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Kunststoffe, Prüfung

Die mechanischen Kennwerte eines Kunststoffes werden ähnlich wie bei den Metallen ermittelt. So wird für den Zugversuch beispielsweise mit den gleichen Maschinen und Arbeitsabläufen geprüft. Die Probekörper sind als Flachproben ausgeformt, gemessen werden Zugkraft und die Probenverlängerung. So entsteht eine Kennlinie, aus der die mechanischen Kennwerte der Zugfestigkeit, ggf. Streckspannung und Reißdehnung sowie Elastizitätsmodul ablesbar sind. Dabei werden die Kunststoffe anhand ihres Verformungsverhaltens in drei Gruppen eingeteilt: Hartsteife Kunststoffe wie Hart-PVC oder Polystyrol, deren wichtigster Kennwert die Zugfestigkeit ist, harte aber flexible Kunststoffe wie Polyamid und gummielastische Kunststoffe mit großer Reißdehnung, zu denen unter anderem Weich-Polyethylen und Styrol-Butadiengummi zählen. Auch die Härte des Kunststoffes wird ähnlich wie bei Metallen ermittelt, entweder mit einem Spitzen-Eindrückversuch nach Shore oder einem Kugel-Eindrückverfahren ähnlich dem Rockwell HRB-Härteprüfungsverfahren. Weitere wichtige Kennwerte sind die Kriechfestigkeit, die angibt, wie stark sich ein Kunststoff langsam fortschreitend verformt, wenn er über längere Zeit einer geringen aber kontinuierlichen Belastung ausgesetzt ist, und die Formbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. Für die Ermittlung der Kriechfestigkeit wird eine Kunststoffprobe über Wochen und Monate hinweg einer gleichbleibenden Zugspannung ausgesetzt und die auftretende Dehnung gemessen. Für die Temperaturfestigkeit werden zwei Werte ermittelt: Die Vicat-Erweichungstemperatur und die Dauergebrauchs-Temperatur. Erstere dient zur Abschätzung, welche Temperatur für einen Kunststoff kurzzeitig noch zulässig ist, ohne dass seine Formbeständigkeit unter einer bestimmten Belastung verloren geht, letztere gibt an, welcher Temperatur ein Kunststoff 20.000 Stunden lang ausgesetzt sein darf, ohne dass seine Festigkeit unter 50% des ursprünglichen Wertes sinkt. Weitere Prüfungen ermitteln die kunststoffspezifischen Eigenschaften des Kunststoffes: Entflammbarkeit und Brennbarkeit, Beständigkeit gegen Witterung, Alterung und chemische Einwirkungen, Versprödung bei tiefen Temperaturen, elektrische Leitfähigkeit, Wasseraufnahme und Gleitfähigkeit in Kombination mit anderen Werkstoffen.

Kunststoffe, Kennwerte

Kunststoffe lassen sich in ihren physikalischen Eigenschaften sehr weit variieren. Daher unterscheiden sich auch die Kennlinien für mechanische Belastung von Kunststoffsorte zu Kunststoffsorte deutlich. Hartsteife Kunststoffe wie Acrylglas, Polycarbonate und Polyamide erreichen dabei Streckspannungen respektive Zugfestigkeiten von etwa 50 bis 80 N/mm². Weichere Sorten wie Polypropylen erzielen sogar nur Werte von ca. 30 bis 40 N/mm². Zum Vergleich: Stähle erreichen Werte zwischen 300 und 1500 N/mm². Reine Kunststoffe eignen sich also nur für schwach belastete Bauteile. Allerding lassen sich durch Kombination von Kunststoff und Glas- oder Kohlefasern Verbundwerkstoffe herstellen, die in der Zugfestigkeit unlegierten Stählen ebenbürtig sind, dabei aber ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht haben. Ähnlich sieht es bei der Steifigkeit aus. Kunststoffe erreichen je nach Sorte bei Zimmertemperatur Werte von 500 bis 3500 N/mm² für den Elastizitätsmodul, Stahl etwa 210000 N/mm². Auch diese Werte lassen sich durch Kombination von Kunststoff und Glas- oder Kohlefaser auf ein ansprechendes Niveau bringen, was diese Werkstoffe für den Hochleistungs-Leichtbau, etwa bei Fahr- und Flugzeugen, interessant macht. Auch die Temperaturfestigkeit der Kunststoffe ist deutlich niedriger als die der Stähle. PVC beispielsweise erreicht eine Vicat-Erweichungstemperatur von gerade einmal 70 °C, Polyamide etwa 200 °C. Die Dauergebrauchs-Temperatur ist allerdings noch einmal niedriger, bei Polyamiden liegt sie bei etwa 130 °C.

Kunststoffe, Formgebung

Abhängig davon, ob es sich um Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere handelt, werden Kunststoffe unterschiedlich zu Halbzeugen oder Formteilen verarbeitet. Die wichtigsten Verfahren hierzu sind das Extrudieren, das Extrusionsblasen und das Spritzgießen. Thermoplaste und thermoplastische Elastomere werden meist als Granulat hergestellt und weiterverarbeitet. Dazu wird in einem Extruder das Granulat aufgeschmolzen und einem Formwerkzeug zugeführt, wo eine Profildüse einen Profilstrang des gewünschten Querschnitts erzeugt. Aus diesen lassen sich durch Kalandrieren (warmes Auswalzen) beispielsweise auch Kunststoffbahnen und dicke Folien herstellen. Dünnere Folien werden beim Folienextrudieren hergestellt, indem ein dünnes Kunststoffband warm ausgewalzt und anschließend kalt auf die gewünschte Dicke gestreckt wird. Folienschläuche werden ähnlich hergestellt, hierbei wird eine Ringdüse verwendet, die einen dünnen Schlauch liefert, der anschließend auf die passende Größe aufgeblasen wird. Mit einem ähnlichen Verfahren können auch Hohlkörper hergestellt werden, indem zunächst ein Kunststoffschlauch durch eine Hohlform geführt wird und anschließend mit Druckluft aufgeblasen wird, so dass er die Innenwandung der Hohlform nachformt. Ähnlich funktioniert auch das Spritzgussverfahren, allerdings wird hier der Kunststoff direkt in eine Hohlform eingespritzt und kühlt darin ab. Der Kunststoff füllt also den gesamten Hohlraum der Form aus. Dieses Verfahren dient zur kostengünstigen Herstellung auch großer Mengen identischer Bauteile und eignet sich auch für kompliziert gebaute Formteile. Duroplaste und nicht-thermoplastische Elaste werden in der Regel als Pulver, Pasten oder Flüssigkeiten angeliefert. Sie werden durch Formpressen oder Spritzgießen verarbeitet.

Kunststoffe, Einteilung

Kunststoffe werden anhand ihres inneren Aufbaus in drei Gruppen unterteilt: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Thermoplaste weisen nur eine sehr geringe Temperaturbeständigkeit auf, daher sind die einfach warmumformbar und auch schweißbar. Bei ihnen sind die einzelnen Makromoleküle nicht miteinander vernetzt sondern nur miteinander verschlungen. Ihre Festigkeit erhalten Thermoplaste aus den Reibungskräften zwischen den Makromolekülen. Erwärmt man sie, werden sie zunächst weich, bei höherer Temperatur dann flüssig und schließlich setzt bei Überschreiten der Zersetzungstemperatur der Zerfall ein. Duroplaste hingegen besitzen eine netzartige Struktur, die aus vielen Verknüpfungsstellen zwischen dein einzelnen Makromolekülen entsteht. Dadurch erhalten sie hohe mechanische Stabilität und erweichen auch bei Erwärmung kaum, sondern zersetzen sich lediglich bei Überschreiten der Zersetzungstemperatur. Durch diese Vernetzung sind Duroplaste allerdings auch nicht umform- oder schweißbar. Elastomere wiederum bestehen aus Makromolekülen, die knäuelartig miteinander verschlungen sind und zusätzlich einige wenige Verknüpfungsstellen besitzen, wodurch sie ihre Elastizität erhalten und nach einer Dehnung wieder ihre alte Form annehmen. Sie verändern ihre Eigenschaften ähnlich wie die Duroplaste mit steigender Temperatur nur wenig, und sind ebenso nicht warmumform- oder schweißbar. Bei Überschreiten der Zersetzungstemperatur zerfallen sie ebenso wie Thermoplaste und Duroplaste.