Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten


Studienarbeit, 2018

46 Seiten, Note: 1,4


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Bildverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1.Einleitung
1.1.Studienarbeitsthema
1.2.Definition Thermoplaste

2.Thermoplaste
2.1.Chemischer Aufbau
2.2.Mechanische Eigenschaften
2.3.Anwendungsgebiete
2.4.Grenzen der Thermoplaste
2.5.Hochleistungskunststoffe

3.Stahl
3.1.ChemischerAufbau von Stahl
3.2.Mechanische Eigenschaften von Stahl
3.3.Anwendungen von Stahl
3.4.Grenzen von Stahl

4.Aluminium
4.1.Chemischer Aufbau von Aluminium
4.2.Mechanische Eigenschaften von Aluminium
4.3.Anwendungen von Aluminium
4.4.Grenzen von Aluminium

5.Vergleich der mechanischen Eigenschaften

6.Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten
6.1.Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
6.1.1.Kunststoffadditive
6.1.2.Chemische Vernetzung durch Peroxide
6.1.3.Strahlenvernetzung
6.2.Anwendungsgebiete der mechanisch verbesserten Thermoplaste
6.3.Grenzen der verbesserten Thermoplaste

7.Auswahlhilfe für ausgewählte Kunststoffe

8.Fazit

9.Literaturverzeichnis

Bildverzeichnis

Abbildung 1 Arten der Kunststoffe [1]

Abbildung 2 Festigkeit von Thermoplasten [2]

Abbildung 3 Festigkeit von Duroplasten [3]

Abbildung 4 Struktur eines Thermoplasts [4]

Abbildung 5 Spannungs-Dehnungs-Diagramm fürThermoplaste [5]

Abbildung 6 Zugfestigkeiten der Thermoplaste

Abbildung 7 Elastizitätsmodul von Thermoplasten

Abbildung 8 Verpackung aus thermoplastischem Kunststoff

Abbildung 9 Werkstücke aus Hochleistungskunststoff

Abbildung 10 Chemischer Aufbau von Eisen

Abbildung 11 Spannungs-Dehnungs-Diagramm fürStahl

Abbildung 12 Zahnrad aus Stahl

Abbildung 13 Chemischer Aufbau von Aluminium

Abbildung 14 Spannungs-Dehnungs-Diagramm fürAluminium

Abbildung 15 Rohkarosserie aus Aluminium

Abbildung 16 Eigenschaften der natürlichen Calciumcarbonate

Abbildung 17 Kupplungspedal aus kohlestofffaserverstärktem Kunststoff

Abbildung 18 Klassifikation der Kunststoffe

Abbildung 19 Strahlenvernetzbare Polymere

Abbildung 20 Kriechverhalten von PA-6

Abbildung 21 Erhöhung der Festigkeit von PA-6

Abbildung 22 Verbesserung des Verschleißkoeffizienten von PA-6

Abbildung 23 Leitungen aus strahlenvernetzbaren Kunststoffen

Abbildung 24 Rohr aus strahlenvernetzbaren Kunststoffen

Abbildung 25 Auswahlhilfe für ausgewählte Kunststoffe

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Vergleich der Dichte derWerkstoffe

Tabelle 2 Vergleich der Zugfestigkeit der Werkstoffe

Tabelle 3 Vergleich der Streckgrenze (Dehngrenze) der Werkstoffe

Tabelle 4 Vergleich der Elastizitätsmoduln der Werkstoffe

Tabelle 5 Vergleich der Härte der Werkstoffe

Tabelle 6 Auswahlhilfe für die Wahl des Additives

1. Einleitung

1.1. Studienarbeitsthema

Diese Studienarbeit soll die Möglichkeiten zurVerbesserung der mechanischen Ei­genschaften von Thermoplasten behandeln. Dabei soll auf die Verfahren zurVer­besserung der mechanischen Eigenschaften, sowie die möglichen Einsatzgebiete der „verbesserten“ Thermoplaste eingegangen werden. Des Weiteren werden die mechanischen Eigenschaften der Thermoplasten mit denen von Aluminium und Stahl verglichen. Der Abschluss ist eine Auswahlhilfe der Thermoplasten.

1.2. Definition Thermoplaste

Thermoplaste sind eine Unterart der Kunststoffe. Die Kunststoffe werden unterteilt in Elastomere, Duroplaste und Thermoplaste. Diese drei Arten der Kunststoffe un­terscheiden sich in ihrem chemischen Aufbau und ihren daraus resultierenden phy­sischen und thermischen Eigenschaften.

Elastomere sind Kunststoffe, welche eine feste, elastische Masse besitzen. Duro­plaste besitzen dagegen eine harte, spröde und nicht schmelzbare Masse. Die Thermoplaste zeichnen sich durch eine chemische Beständigkeit, Zähigkeit und Isoliereigenschaften aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Arten der Kunststoffe [1]

Unter diesen drei Arten der Kunststoffe, stellen die Thermoplaste die größte pro­zentuale Anzahl dar. „Thermoplaste haben unter den Kunststoffen [...] die größte Bedeutung hinsichtlich Produktionsmenge und Anwendungsvielfalt“ [Cornelia Fi­scher u.a., 2016, S.71], Die Anwendungsvielfalt ergibt sich aus den thermischen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Abbildung 2 geht hervor, dass die Festigkeit von Thermoplasten bei zuneh- menderTemperatursinkt. Die Festigkeit geht im thermoplastischen Bereich in eine Art teigartigen Zustand über. Der thermoplastische Bereich befindet sich zwischen 150°C und 200°C. In diesem Bereich lassen sich die Thermoplaste schweißen und warmumformen. Ein Beispiel für Thermoplaste ist Polystyrol (PS), welches für Ver­packungsmittel verwendet wird.

Im Gegensatz zu den Thermoplasten bleibt die Festigkeit der Duroplaste bei zuneh­mender Erwärmung nahezu unverändert fest und hart, wie in der Abbildung 3 er­sichtlich. Die Festigkeit der Elastomere verhält sich bei Erwärmung gummielastisch bis zur Zersetzung.

2. Thermoplaste

2.1. ChemischerAufbau

Die Thermoplaste zeichnen sich innerhalb der Polymere durch lineare oder ver­zweigte Ketten von Makromolekülen aus. Diese Makromoleküle werden untereinan­der „ausschließlich durch sekundäre Bindungskräfte zusammengehalten“ (Verar­beitung, S.17). Durch diese Molekülketten kann es nie zu einer vollständigen Kris­tallisation des Thermoplasts kommen. Die Struktur eines Thermoplasts ist damit entweder amorph oderteilkristallin (siehe Abbildung 4). Diese Strukturen sind auch außerhalb des Thermoplasts erkennbar.

kristalliner Bereich

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

amorph teil kristallin

Abbildung 4 Struktur eines Thermoplasts [4]

„Im normalen Gebrauchsbereich (Raumtemperatur) verhalten sich Thermoplaste spröde (amorphe Thermoplaste) oder zähelastisch (teilkristalline Thermoplaste)“ (Verarbeitung, S.17). Durch das Erwärmen der Thermoplaste können diese jedoch in den Zustand des plastischen Fließens überführt werden (vergleiche Abbildung 2). Dieser Zustandswechsel von dem festen in den plastischen Zustand und umge­kehrt, kann durch das Erwärmen und Abkühlen der Thermoplaste beliebig oft wie­derholt werden.

2.2. Mechanische Eigenschaften

Thermoplaste besitzen aufgrund der „geringen Distanz zwischen Gebrauchs- und Glastemperatur eine ausgeprägte Abhängigkeit des mechanischen Verhaltens von der Temperatur“ [Georg Abts, 2016, S.36]. Aufgrund dieser Abhängigkeit muss „die Erwärmung durch das Strecken [bei der Spannungs-Dehnungs-Analyse] berück­sichtigt werden“ [Georg Abts, 2016, S.36].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Spannungs-Dehnungs-Diagramm fürThermoplaste [5]

Man erkennt, dass im Gegensatz zur Keramik das Spannung und Dehnung bei Thermoplasten nicht proportional zueinander sind. Daher ist die Kurve die Thermo­plaste im Spannungs-Dehnungs-Diagramm nicht linear. Aufgrund dieses Verhal­tens werden Thermoplaste „in der Regel nur mit geringen Spannungen, also im un­teren Teil derSpannungs-Dehnungs-Kurve belastet“ [Georg Abts, 2016, S.37],

Unter den Thermoplasten unterscheiden sich die Zugfestigkeiten untereinander. Dabei beschreibt die Zugfestigkeit die maximale Zugspannung, welche ein Werk­stoff aushalten kann. In Abbildung 6 sind unterschiedliche Kunststoffe dargestellt. Hartsteife Thermoplaste wie Polyamid (PA) oder auch Polycarbonate (PC) weisen eine Zugfestigkeit von 50 bis 80 N/mm[[2]] auf, wohingegen Polyethylen (PE) oder Po­lypropylen (PP) Zugfestigkeiten zwischen 30 und 40 N/mm[[2]] besitzen. Im Gegensatz zu Stahl, welches eine Zugfestigkeit zwischen 300 und 1500 N/mm[[2]] aufweist, kön­nen also Thermoplaste nurfürschwach belastete Bauteile verwendet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Zugfestigkeiten derThermoplaste [6]

Die Formsteifigkeit von Werkstoffen wird durch das Elastizitätsmodul definiert. Das Elastizitätsmodul bei Thermoplasten liegt zwischen 500 und 3500 N/mm[[2]] bei einer Raumtemperatur von 20°C. Man erkennt in Abbildung 7, dass bei steigender Tem­peratur das Elastizitätsmodul sinkt. Im Gegensatz zu Stahl, welches ein Elastizitäts­modul von 210000 N/mm[[2]] besitzt, erkennt man, dass Thermoplaste einer hohen mechanischen Belastung nicht standhalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Elastizitätsmodul von Thermoplasten [7]

Die Härte von Thermoplasten wird durch die Härteprüfung nach Shore ermittelt. Da­bei drückt ein federbelasteter Stift aus gehärtetem Stahl mit einer bestimmten Kraft in einen Probekörper aus Kunststoff und misst die Eindringtiefe. Da Thermoplasten als „weiche“ Werkstoffe im Gegensatz zu Metallen bezeichnet werden, findet die Messung deren Härten selten Anwendung. Die Thermoplaste besitzen eine Shore Härte von 40 (Polyethylen low densitiy; PE-LD) bis zu 80 (Polymethylmethacrylat; PMME) (gemessen nach Shore Methode D mit einer einwirkenden Kraft von 80 N).

2.3. Anwendungsgebiete

Die thermoplastischen Kunststoffe besitzen ein großes Anwendungsgebiet. Sie werden aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften oft für die Verpackungsindustrie aber auch für mechanische Funktionsteile im Maschinenbau verwendet.

Thermoplaste können zu unterschiedlichen Produkten, auch Formteile genannt, verarbeitet werden. Hierbei wird je nach herzustellendem Formteil das entspre­chende Verfahren gewählt. Für die Herstellung von Klappverpackungen eignet sich zum Beispiel das Warmumformen von Thermoplasten, für die Herstellung von Ma­schinenteilen das Spritzgießen. Alle Fertigungsverfahren für die Formteile haben jedoch die Gemeinsamkeit, dass sie die thermischen Eigenschaften der Thermo­plaste nutzen. Die Thermoplaste werden in den thermoelastischen / thermoplasti­schen Bereich erwärmt und anschließend umgeformt. Die Abbildung 8 zeigt eine Verpackung welche durch das Verfahren Warmumformen hergestellt wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 Verpackung aus thermoplastischem Kunststoff [8]

2.4. Grenzen der Thermoplaste

Durch ihre begrenzten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Metallen kön­nen Thermoplaste nicht überall eingesetzt werden. Grenzen für Thermoplaste sind zum Beispiel Anwendungen, welche hohe Belastungen oder hohe Temperaturen zur Folge haben. Zum Beispiel kann eine Welle bestehend aus einem Thermoplas­ten nicht ohne Verbesserung der mechanischen Eigenschaften als Antriebsstrang in einem Auto verwendet werden. Durch die hohen mechanischen und thermischen Belastungen würde die Welle aus thermoplastischem Kunststoff hierbei versagen.

2.5. Hochleistungskunststoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9 Werkstücke aus Hochleis­tungskunststoff [9]

Eine Abhilfe dagegen verschaffen Hochleis­tungskunststoffe. Hochleistungskunststoffe sind eine Untergruppe der thermoplastischen Kunststoffe, unterscheiden sich aber in ihren Ei­genschaften. Sie weisen eine bessere Tempe­raturbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und mechanische Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie in Anwendun­gen eingesetzt, welche Randbedingungen wie erhöhte Belastungen aufweisen, bei welchen normale thermoplastische Kunststoffe versa­gen würden.

Der Nachteil der Hochleistungskunststoffe liegt in ihren Herstellkosten. Obwohl die hohe Temperaturbeständigkeit als Vorteil in der späteren Anwendung gesehen wird, ist diese nachteilig in der Fertigung. Zur Um­formung dieser Thermoplaste muss deutlich mehr Energie aufgebracht werden, um das Thermoplast in den thermoelastischen / thermoplastischen Bereich zu erwär­men. Daraus resultieren hohe Fertigungskosten und geringe Stückzahlen der Form­teile aus Hochleistungskunstoff.

Stahl

3. Stahl

Als Stähle werden Werkstoffe bezeichnet, welche zum größten Teil aus Eisen be­stehen. Dabei ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, wobei der Kohlenstoff­Massenanteil maximal 2,06 % beträgt. Bei einem höheren Kohlenstoffanteil spricht man von Gusseisen. Baustahl besitzt eine Dichte von p = 7,85 g/cm[[3]], wodurch er im Vergleich zu den Thermoplasten als schwerer Werkstoff betrachtet werden kann.

3.1. ChemischerAufbau von Stahl

Eisen, der Hauptbestandteil von Stahl, liegt je nach seiner Temperatur in einem unterschiedlichen Raumgitter vor. Unter einer Temperatur von 911°C liegt Eisen in einem kubisch raumzentrierten Gitter vor, bei einer Temperatur über 911°C in einem kubisch flächenzentrierten Gitter. Dabei wird Eisen, welches in einem kubisch raum­zentrierten Gitter vorliegt, als a-Eisen bezeichnet. Eisen in einem kubisch flächen­zentrierten Gitter wird als Y-Eisen bezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10 ChemischerAufbau von Eisen [10]

3.2. Mechanische Eigenschaften von Stahl

Die mechanischen Eigenschaften von Stahl hängen ab von der Sorte des Stahls. Dabei unterscheidet man zwischen unlegierten Stählen, legierten Stählen und Ein­satzstählen. Die am häufigsten im Maschinenbau als Konstruktionswerkstoff ver­wendete Stahlsorte ist der Baustahl, eine unlegierte Stahlsorte. Im Folgenden wer­den vorrangig die mechanischen Eigenschaften von Baustahl betrachtet.

Stahl

Im Gegensatz zu den Thermoplasten hat Baustahl bessere mechanische Eigen­schaften in Bezug auf seine Belastbarkeit. Dabei liegt die Zugfestigkeit von unle­gierten Baustählen zwischen 340 bis 510 N/mm[[2]], wobei hochfeste Stähle Zugfes­tigkeiten von über 1000 N/mm[[2]] erreichen können. Die Zugfestigkeit wird bei Metal­len gleich definiertwie bei Thermoplasten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für Stahl. Die Zugfestigkeit wird hierbei durch Rm angegeben und die Streckgrenze durch Rei_. Die Streckgrenze beschreibt die Zugspannung, bis zu welcher ein Werkstoff belastet werden kann, ohne sich danach bleibend plastisch zu verformen. Wird der Werkstoff nur bis zu dieser Spannung belastet, so verformt er sich elastisch in seinen Ausgangszustand zurück. Baustahl besitzt eine ausgeprägte Streckgrenze, welche durch die Waag­rechte nach Erreichen des Punktes Rei_ sichtbar ist. Die Streckgrenze von Baustahl liegt zwischen 185 und 355 N/mm[[2]].

Der Elastizitätsmodul von Baustahl hat den Wert 210000 N/mm[[2]]. Im Gegensatz zu Thermoplasten ist der Elastizitätsmodul von Stahl höher, was bedeutet, dass Stahl steifer im Vergleich zu Thermoplasten ist (vgl.: Elastizitätsmodul von Thermoplasten zwischen 500 und 3500 N/mm[[2]]).

[...]

Ende der Leseprobe aus 46 Seiten

Details

Titel
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten
Hochschule
Duale Hochschule Baden Württemberg Mosbach
Note
1,4
Autor
Jahr
2018
Seiten
46
Katalognummer
V517950
ISBN (eBook)
9783346116406
ISBN (Buch)
9783346116413
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Kunststoff, Thermoplaste, Eigenschaften, Verbesserung, Vergleich, Eisen
Arbeit zitieren
Dennis Ekkert (Autor:in), 2018, Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/517950

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