EKT 2. Aufbau und Herstellung von Kunststoffen

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Author:
Thorsten662
ID:
294022
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EKT 2. Aufbau und Herstellung von Kunststoffen
Updated:
2015-01-27 06:20:09
Tags:
Kunststofftechnik Aufbau Herstellung
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Fragen zum 2. Kapitel aus dem Skript zur Vorlesung "Einführung in die Kunststofftechnik" an der TU Darmstadt.
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  1. Welche Arten von Makromolekülen gibt es?
    • Naturstoffe (nicht-synthetisch): Kohlenwasserstoffe (Kautschuk), Polysaccharide (Cellulose, Stärke), Proteine (Seide, Wolle)
    • Umgewandelte Naturstoffe (halbsynthetisch): KW-Basis (Gummi), Cellulose-Basis (Celluloid, Viskose), Protein-Basis (Leder)
    • Kunststoffe (vollsynthetisch): Polymerisate (PE, PP, PS, PVC), Polykondensate (Bakelit, Polyester), Polyaddukte (PU)
  2. Bei der Nomenklatur von Kunststoffen gibt es einige Definitionen. Erklären Sie folgende Begriffe: Makromolekül, Polymer, Kunststoff, Blend, Compound und Composite.
    • Makromolekül: Molekül, welches sich in seiner Zusammensetzung nicht merklich unterscheidet, egal, ob es aus n oder n+1 Wiederholungseinheiten besteht.
    • Polymer: Makromolekül aus Monomeren bzw. Grundbausteinen.
    • Kunststoff: Material, das ein oder mehrere Polymere und Additive enthält, sowie zusätzlich Füll- oder Verstärkungsstoffe enthalten kann.
    • Blend: Mischung zweier oder mehrerer thermoplastischer Polymere (z.B. ABS/PA6 Terblend, BASF).
    • Compound: Mischung eines oder mehrerer thermoplastischer Polymere mit Füll- oder/und Verstärkungsstoffen sowie Additiven.
    • Composite: Mischung eines Polymeren mit meist hohen Anteilen an Verstärkungsstoffen (Glas- oder Kohlefasern).
  3. Nennen Sie einige typische Eigenschaften und Anwendungen von Kunststoffen.
    • Kunststoffe sind leicht: leichter als Metall oder keramische Werkstoffe -> hohe mechanische Tragfähigkeit wird durch Einarbeiten von Verstärkungsfasern erreicht -> Anwendung im Fahrzeug- und Flugzeugbau, Sportgeräte, Verpackungen usw.
    • Kunststoffe sind flexibel: E-Modul und Festigkeit sind breit gefächert -> kunststoffgerechte Kostruktion ermöglicht Substitution
    • Kunststoffe haben niedrige Verarbeitungstemperatur (bis ca. 250°C): unkomplizierte Verarbeitung -> kostengünstige Fertigung
    • Kunststoffe habe niedrige thermische Leitfähigkeit (1*10^-1 bis 8*10^-1 W/mK): drei Größenordnungen kleiner als Metalle -> guter Isolierwerkstoff
    • Kunststoffe haben niedrige elektrische Leitfähigkeit: -> wichtiges Isoliermaterial (Kabelummantelungen) -> kann durch Additive z.B. Metallfasern beeinflusst werden
    • Kunststoffe sind häufig transparent: amorphe Erstarrung (z.B. Acrylglas, Polycarbonat)
    • Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit: -> vielfältige Anwendung ohne Schutzschicht möglich
    • Kunststoffe sind durchlässig: (Permeation, Diffusion): -> Anwendung als Membran (z.B. Meerwasserentsalzung)
    • Kunststoffe sind recyclebar: falls unwirtschaftlich problemlose Beseitigung durch Verbrennen
  4. Wodurch resultieren die physikalischen Eigenschaften eines Polymers?
    Durch den Aufbau des Kettenmoleküls: Kettenlänge, Verzweigungen, Bindungsmechanismen (Hauptvalenz-, Nebenvalenzbindungen) -> lineare oder vernetzte Makromoleküle
  5. Grundsätzlich werden drei Arten von Kunststoffen unterschieden. Nenne diese und erläutere ihren Aufbau.
    • Thermoplaste (teilkristallin oder amorph): linearer oder schwach verzweigter Aufbau der Makromoleküle (nicht vernetzt) -> beim Erwärmen plastisch verformbar
    • Duroplaste (amorph): engmaschig vernetzte Makromoleküle -> nicht verformbar durch Erwärmen, Zersetzung ohne Erweichung
    • Elastomere (amorph): weitmaschig vernetzte Makromoleküle können aneinander abgleiten und sich strecken -> elastisch verformbar, aber Zersetzung beim Erwärmen
  6. Beschreiben Sie den Kettenaufbau am Beispiel des Polyethylens.
  7. Was hat haben kristalline und amorphe Bereiche für einen Einfluss auf die Eigenschaften von Kunststoffen?
    • kristalline Bereiche: Kettenabschnitte treten parallel gebündelt auf -> sie erhöhen die Stabilität
    • amorphe Bereiche: Makromoleküle sind ungeordnet (können aneinander abgleiten) -> sorgen für elastische und biegsame Materialen
  8. Beschreiben Sie die Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
    • Ausgangsbasis meist Rohöl (Gas oder Kohle auch möglich)
    • Rohöl enthält ca. 1000 verschiedene CH-Verbindungen
    • Destillation im Röhrenofen bei ca. 400°C
    • Fraktionen werden im Fraktionierturm auf verschiedenen Etagen voneinander getrennt (unterschiedlicher Siedepunkt, unterschiedliche Molekülgröße)
    • Naphtha als Ausgangsstoff: Durch das Cracken der Naphthafraktion bei ca. 850°C im Steamcracker zerfallen die CH-Verbindungen zu kleineren Molekülen wie z.B. Ethylen
  9. Welche Bildungsreaktionen gibt es und wie funktionieren sie?
    • Polymerisation (Kettenreaktion): Kombination gleichartiger Monomere (mit mindestens einer Kohlenstoffdoppelbindung) zu einer linearen Kette durch Aufklappen der C=C Doppelbindung ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile (reversibler Prozess)
    • Polykondensation (Stufenreaktion): Kombination verschiedener Monomere zu einer linearen oder verzweigten Kette unter Abspaltung flüchtiger Bestandteile (Bildung von Nebenprodukten)
    • Polyaddition: Bildung linearer oder verzweigter Ketten durch chemische Umwandlung verschiedener Moleküle (Umlagerung von Wasserstoffatomen) ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile
  10. Durch was wird die Größe der Polymere angegeben?
    • Molmasse in g/mol: Summe der Atommassen der im Polymer enthaltenen Atome
    • Polymerisationsgrad: Zahl der Monomereinheiten im Polymer
  11. Was sind typische Größen von Molmasse und Polymerisationsgrad?
    • Molmasse: 8.000 - 3.000.000 g/mol
    • Polymerisationsgrad: 100 - 10.000
  12. Welche Auswirkungen hat eine steigende Molmasse auf den Kunststoff?
    • Höhere Festigkeit: höhere Nebenvalenzkräfte, mehr Verschlaufungen
    • Höhere Zähigkeit: geringerer Kristallisationsgrad bei längeren Molekülen, mehr Verschlaufungen
    • Höhere chem. Beständigkeit: höhere Nebenvalenzkräfte, geringer Einfluss von Abbau
    • Schlechteres Fließverhalten: mehr Verschlaufungen
  13. Welche Auswirkungen hat die Molmassenverteilung?
    • Enge Verteilung: Höhere Gleichmäßigkeit von Kennwerten, gleichmäßiger thermische Erweichungsbereich, geringe Spannungsrissempfindlichkeit, bessere Chemikalienbeständigkeit
    • Breite Verteilung: Besseres Fließverhalten, abnehmende Sprödigkeit, Erniedrigung des Kristallisationsgrades

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