Einteilung der Kunststoffe nach ihren thermischen und me – chanischen Eigenschaften

10.4.3.1 Thermoplaste (Plastomere)

Thermoplaste (griech. thermos warm, plastikos formbar) bestehen aus kettenfbrmigen oder verzweigten Makromolekulen, zwischen denen nur schwache intermolekulare Krafte wir – ken. Je starker die Verzweigung bzw. je sperriger die Seitengruppen, umso ungeordneter und starker verknault liegen die Makromolekule vor (amorpher Thermoplast, Abb. 10.1 la). Zeigen die Kettenmolekule eine mehr oder weniger starke Ausrichtung, liegen teilkristal­line Thermoplaste vor (Abb. 10.1 lb). Kristalline Teilbereiche fuhren zu einer Verbesserung mechanischer Kennwerte, z. B. zu einer Erhohung der Schlagzahigkeit.

Im Gegensatz zu mineralischen oder metallischen Baustoffen, von denen jeweils zwei kon – densierte Aggregatzustande (fest und flussig) existieren, werden bei den Thermoplasten in Abhangigkeit von der Temperatur drei kondensierte Zustandsformen unterschieden: fest (bzw. hartelastisch), weichelastisch und olig-flussig.

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Abbildung 10.11

Strukturen thermoplastischer Kunststoffe: a) Thermoplast mit einem geringen Anteil an kristallinen Bereichen (amorpher Thermoplast); b) Thermoplast mit einem hohe- rem Anteil an kristallinen Bereichen (teilkristalliner Thermoplast).

Amorphe Thermoplaste sind durch die Glasilbergangstemperatur Tg (auch: Glastempe – ratur) charakterisiert. Sie kennzeichnet die Temperatur, bei der die amorphen Polymere im Verlauf der Temperaturerhohung vom glasartig harten, sproden in einen zah- bis weich – elastischen Zustand ubergehen. Die Beweglichkeit der Molekulketten nimmt zu und die intermolekularen Wechselwirkungen werden allmahlich uberwunden. Sind sie vollstandig abgebaut, konnen die Molekulketten ungehindert aneinander vorbeigleiten. Der Kunststoff nimmt eine teigig-zahe bis olig-flussige Konsistenz an. Der Ubergang aus dem thermoelas – tischen in den thermoplastischen Bereich ist durch die Fliefttemperatur 2/gekennzeichnet, bei teilkristallinen Thermoplasten bezeichnet man diesen Ubergang als Kristallitschmelz – temperatur Tm. Die hochviskose Flussigkeit (Schmelze) lasst sich verfahrenstechnisch durch Pressen, Extrudieren, SpritzgieBen usw. verarbeiten. Ab einer bestimmten Tempera­tur Tz (Zersetzungstemperatur) erfolgt die thermische Zersetzung des Polymers durch Spaltung der kovalenten Bindungen im Makromolekul.

Die Zustandsformen und – bereiche der Thermoplaste sind in Abb. 10.12 dargestellt. Es wird deutlich, dass bereits geringe Temperaturunterschiede eine Veranderung der mechanischen Eigenschaften bewirken konnen. Im thermoelastischen Zustandsbereich lassen sich die Thermoplaste umformen, z. B. durch Biegen, Tief – oder Streckziehen, im thermoplastischen Bereich dagegen urformen (z. B. durch GieBen, Extrudieren, Kalandrieren) und schweiBen. Kuhlt man die Schmelze ab, wird unterhalb von Tg die Beweglichkeit und Drehbarkeit der Makromolekule stark eingeschrankt und die intermolekularen Wechselwirkungskrafte wer­den wieder wirksam. Die Struktur wird praktisch „eingefroren66. Man bezeichnet Tg deshalb auch als Einfriertemperatur. Im Gegensatz zu monomeren kristallinen Substanzen sind die Ubergange von einer Zustandsform zu einer anderen nicht exakt lokalisiert. Sie erstre – cken sich vielmehr iiber ein mehr oder weniger breites Temperaturintervall. Man spricht deshalb besser vom Erweichungs(Einfrier)-, Fliefi – und Zersetzungsbereich.

Thermoplaste erweichen bei Erwarmung und sind im erweichten Zustand verform-

und verarbeitbar. Sie harten nicht aus.

Thermoplaste konnen je nach ihrer chemischen Zusammensetzung bei Normaltemperatur im hartelastischen (sproden), im weichelastischen oder sogar im olig-flussigen Zustand vorliegen. Dies hat seine Ursache in unterschiedlichen Erweichungsbereichen. Thermo­plaste sind in den meisten organischen Losungsmitteln gut loslich, da die Losungsmittel-

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molekule die schwachen intermolekularen Wechselwirkungskrafte zwischen den Makro – molekUlen uberwinden konnen.

Abbildung 10.12 Zustandsbereiche und – formen von Thermoplasten

Подпись: Abbildung 10.13 Weichmachung durch Scharniereffekt.
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Durch den Zusatz von Weichmachern zu Thermoplasten (z. B. PVC) werden Elastizitats – modul und Einfrier – bzw. Glasubergangstemperatur emiedrigt. Der thermoplastische Be­reich wird zu niedrigeren Temperaturen verschoben. Das Formveranderungsvermogen und die elastischen Eigenschaften erhohen sich. Die Harte nimmt ab.

Bei der Weichmachung eines Polymers verringert man gezielt die Wechselwirkungen zwi­schen den Makromolekulen. Das kann zum einen – was in der Praxis uberwiegend ange – wandt wird – durch den Zusatz von Weichmachern erfolgen (aufiere Weichmachung). Die polaren Gruppen des Weichmachers treten mit den polaren Gruppen des Kunststoffs (Aus – nahme: Polyolefine, Kautschuke) in Wechselwirkung. Die kleinen, beweglichen Weichma – chermolekUle (Dipole!) schieben sich zwischen die Kettenmolekule des Kunststoffs, wo sie durch intermolekulare Wechselwirkungskrafte festgehalten werden. Auf diese Weise ver- groBem sie den Abstand zwischen den Makromolekulen und verringem die zwischen ihnen existierenden Anziehungskrafte. Die Polymerketten werden aufgelockert und beweglicher.

Weichheit und Dehnbarkeit des Kunststoffs nehmen zu. Da vor allem die O-Atome auf – grund ihrer hohen Elektronegativitat zu Polaritaten, d. h. zu Dipolen, fiihren (z. B. in den COOR-Gruppen), sind Carbonsaureester als Weichmacher besonders geeignet. Vorrangig werden Ester der Phthalsaure (Кар. 10.1.6) eingesetzt. Abb. 10.13 zeigt die Schamierwir – kung eines PhthalsaureestermolekUls. Das Molekiil schiebt sich zwischen zwei PVC- Kettenmolekiile, wobei die Fixierung durch elektrostatische Anziehung zwischen partiell positiv geladenen H-Atomen der PVC-Kettenmolekule und den partiell negativ geladenen O-Atomen der Estergruppe erfolgt. Die innere Weichmachung kann durch Copolymerisa­tion erfolgen. Zum Beispiel wird Vinylchlorid mit Co-Monomeren mit raumfullenden Sei – tengruppen (Acrylsauremethylester u. a.) polymerisiert, wobei sich die Abstande zwischen den Makromolektilen vergroBem. Die Moglichkeiten zur intermolekularen Bindung verrin – gem sich und die Kettenbeweglichkeit nimmt zu. SchlieBlich kann die Substitution der H – Atome durch CH3-Gruppen bei Polyamiden zu einer Verringerung des Anteils an Wasser – stoffbruckenbindungen fiihren. Damit sinkt der Anted an kristallinen Bereichen.

Wichtige Thermoplaste sind Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Po – lyacrylnitril, Polyacrylate und Polyamide.