Synthetische Polymere: Herstellung, Eigenschaften und Verarbeitung

Synthetische Fasern

Definition

Sie werden durch chemische Prozesse aus der Reaktion niedermolekularer Substanzen zu Polymeren gewonnen. Die resultierenden synthetischen Hochpolymere sind linear oder leicht verzweigt und gehören zur Gruppe der Thermoplaste.

Herstellungsprozess

Polymerisation

Hierbei werden Acryl und Olefine erhalten.

Polykondensation

Hierbei werden Polyesterfasern erhalten.

Polyaddition

Hierbei werden Fasern aus Polyoxymethylen, Polyoxyethylen und Polyurethan erhalten.

Besonderheiten

Als Folge der Dehnung und Spannung, denen sie während der Herstellung unterworfen wurden, weisen sie amorphe und kristalline Bereiche auf, die durch die parallele Ausrichtung linearer Makromoleküle gebildet werden. Sie sind elastisch, leicht und sehr widerstandsfähig gegen Verschleiß und Säuren. Sie können gefärbt werden und verblassen nicht, sodass keine zusätzlichen Färbevorgänge erforderlich sind.

Definition von Elastomeren

Elastomere bestehen aus langen Ketten, die durch sehr wenige chemische Bindungen miteinander verbunden sind, was eine große innere Bewegung ermöglicht und sich in ihrer Flexibilität widerspiegelt. Sie besitzen ein Gedächtnis und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Belastung entfernt wird. Sie können nicht erneut verarbeitet werden und haben eine amorphe Struktur. Sie ersetzen Naturkautschuk. Elastomere sind in der Regel Duroplaste, können aber auch Thermoplaste sein. Die Elastizität beruht auf der Fähigkeit der Ketten, ihre Position zu ändern und so eine gewisse Verteilung der angelegten Spannung zu gewährleisten. Die kovalente Bindung sorgt dafür, dass sie in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Sie können je nach Material zwischen 5 und 700 % gedehnt werden, ohne dass die Struktur durch die angelegte Spannung dauerhaft verformt wird.

Klassifizierung nach chemischer Zusammensetzung

Gruppe R

Die Hauptkette besteht aus Kohlenstoff und Wasserstoff und enthält Doppelbindungen (z.B. Naturkautschuk, Neopren).

Gruppe M

Ihre Hauptkette enthält nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome und ist gesättigt (keine Doppelbindungen).

Gruppe N

Enthält Stickstoffatome in der Hauptkette (z.B. Polyester).

Gruppe O

Enthält Sauerstoffatome in der Hauptkette (z.B. Epichlorhydrin-Kautschuk).

Gruppe Q

Enthält Siloxan-Gruppen in der Hauptkette (z.B. Silikonkautschuk).

Gruppe U

Enthält Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffatome in der Hauptkette (z.B. Polyurethan-Elastomere).

Gruppe T

Enthält Schwefelatome in der Hauptkette (z.B. Polysulfid-Kautschuk).

Thermostabile Elastomere

Sie verändern sich beim Erhitzen nicht und bleiben formstabil. Oberhalb einer bestimmten Temperatur werden sie abgebaut. Die meisten Elastomere gehören zu dieser Gruppe. Sie werden aus halbflüssigen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht hergestellt, die durch hohe molekulare Vernetzung harte, in den meisten Lösungsmitteln unlösliche Stoffe bilden.

Thermoplastische Elastomere

Durch Erhöhung der Temperatur werden sie weich und geschmeidig. Ihre Eigenschaften ändern sich nicht, wenn sie mehrmals geschmolzen und geformt werden können (z.B. Styrol-, Olefin-, Vulkanfiber, thermoplastisches Polyurethan). Thermoplastische Elastomere sind eine Klasse von Copolymeren oder physikalischen Mischungen von Polymeren (Gummi + Kunststoff), die Materialien mit thermoplastischen Elastomer-Eigenschaften bilden.

Unterschiede

Der Hauptunterschied zwischen duroplastischen und thermoplastischen Elastomeren liegt in der Vernetzung ihrer Strukturen.

Merkmale

Fähigkeit zur Dehnung, Gießverfahren, Beständigkeit bei hohen Temperaturen, kein nennenswertes Kriechen.

Herstellung

Extrusionsverfahren und Spritzguss.

Kunststoffverarbeitungstechniken

Formpressen (Molding)

Das Formpressen ist ein Verfahren, bei dem Kunststoffe unter Druck in eine Form eingebracht werden, um die gewünschte Gestalt zu erhalten. Je nach Art des Drucks unterscheidet man:

Hochdruck-Formpressen

Kompression, Spritzgießen, Extrusion.

Niederdruck-Formpressen

Gießen, Schäumen, Kalandrieren.

Zusatzstoffe

Zusatzstoffe werden eingesetzt, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen:

• Antioxidantien: Schützen vor dem Abbau durch Sauerstoff und Ozon.
• UV-Stabilisatoren: Schützen vor Witterungseinflüssen.
• Weichmacher: Erhöhen die Flexibilität.
• Schmierstoffe: Reduzieren die Reibung.
• Pigmente: Dienen der Farbgebung.

Blasformen

Hohlprodukte werden durch das Aufblasen heißer Kunststoffrohre gegen die innere Oberfläche eines Werkzeugs erzeugt. Das Verfahren umfasst zwei Schritte: (1) Extrusion der Polymerschmelze und (2) Aufblasen des Rohrs in eine Form, die die endgültige Gestalt annimmt.

Kompression (Formpressen)

Dieses Verfahren wird hauptsächlich für duroplastische Polymere verwendet. Das Material wird in die geöffnete Form gelegt. Ein beheizter Stempel übt ausreichend Wärme und Druck aus, um das Polymer zu erweichen und die Kavität zu füllen. Das Material härtet schnell aus und nimmt eine dauerhafte Form an. Bei thermoplastischen Harzen bewirken die Fluidisierung und Wärme, dass die Druckkräfte die Form füllen. Handelt es sich um thermostabile Harze, bewirkt die Wärmeeinwirkung die Reaktionen, und das Harz durchläuft die Phasen A, B, C. (A oder B wird plastifiziert und füllt die Form durch Druck.) (C, thermoplastisch, sollte im Werkzeug gekühlt werden, um zu härten und Belastbarkeit zu erreichen.) (C, thermostabil, das Werkzeug muss immer heiß sein, sodass der Zyklus je nach Produktgröße oder Harz Sekunden oder Minuten dauert.)

Spritzguss

Der Rohstoff wird nicht direkt in die beheizte Form gegeben, sondern separat erhitzt. Wenn der Kunststoff in die kalte Form gespritzt wird, verliert er durch den Kontakt mit den Metallwänden schnell an Temperatur und härtet aus, was kurze Zykluszeiten für das Formteil ermöglicht.

Einspritzsysteme

Es gibt Kolben- und Schnecken-Vorspritzsysteme. Für das Duroplast-Spritzgießen kann ein Wasserstrahl das Material im Zylinder erhitzen, ohne es bis zum Aushärtepunkt zu plastifizieren. Die Polymerisation wird durch die Wärme, die durch die Düse zugeführt wird, abgeschlossen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der Produktionsbewertung (z.B. für Ventile, Gläser, Geschirr).

Vakuumformen

Dieses Verfahren wird für große Kunststoffplatten und Oberflächen verwendet, die andere Umformverfahren nicht unterstützen (z.B. Calamine, Formen zur Herstellung von Eis).

Extrusion

Die Extrusion (für Rohre, Schläuche, Drahtbeschichtungen) ist ein Verfahren, bei dem Kunststoff in flüssiger Form durch Kompression mittels einer Düse oder Matrize verlagert wird, um ein langes, kontinuierliches Produkt zu erzeugen. Sie wird mit Thermoplasten und Elastomeren verwendet, jedoch nie mit Duroplasten.

Reibungsextrusion

Die Reibungsextrusion nutzt die physikalischen Eigenschaften des Polymers und die Reibung des Förderers mit den Metallwänden der Maschine. Dabei wird mechanische Energie in Wärme umgewandelt, was das Schmelzen des Polymers unterstützt.

Laminieren (Fensterrahmen, Folien)

Das Laminieren ist ein Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen zu Duroplasten. Der Unterschied liegt in der Anwendung von Wärme bei Thermoplasten und nur Druck bei Duroplasten. Der Grund, nur Druck bei härtbaren Materialien zu verwenden, ist, dass die Fusion schwierig ist und die Temperatur nur eine geringe Wirkung hat.

Schichtpressen mit Rolle oder Band

Dies ist ein Prozess, der die Dicke des Materials reduziert, das zwischen zwei rotierenden Walzen hindurchgeführt wird. Er kann kalt oder warm erfolgen.

Schichtpressen durch Kompression

Dies ist der Prozess, bei dem die Wandstärke des Kunststoffs durch Druck reduziert wird, um die maximale Elastizität der Polymere zu erreichen.

Polymerisationsverfahren

Blockpolymerisation

Es werden keine Lösungsmittel oder Emulgatoren verwendet, nur das Monomer und der Polymerisationsinitiator, der im Monomer löslich ist. Die Reaktion erfolgt bei Raumtemperatur (die chemische Reaktion setzt Energie als Wärme frei). Die Reinheit hängt vom Monomer ab. Die Viskosität des Polymers nimmt im Verlauf der Reaktion zu.

• Vorteil: Hohe Reinheit, erfordert einfache Ausstattung.
• Nachteil: Hohe Reinheit, erfordert einfache Ausstattung.

Lösungspolymerisation

Das Monomer wird in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Temperatur und Viskosität können kontrolliert werden. Wenn das Polymer im Lösungsmittel löslich ist, verdampft das Lösungsmittel. Die resultierende Lösung erhöht die Viskosität bei Temperaturerhöhung und findet Anwendung in Klebstoffen und Beschichtungen.

• Vorteil: Einfache Temperaturregelung; die gebildete Polymerlösung kann direkt verwendet werden.
• Nachteil: Das Lösungsmittel kann molekulare Gewichtsreduktion und eine Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit verursachen; Schwierigkeiten bei der Extraktion des Lösungsmittels.

Suspensionspolymerisation

Durch mechanische Bewegung wird das Monomer als Tröpfchen in einer Flüssigkeit (Wasser) dispergiert. Wasserlösliche Initiatoren und Stabilisatoren werden verwendet, um die Monomere in der Flüssigkeit zu dispergieren. Das fertige Polymer wird in Form von reinen Perlen durch Filtration oder Zentrifugation gewonnen. Es gibt keine Kettenübertragungsreaktionen, wodurch das erhaltene Polymer reiner ist.

• Vorteil: Einfache Temperaturregelung; das Polymer wird in Perlenform erhalten.
• Nachteil: Verunreinigung des Polymers durch Stabilisatoren und Wasser; erfordert ständiges Rühren.

Emulsionspolymerisation

Sie zeichnet sich durch ihre Schnelligkeit und einfache Temperaturregelung aus und ist der Suspensionspolymerisation ähnlich, jedoch sind die Tröpfchen kleiner. Es werden Emulgatoren und Initiatoren wie Cumolhydroperoxid verwendet. Anwendung findet sie bei der Herstellung von Bohnerwachs und Polymeren in der Gummiindustrie.

• Vorteil: Schnelle Polymerisation; Polymere mit hohem Molekulargewicht werden erhalten; einfache Temperaturregelung.
• Nachteil: Verunreinigung des Polymers durch Emulgatoren und Wasser.

Grenzflächenpolymerisation

Die Reaktion findet an der Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten statt, und das Polymer wird direkt von der Oberfläche extrahiert. Diese Polymerisationsmethode wird verwendet, um wärmeempfindliche Polymere zu gewinnen.

Duroplaste

Duroplaste sind Kunststoffe, die nach dem ersten Erhitzen und Abkühlen nicht wieder erweicht und für die weitere Verarbeitung wiederhergestellt werden können. Dies liegt an ihrer molekularen Struktur, die ein dreidimensionales Gitter oder ein Netzwerk von Querverbindungen bildet. Die Bildung dieser Verbindungen wird durch den Grad der Wärme, die Art und Menge der Katalysatoren sowie den Formaldehydanteil bei der Herstellung des Materials aktiviert.

Klassifizierung von Duroplasten

Harze

• Phenolharze
• Harnstoffharze
• Melaminharze
• Polyesterharze
• Epoxidharze

Phenolharze (Bakelit)

Sie werden durch Polykondensation von Phenol und Formaldehyd gebildet. Der Formaldehydanteil in der Lösung bestimmt, ob das fertige Material ein Duroplast oder ein Thermoplast ist (z.B. Laminate, Gussteile, imprägnierte Produkte).

Harnstoffharze

Sie werden durch Polykondensation von Harnstoff mit Formaldehyd erhalten. Sie weisen ähnliche Merkmale wie Bakelit auf und können gefärbt werden.

• Vorteil: Sehr hohe Beständigkeit gegen Oberflächenkriechströme.
• Nachteil: Geringere Feuchtigkeitsbeständigkeit.

(Anwendungen: Isolatoren, Klebstoffe).

Melaminharze

Sie werden durch Polykondensation von Melamin und Formaldehyd gebildet.

Merkmale und Eigenschaften

Rötliche Farbe, hoher Erweichungspunkt, kaum fließend, unlöslich in gängigen Lösungsmitteln, Alkalibeständigkeit, hohe Durchschlagfestigkeit.

Polyesterharze

Sie werden durch die Veresterung von Polysäuren mit Polyolen erhalten.

Funktionen und Anwendungen

Hohe Steifigkeit; Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Lösungsmittel, Lichtbögen und Oberflächenkriechströme.

Epoxidharze

Sie werden durch die Reaktion von Diphenylolpropan und Epichlorhydrin erhalten. Je nach Konzentration und Bedingungen können sie als feste, flüssige oder zähflüssige Harze vorliegen. Sie sind chemisch gehärtete Duroplaste.

Funktionen und Anwendungen

Sie emittieren beim Aushärten keine Gase und schrumpfen nach dem Aushärten nicht. Sie werden entweder rein oder mit Füllstoffen verwendet, haften auf nahezu allen Oberflächen und bieten gute mechanische Festigkeit sowie Beständigkeit gegen chemische Agenzien.

Vorteile von Duroplasten gegenüber Thermoplasten

Bessere Schlagzähigkeit, Beständigkeit gegen Lösungsmittel, geringere Gaspermeation, Beständigkeit bei extremen Temperaturen.

Nachteile von Duroplasten gegenüber Thermoplasten

Schwieriger zu verarbeiten, Notwendigkeit der Aushärtung, Sprödigkeit, können unter Spannung nicht nachgeformt werden.

Die Kühlung im Industrialisierungsprozess von Polymeren

Thermoplaste sind Materialien, die erhitzt und mehrfach zur Formgebung und zum Gießen verwendet werden können. Ihre Eigenschaften hängen von der Temperatur ab, der sie ausgesetzt sind.

Duroplaste

Duroplaste sind Materialien, die nur einmal eine Form annehmen können. Eine Erhöhung der Temperatur führt dazu, dass sie verbrennen und sich zersetzen.

Die Kühlung ist der Prozess, durch den ein Polymer nach dem Gießen seine Festigkeit und Zähigkeit wiedererlangt. In einigen Fällen ist dieser Prozess der letzte Schritt der Produktumwandlung, während er bei anderen Materialien nach dem jeweiligen Erhitzen mehrfach wiederholt werden kann.

Kühlmethoden

• Tauchkühlung
• Sprühkühlung
• Badkühlung