4 Modifikation des Werkstoffes und der Werkstoffeigenschaften

Einteilung in organisch (Holzmehl, Zellulose, Flachs, …) und anorganisch:

Gründe für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind:

• geringes spezifisches Gewicht

• in weiten Grenzen einstellbare Steifigkeit

• hohe Flexibilität der Formgebung

• gute Chemikalienbeständigkeit

• gute Däpfungseigenschaften

• hohe Schwing- und Dauerfestigkeit

Werkstoffe sind im Allgemeinen Glas, Kohlenstoff oder Aramid, aber auch Biomaterialien wie Flachs oder Zellulose werden eingesetzt.

Additive werden in der Regel in deutlich geringeren Anteilen (1-5%) zum Polymer zugegeben als Füll- und Verstärkungsstoffe (10-50%). Häufig verwendete Additive sind:

• Stabilisatoren

  Um Kunststoffe vor Verwitterung zu schützen, werden Stabilisatoren zur Verbesserung der Resistenz ggü. UV-Strahlung, Luftsauerstoff und Feuchtigkeit hinzugegeben, die ansonsten zur Kettenspaltung führen können.

• Antistatika

  Um die elektrostatische Aufladung der Kunststoffe im (Weiter-) Verarbeitungsprozess zu verhindern, werden Antistatika verwendet.

• Farbmittel

  Farbmittel werden dem Kunststoffgranulat meist in Form eines sogenannten Masterbatches zugefügt, das ein Kunststoffgranulat mit konzentriertem Farbmittel ist.

• Gleit- und Antiblockmittel

  Antiblockmittel verhindern das Anhaften von Kunststoffen untereinander. Gleitmittel sorgen für ein Gleiten z. B. auf Walzen oder anderen Teilen in der Weiterverarbeitung.

• Haftvermittler

  Um das Funktionsspektrum zu erweitern, werden mehrere Kunststoffe in verschiedenen Schichten innerhalb z.B. einer Folie kombiniert. Da viele Kunststoffe zueinander nicht kompatibel sind und daher nicht aneinander haften, werden Haftvermittler eingesetzt, die die Haftung verschiedener Kunststoffe aneinander ermöglichen.

Unter Masterbatches versteht man Zuschlagstoffe in granularer Form, die das wirksame Additiv in hoher Konzentration (bis zu 80 Vol.-&) enthalten. Sie werden in folgende Kategorien unterteilt:

• Farb-Masterbatches

• funktionale Masterbatches

• Kombinations-Masterbatches

Man unterscheidet Polymere aus einem (Homopolymere), aus zwei (Copolymere) oder drei verschiedenen Monomeren (Terpolymere)

In Copolymeren können die Monomereinheiten verschiedene Anordnungen einnehmen:

• Polymerblends sind Mischungen von zwei oder mehreren Polymeren, um Eigenschaften zu erreichen, die ein einzelnes Polymer nicht erreichen kann.

• Wichtige Voraussetzung für Polymerblends ist die Mischbarkeit der jeweiligen Polymere, die – entgegen häufiger Annahmen – zumeist nicht gegeben ist.

• Wenn zwei Polymere nicht mischbar sind, kommt es zu einer mehrphasigen Struktur, deren Phasenanbindung untereinander schlecht ist, ähnlich einer Emulsion.

• Durch den Einsatz von Compatibilizern oder durch reaktives Blenden können auch unverträgliche Polymere geblendet werden.

• Compatibilizer sorgen, ähnlich wie Haftvermittler, für eine bessere Kopplung der Phasen.

• Beim reaktiven Blenden werden die zu blendenden Polymere chemisch aneinander gebunden, z. B. in Form eines Copolymers.

• Die am häufigsten optimierten Eigenschaften sind die Schlag- und die Kerbschlagzähigkeit.

• Bauteile oder Halbzeuge mit geschäumten Kern und kompakter Oberfläche werden als Integralschäume bezeichnet.

• Sie zeichnen sich durch eine geringe Dichte bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften aus.

• Vorteile einer Dichteverminderung sind eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bzw. gute thermische Isolation, verbeserte mechanische und akustische Dämpfungseigenschaften sowie eine höhere Steifigkeit bei gleichem Bauteilgewicht

• Einsatz in: Bauindustrie (thermische oder Akustische Dämmmaterialien), Automobilindustrie (Instrumententafel), Verpackungsindustrie, Möbelindustrie

• Chemische Treibmittel werden beim Schäumen von Thermoplasten in Form von Masterbatches dem Prozess zugegeben. Sie werden in endotherme und exotherme Treibmittel unterschieden

• Vorteile sind eine einfache Dosierung und die Einsatzmöglichkeit auf Standardverarbeitungsmaschinen.

• Nachteile sind der hohe Preis, Produktionsrückstände im Produkt und die begrenzte Dichtereduktion, s.u..

• Physikalische Treibmittel werden über einen Injektor in die Thermoplastschmelze eingebracht.

Anmerkung: Das spezifische Volumen ist der Kehrwert der Dichte.

Die Eigenschaften eines Kunststoffproduktes werden immer auch durch den Verarbeitungsprozess geprägt. Die wesentlichen Randbedingungen, die durch die Verarbeitung vorgegeben werden, betreffen Temperatur, Strömungsfeld und Druck. Diese Größen unterliegen bei Kunststoffverarbeitungsprozessen großen zeitlichen und lokalen Variationen, was einen Einfluss auf Kristallisation, Orientierung und Eigenspannung hat.

Mit steigendem Kristallisationsgrad sind folgende Eigenschaftsveränderungen beispielsweise einer Kunststofffolie zu erwarten:

• Steigerung der Barriere gegen Gase und Flüssigkeiten

• höhere Wärmeleitfähigkeit

• höhere Steifigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit

• geringere Transparenz

• geringerer Glanz

• geringere Zähigkeit

Die wichtigste kristalline Überstruktur bei den teilkristallinen Thermoplasten ist die sphärolithische. Sie entsteht durch lamellenförmiges, radiales Wachstum, welches nur durch Temperatur und Druck beinflusst werden kann. Sind die Polymerketten stark verstreckt und orientiert, ändert sich die runde Form der Kristallisationskeime zu zylindrisch. Die durch ein tellerförmiges Wachstum entstehende Stuktur wird Shish-Kebab genannt.

Eigenspannungen sind innere mechanische Spannungen, die ohne die Einwirkung äußerer Kräfte oder Momente im Bauteil vorliegen. Durch Verarbeitungsprozesse thermoplastischer Kunststoffe können Eigenspannungen im Bauteil induziert werden. Sie entstehen aufgrund inhomogener Abkühlbedingungen. Die Eigenspannungen können die Bauteileigenschaften maßgeblich beeinflussen. Sie können beispielweise thermisch induziert oder druckinduziert sein.

Thermisch induzierte Eigenspannung:

+ druckinduzierte Eigenspannung:

Die wichtigsten chemischen Alterungsvorgänge sind:

• Oxidation

• Molekulargewichtsabbau

• Hydrolyse

• Nachpolymerisation