS hat einen hohen Oberflächen- und Durchgangswiderstand bei nur sehr geringer elektrostatischer Aufladung. ABS ist bis ca. 100°C einsetzbar. Bei dem Brennversuch brannte es mit rußender Flamme, aber ohne abzutropfen.

Beständig ist ABS gegen Wasser, wässrige Salzlösungen und Laugen. Unbeständigkeit besteht gegenüber konzentrierte Mineralsäuren und chlorierte Kohlenwasserstoffe. ABS wird vorwiegend durch Spritzgießen und Extrudieren verarbeitet, kann aber auch sehr gut warmumgeformt werden.

Anwendungsbeispiele

In der Feinwerk- und Elektrotechnik werden aus ABS hauptsächlich Gehäuseteile für Fernseh- und Rundfunkgeräte, sowie Fotoapparate, Telefone- und Lampen hergestellt. Im Fahrzeugbau werden Karosserieteile, Armaturenbretter, Mittelkonsolen und Frontspoiler gefertigt.

Weitere Anwendungen sind zum Beispiel Sitzschalen, Hocker, Gehäuseteile und Küchenmaschinen.

Technische Daten

1,03 g/m 3 bis 1,07 g/m 3

Dichte

E-Modul 2200...2800 N/m² Zugfestigkeit 35-45 N/m² {PAGE }

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7. Polystyrol PS

Allgemein

Polystyrol besitzt ein Gefüge aus amorpher Thermoplaste mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme und besitzt eine Dichte von 1,05 g/m 3 .

PS ist glasklar, zeigt einen hohen Oberflächenglanz und ist und ist in allen Farben durchsichtig und gedeckt einfärbbar.

Zu den mechanischen Eigenschaften zählen eine hohe Steifigkeit, Härte und ist sehr spröde. Allerdings ist PS sehr Kerbempfindlich. PS besitzt gute elektrische Widerstandswerte und sehr gute dielektrische Eigenschaften. Es ist bis 70°C, Sondertypen bis 80°C thermisch einsetzbar. Bei dem Brennversuch zeigte sich das PS gut und mit stark rußender Flamme brennt, jedoch ohne abzutropfen.

PS ist beständig gegen Laugen, Alkohole und Mineralssäuren. Gegen organische Lösungsmittel wie Benzin oder Aceton ist PS jedoch unbeständig.

Verarbeitung

Das am häufigsten eingesetzte Verfahren um PS zu verarbeiten, ist Spritzgießen; jedoch kann es auch Extrudiert- und Warmumgeformt werden.

Anwendung

Polystyrol wird hauptsächlich in der Verpackungsindustrie verwendet wo Verpackungen mit hohem Oberflächenglanz und Durchsichtigkeit benötigt werden, wie z.B. Kosmetika, Schreibwaren und Medikamentenverpackungen. In der Feinwerk- und Elektrotechnik werden Schaugläser, Tonbänder, Relaisteile und Spulenkörper aus PS gefertigt. Verwendung findet PS aber auch als Wegwerfgeschirr und -besteck sowie Modeschmuck oder aber auch CD-Hüllen.

Technische Daten

1,05 g/m 3 .

Dichte

E-Modul 3000 N/mm² Zugfestigkeit 55 N/mm²

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8. Polymethylmethacrylat PMMA

Allgemeines

PMMA besteht aus amorpher Thermoplaste einer höheren Dichte als Wasser. PMMA ist glasklar und besitzt einen hohen Oberflächenglanz mit hoher Brillanz und kristallklarer Durchsicht. Bekannte Handelsnamen sind z.B. Plexiglas © oder Elvacite © (Herstellerabhängig).

PMMA besitzt gute Zug-, Druck- und Biegefestigkeit, ist allerdings nur gering verformbar und weitgehend kratzfest.

Zu den elektrischen Eigenschaften zählen ein guter Oberflächenwiderstand, sowie Krichstromfestigkeit. PMMA ist optisch sehr hochwertig, besitzt keine Eigenfarbe und ist sehr gut lichtdurchlässig. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 65°C und auch bei niedrigen Temperaturen ist es beständig.

Beim Brennversuch zeigt sich, dass es praktisch rückstandslos und ohne abzutropfen mit knisternd leuchtender Flamme verbrennt.

PMMA ist beständig gegenüber wässrigen Säuren, Laugen und Alkohol, jedoch unbeständig gegenüber Spiritus und Nitrolacke.

Verarbeitung

Spritzgießen, Extrudieren und Warmumformen gehören zu Hauptverarbeitungs- verfahren von PMMA.

Anwendung

In der Optik wird PMMA zu Brillengläsern, Lupen, Linsen, Prismen und Lichtleitfasern verarbeitet. Im Haushalt werden Schüsseln, Becher und Bestecke aus PMMA gefertigt.

In der Elektrotechnik findet PMMA Einsatz als Bedienungsknöpfe, Abdeckungen oder Leuchtenabdeckungen.

Auch bruchsichere Dachverglasungen, Oberlichter, sowie Gewächshäuser werden im Bauwesen angewandt. Aber auch im Modellbau und in der Werbetechnik findet PMMA ein breites Anwendungsspektrum.

Technische Daten

je nach Art von 1,08 g/m 3 bis zu 1,18 g/m 3

Dichte

Zugfestigkeit:

E-Modul:

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9. Polyamide PA

Allgemein

Polyamide bestehen aus teilkristalliner Thermoplaste mit feinsphärolithischem Gefüge mit einer höheren Dichte als Wasser. PA ist ungefärbt milchig und in allen Farben gedeckt einfärbbar, amorphe Polyamide fast glasklar. Die mechanischen Eigenschaften reichen von guter Schlagzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit bis zu hoher Ermüdungsfestigkeit.

PA besitzt einen günstigen Oberflächenwiderstand ist jedoch für Isolierungen nicht geeignet wegen hoher dielektrischer Verluste. Die obere Gebrauchstemperatur ist je nach Typ zwischen 80°C und 120°C. Bei unserem Brennversuch brannte PA bläulich mit gelbem Rand, tropfte knisternd ab und zog lange Fäden.

Beständig ist PA gegenüber Benzin, Öl, Fett und Alkohol. Nicht beständig dagegen weißt es gegenüber Mineralsäuren, starke Laugen und Phenole auf.

Verarbeitung

Wegen seiner ausgezeichneten Fließfähigkeit und Erstarrungsgeschwindigkeit ist Spritzgießen sehr gut möglich, aber auch Extrudieren und Warmumformen sind häufig angewande Verfahren.

Anwendung

Im Maschinenbau und der Feinwerktechnik werden Zahnräder, Riemenscheiben, Steuerwalzen, sowie Laufrollen und Nockenscheiben gefertigt. Im Fahrzeugbau wird PA zu Ölfilter, Ölwannen und Lagerbuchsen verarbeitet. In der Elektrotechnik werden Spulenkörper, Verteilerkästen Motorengehäuse und Elektrowerkzeuge hergestellt.

Technische Daten

zwischen 1,01 g/m 3 und 1,14 g/m 3 .

Dichte

E-Modul 1700 N/mm² Zugfestigkeit 57 N/mm2

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Werkstoffkunde -Labor

10. Polbutylenterephthalate PBTP

Allgemein

PBTP ist ein teilkristalliner, thermoplastischer Kunststoff mit einer Dichte von 1,29 g/m 3 . PBTP ist wegen seiner hohen Kristallinität opak weiß und hat einen hohen

Oberflächenglanz, ist in allen Farben gedeckt einfärbbar. Zu den mechanischen Eigenschaften gehören eine leichte Verarbeitbarkeit und eine gute Zähigkeit auch bei tiefen Temperaturen.

PBTP hat günstige elektrische Isolierungseigenschaften und ein günstiges dielektrisches Verhalten.

PBTP ist gut wärmebeständig, einsetzbar von –60°C bis 110°C und kurzzeitig auch höher. PBPT brennt mit stark rußender Flamme und tropfend ab.

Beständigkeit besteht gegenüber wässrigen Lösungen, Salze und Öle. Unbeständig ist PBTP gegenüber heißem Wasser, Aceton, Säuren und Laugen.

Verarbeitung

Verarbeitet wird PBTP sehr gut durch Spritzgießen, Extrudieren und Warmumformen.

Anwendung

Maßhaltige technische Funktionsteile mit guten Gleiteigenschaften werden unter anderem aus PBTP hergestellt. In der Feinwerktechnik- und Elektrotechnik werden Gleitelemente, Steuerscheiben, Lager und Zahnräder aus PBTP hergestellt. Im Maschinenbau kommt PBTP hauptsächlich als Gleitlager, Führungen und Kupplungen zum Einsatz.

Andere Anwendungsbeispiele sind Küchengeräte sowie Schläuche und Rohre. {PAGE }