Matrixwerkstoffe

• Verpackungen

• Gebäude und Konstruktion

• Automobil

• Elektronik

• Haushalt und Sport

• Landwirtschaft

• andere

Vorteile:

• leicht in der Regel beständig gegen Säure

• wärmeisolierend

• schlagdämpfend

• preiswert

• gut zu verarbeiten

• recyclefähig (aber zu teuer im Vergleich zu Neuware)

• Thermoplaste wieder aufschmelzbar

• Energierückgewinnung bei Verbrennen

• Langzeitbeständig, z.B. PVC hart

Nachteile:

• geringe Festigkeit

• manchmal unbeständig gegen Lösungsmittel

• schalldurchlässig

• geringe Steifigkeit

• Emissionen u.a. durch Additive

• sortenrein zu trennen (gilt für alle Werkstoffe bei Wiederverwertung auf hohem Eigenschaftsniveau)

• geringere Wärmeleitfähigkeit

• evtl. Risiko durch Additive

• erdölbasiert (nachteilig solange über 90% Erdölabhängigkeit bei Verkehr und Heizung/Strom/Energie)

• Alterungsschutzmittel

• Antioxidantien

• Beschleuniger

• Brandschutzmittel

• Dispergiermittel

• Emulgatoren

• Farbmittel

• Formtrennmittel

• Härter

• Haftvermittler

• Inhibitoren

• Initiatoren

• Lösungsmittel

• Weichmacher

Kunststoffe sind…

• Mokromolekular - Riesenmolekül, Molmasse ≥ 10^4 g/mol

• hochpolymer - große Zahl sich wiederholender (gleichartiger) Moleküle

• synthetisch - ganz oder teilweise z.B. Celliloseacetat

• hauptsächlich organischer Natur

• Metallische Bindung

• Ionenbindung

• Kovalente Bindung

• Zwischenmolekulare Kräfte

Struktur:

• Metallgitter aus positiven Ionen

• Freibewegliche Valenzelektronen

EIgenschaften:

• hohe el. und therm. Leitfähigkeit

• el. Leitfähigkeit steigt bei sinkender Temeratur

• hohes Reflexionsvermögen

Bindungsenergie: 0,42 - 2,07 eV

Beipeile: Metalle und deren Legierung

Struktur:

• Ungerichtete polare Bindung

• 2 ver. Elemente tauschen Außenelektronen um jeweils die Edelgaskonfiguration zu erreichen

Eigenschaften:

• Isolator bei tiefen Temperaturen

• Ionenleitng bei hohen Temperaturen

• keine IR-Absorption

• Diamagnetisch

Bindungsenergie: 4,15-20,73 eV

Beispiele:

• Alkalihalogenide

• Ionomere

Struktur:

• Bildung von gemeinsamen Elektronenpaaren

• Unpolare Bindungsart

Eigenschaften:

• Gerichtete Bindungen

• Isolatoren, Halbleiter

• Hoher Schmelzpunkt

• IR-Absorption

Bindungsenergie: 3,11-7,25 eV

Beipiele: Intramolekulare Bindungen von Polymeren

Struktur: Schwache Anziehungskräfte zwischen polaren Molekülen

Eigenschaften:

• Ungerichtete Bindung

• Starke Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Belastung

• Stark komprimierbar

Bindungsenergie: 0,002-0,26 eV

Beispiel: Dipol-Wechselwirkungen —> Intermolekulare Bindungen

Primärstruktur - das chemische Aufbauprinzip eines Moleküls aus den Atomen

• bei der Synthese des Polymers festgelegt und nicht mehr veränderbar

• Typ und Verknüpfungsart der Atome in der Grundmolekülkette: Polyethylen oder Polysiloxan

• Art der Endgruppen und Substituenten: Polystyrol oder Polyvinylalkohol

• Art der Länge der Verzweigungen

• Molmasse

• Einbau von Fremdmolekülen

• Möglichkeiten der rümlichen Anordnung der Seitengruppen

  • Bei gleichbleibender Konstruktion

• Je regelmäßiger die Anordnung, umso höher ist Kristallationsgrad

• Gestalt der Makromoleküle im Raum

  • bei gleichbleibender Konfiguration

• Verdrehungen um die Bindungsachse

• Grundlagen der Knäulstruktur

• Je leichter verdrehbar, umso höher ist der Kristallationsgrad

  • heteroatome in der Hauptgruppe haben Scharnierwirkung, z.B. O,N,…

    —> hieraus resultiert auch der enorm hohe Kistallisationsgrad von POM (bis zu 85%)

• Entscheidend für das mechanische und thermische Verhalten sowie die physikalischen und chemischen Eigenschaften

• Füllstoffe ermöglichen die Beeinflussung des Eigenschaftsprofils

  -> meist Verbesserung einer Eigenschaft auf Kosten einer anderen

• Überwiegend duromere Harze und thermoplastische Kunststoffe im Einsatz

• Thermoplasten gewinnen zunehmend an Bedeutung

• Äußere Kräfte in die Fasern einleiten und von Faser zu Faser übertragen

• Gestalt des Bauteils sichernDie Fasern zusammenhalten und einen Minimalabstand gewährleisten

• Überbeanspruchungen ausgleichen

• Die Fasern vor Umgebungseinflüssen schützen

Erst die Matrixeigenschaften ermöglichen es die Fasereigenschaften zu nutzen

Werkstoffseitig:

• Beständigkeit

• Brandverhalten

• Bruchverhalten

• Elektrische Eigenschaften

• Mechansiche Eigenschaften

• Temperaturgrenzen

Fertigungsseitig:

• Härtungsverhalten

• Verarbeitungszeit

• Viskosität

Kettenpolymeristation:

• Verbindung der Ketten vor allem über C-C Bindungen hergestellt

• Ein Reaktionsschritt löst den nächsten aus

• Keine Bildung von Abspaltprodukten, keine Umlagerung wie bei Polyaddition

Katalytische Polymeristation:

• Gezielte Förderung einer Reaktion durch Katalysatoren

Radikalische Polymerisation:

• gleiche oder ähnlische Monomere als Basisstoffe -> mit Doppelbindungen

Polyaddition:

• gleiche oder verschiedenartige Monomere -> benötigen reaktionsfähige, funktionelle Endgruppen

• Verbindung oft durch Heteroatome in der Hauptkette (z.B. O, N,…)

• Dadurch oft geringere Beständigkeit gegen Heißwasser, Säuren und Laugen

Polykondensation:

• auch hier gleiche oder verschiedenartige Monomere -> benötigen reaktionsfähige, funktionelle Endgruppen

• Einzelne Reaktionsschritte laufen unabhängig voneinander ab

• Verknüpfung der Monomere mit der Abspaltung eines Reaktionsprodukts verbinden -> dieses stört das Reaktionsgleichgewicht und muss abgeführt werden

Schwindung: Volumenverringerung = ansteigende Dichte

• chemische Veränderung einer Struktur durch eine chemische Umsetzung

• Schwindung kann auch eine anisotrope Ausprägung haben - siehe Holz

• Schwindung führt in aller Regel zu einer Volumenreduktion, inneren Spannungen und wenn anisotrop, dann zu Verzug

Schrumpf: Thermische Schwindung - Masse bleibt konstant

Vernetzung: Feste kovalente Bindungen zwischen den Molekülen

Elastomere sind weichmaschig vernetzt

• Gut verformbar durch Netzverzerrung

• Nach der Entlastung -> Rückkehr des Materials in Ausgangslage

Duromere sind engmaschig vernetzt (dreidimensional vernetzter Werkstoff)

• Verzerrungen sind kaum möglich

Duromere/Elastomere sind nach der Vernetzung nicht mehr schmelzbar

• Verkokeln und zersetzen sich bei weiterer Temperaturerhöhung

• Engmaschige, räumliche Vernetzung

• Haupterweichungsbereich > 50°C

• Einteilung nach Verarbeitungsverfahren

• Sehr häufig als Matrixwerkstoff in Faserverbunden eingesetzt

Vorteile:

• Oft kaltaushärtend durch exotherme Vernetzungsreaktion

• Niederdruckaushärtung ermöglicht kostengünstigere Verfahren

• Große Bauteile durch händische Verarbeitungsverfahren möglich

• Gute Temperatur- und Fauerbeständigkeit

• Hohe Festigkeit und Steifigkeit

• Geringes bis kein Kriechen

Nachteile:

• Chemische Reaktionen und Aushärtungsprozess muss beherrscht werden

• Flüssige Teilkomponenten nur beschränkt lagerfähig

• Teilweise gesundheitsschädigende Reaktionsnebenprodukte

• Recycling schwieriger

• Geringere mechanische Dämpfung (im Vergleich zu TP)

Harze die durch radikalische Polymerisation aushärten

• Radikalische Polymerisation bedingt kürzere Härtungszeiten

• Durch hohe Vernetzungsdichte meist geringere Zähigkeit

• Bsp.: UP (ungesättigte Polyester) und VE (Vinylester) Harze

Harze die durch Polyaddition oder -kondensation aushärten

• Meist bessere Eigenschaften

• Abscheidungsprodukte müssen ggf. abgeführt werden

• Bsp.: Epoxid- und Phenolharze

• schnelle aushärtend

• seltener in modernen Hochleistungsanwendungen angewendet

• hoher Härtungsschwund von 6-10%

• maximal 6 Monate lagerbar -> gekühlt und lichtgeschützt

• stark exotherme Reaktion mittels radikalischer Polymerisation -> basierend auf Dicarbonsäure und Glykol

• Einsatztemperatur bis ca. 125°C möglich

• Häufig für SMC Herstellung verwendet

• Meistverwendeter Matrixwerkstoff in Hochleistungsanwendungen

• Härtungsverlauf durch Reaktionspartner einstellbar -> Zugabe von Härter

• Für alle gängigen Fertigungsverfahren anwendbar

• Geringere Schwindung von 0,5-1,2% und geringe Verzugsgefahr

• Harzsysteme mit Glastemperaturen von bis zu 250°C möglich

• Einsatztemperatur meist bis ca. 180°C

• gehören zur gleichen Familie wie UP-Harze

• Zusammensetzung aus einer Lösung ungesättigter Säuren und Epoxid

• Im Vergleich zu UP-Harzen…

  • bessere mechanische Eigenschaften

    • geringere Anzahl Doppelbindungen

    • Doppelbindungen nur am Kettenende

  • bessere Chemikalien- und Hydrolysebeständigkeit

  • Warmformbeständiger

  • Teurer

• Herstellung durch Kondensation von Phenolen mit Formaldehyd (leicht exotherm)

  • Anfallenden Resole und Novolake können dann ausgehärtet werden

• Härtungsprozess durch Polykondensation mit Wasserdampfabscheidung

  • Führt zu Problemen bei der Herstellung

  • Wasser kann zu Rissen und Poren im Laminat führen

• Sehr gutes Branverhalten

  • Sehr viel im Einsatz bei der Inneneinrichtung von Flugzeugen

• Hohe thermische und oxidative Stabilität

• Einsatztemperatur bis ca. 220°C möglich

• Gute Chemikalenbeständigkeit

• Durch hohe Vernetzungsdichte sehr spröde

Vorteile:

• einfache Anwendung

• gute Haftung an GF

• gute chemische Beständigkeit

• durchsichtige Varianten möglich

• geringe Kosten

Nachteile:

• nur mittlere mechanische Eigenschaften

• Entflammbar

• geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit

• starke Schwindung (6-10%)

• geringe Hitzebeständigkeit

Vorteile:

• mechanische / chemische Eigenschaften

• gringe Schwingung (1%)

• selbstverlöschend

• antistatisch

• gute Haftung auf Fasern und Metallen

• Anwendung ohne Lösungsmittel mögl.

Nachteile:

• lange Polymerisationsdauer

• Schlagempfindlich

• Feuchtigkeitsempfindlich

• Alterung bei Wärmeeinwirkung

• Färbung schwierig

Vorteile:

• gute chemische Beständigkeit

• Alterungsbeständig

• gutes Ermüdungsverhalten

Nachteile:

• Schwindung

• Nachhärtung nötig

• Kosten

• keine Anlagerung der Ketten möglich

  • keine Fernordnung vorhanden

  • keine kristallinen Beriche möglich

• Amorphe Strukturen liegen immer vor bei:

  • Copolymeren

  • stark verzweigten Polymeren

  • Kunststoffen mit sperrigen Seitengruppen

• Gleichmäßige Molekülketten können sich aneinander schmiegen

  • Ausbildung zwischenmolekularer Kräfte

• Bildung von Faltungslamellen

  • Spärolithen als Überstruktur möglich

• Es sind immer amorphe Teilbereiche im Polymer enthalten

  • diese Ketten sind an beiden Berichen gleichzeitig beteiligt -> Tie molecules

• Kristallinitätsgrad umso höher je…

  • glatter der Kettenaufbau

  • höher die Beweglichkeit der Kette

Energieelastizität: T < T_G

• Bewegungen der Molekül- und Seitenketten komplett eingefroren -> Glaszustand

• Kettenabgleitungen nicht möglich -> sehr sprödes Materialverhalten

• keine zeitliche Verzögerung bei den Verformungen -> kleine Dehnungen durch Hooke’sches Gesetz beschreibbar

• Deformationen sind vollständig reversibel

• Verformungen sind unabhängig von der Einwirkungsdauer der Last

—> Verformungsarbeit wird als potentielle Energie gespeichert

Entropieelastizität: T > T_G

• Rotationsschwingungen der Haupt- und Seitenketten werden möglich

• Leichte zeitliche Verzögerung der Verformung

• Unter Last erfolgt eine Ausrichtung der Ketten -> entspricht einer Verringerung der Entropie -> Dies ist die rücktreibende Kraft nach der Lastwegnahme in einen Zustand höherer Wahrscheinlichkeit (Knäuel - Struktur)

• Deformationen sind annähernd reversibel

—> Verformungsenergie wird als Wärmeenergie gespeichert

• Begrifflichkeit “Schmelztemperatur” im Grunde nur für teilkristalline Thermoplaste korrekt

• Kristalline Strukturen schmelzen auf

• Gilt für amorphe Thermoplaste

• Beweglichkeit der Moleküle wird nochmals erhöht

• Abgleitungen der Molekülkatten aneinander wird möglich

• Defomationen sind nicht mehr vollständig reversibel -> es verbleiben plastische Verformungen nach der Erstarrung

• Schmelze zeigt strukturviskoses Verhalten -> Schergeschwindigkeit steigt nicht proportional zur Erhöhung der Scherspannung

Haupterweichungsbereich (HEB)

• Temperaturbereich um die Glasübergangstemperatur -> die wirkenden Zusammenhänge wurden unter Entropieelastizität beschreiben

Nebenerweichungsbereich (NEB)

• Auftauen erster Seitenketten erhöht die Verformbarkeit des Werkstoffs

• Kennzeichnet den Übergang von Trümmer- zu Sprödbruch

• Bis zu 85% Kristallinitätsgrad möglich bei kristallinen TP

• amorphe Kunststoffe sind durchsichtig -> falls nicht eingefärbt

• Haupterweichungsbereich liegt zwischen -100°C und +200°C

• Aufschmelzen - Erstarren Vorgang sehr oft wiederholbar -> Eigenschaften degenerieren allerdingt im Laufe der Zeit

• Verarbeitung meist als Schmelze

• gut färbbar

• Unterscheidung am besten durch Bransverhalten möglich

Vorteile:

• höhere Bruchdehnung und Zähigkeit als Duromere

• weniger Kenntnisse über die chemischen Reaktionen nötig

• Halbzeuge in geeigneter Umgebung unbegrenzt lagerfähig

• einfachere und wesentlich schnellere Verarbeitung möglich

• Granulat unkritischer in der Handhabung als die Reaktionskomponenten der Duromere

• für hohe Stückzahlen geeignet

• häufig schweißbar

Nachteile:

• hohe Schmelzviskosität

  • Faserimprägnierung schwieriger

  • höhere Verarbietungsdrücke nötig

• Haftvermittlung zwischen Matrix und Fasern schwieriger

• mechanischen Eigenschaften stärker von Umgebungseinflüssen abhängig

• bei teuren Werkzeugen und Maschinen erst bei hohen Stückzahlen rentabel

• Kriechneigung

• in vielen Bereichen fehlen noch Erfahrungswerte

• hohe Temperaturen problematischer

• widerstandsfähigkeit gegen Temperatur und chemische Beständigkeit variiert sehr stark