Werkstoffkunde: Magnesium und Kunststoffe

Magnesium: Gewinnung und Eigenschaften

Magnesium aus Carnallit und Dolomit ist in diesem Bereich ebenfalls von Bedeutung. Es weist folgende Eigenschaften auf: Es ist glänzend weiß, leicht formbar, hat jedoch eine niedrige Duktilität. Es ist korrosionsbeständig, sofern es nicht feucht ist. Im flüssigen Zustand oder als brennbarer Staub ist es sehr reaktiv. Im Vergleich zu Aluminium ist es etwas härter, leitet jedoch Wärme und Strom schlechter.

Gewinnungsprozesse

Chloride (Carnallit): Die Gewinnung erfolgt durch Elektrolyse. Dabei steigt das Magnesium an die Oberfläche, da es eine geringere Dichte als das geschmolzene Salzgemisch besitzt.

Carbonate (Dolomit und Magnesit): Die Gewinnung erfolgt durch Reduktion. Die Mineralien werden in einen Elektroofen gegeben; ein Flussmittel wird hinzugefügt, um den Sauerstoff zu entziehen.

Anwendungen

Magnesium wird für Knetlegierungen, Schmiedelegierungen und Gusslegierungen verwendet. Im reinen Zustand findet es Anwendung in der Pyrotechnik und als Flussmittel.

Umweltbelastungen und Schutzmaßnahmen

Umweltverunreinigungen entstehen während der Gewinnung der Mineralien sowie während des Recyclingprozesses.

Maßnahmen zum Umweltschutz

• Filterprogramme: Einsatz von Filtern für Schwermetalle, Gase, Staub und Wasserstoff.
• Standortwahl und Arbeitsschutz: Sorgfältige Standortwahl der Fabriken und das Tragen von Atemschutzmasken.
• Abwasser und Schlämme: Reinigung des Waschwassers, Abisolieren von Metallen und Neutralisation chemischer Produkte vor der Deponierung.
• Lärmschutz: Reduzierung der Lärmbelästigung durch Maschinen mittels Schalldämmung und Gehörschutz.

Kunststoffe: Grundlagen und Komponenten

Kunststoffe sind synthetische Materialien, die durch chemische Reaktionen gewonnen werden.

Komponenten und Rohstoffe

Die Rohstoffe sind Polymere, also Makromoleküle aus organischen Ketten. Der Prozess der Verbindung von Monomeren wird als Polymerisation bezeichnet.

• Natürliche Polymere: Tierischen oder pflanzlichen Ursprungs.
• Mineralische Rohstoffe: Erdöl, Kohle, Erdgas.
• Synthetische Quellen: Im Labor hergestellt.

Zusatzstoffe (Additive)

• Farbstoffe und Pigmente: Farbstoffe lösen sich im Kunststoff auf. Pigmente geben Farbe, lösen sich jedoch nicht und machen den Kunststoff undurchsichtig.
• Flammschutzmittel: Erhöhen die Feuerbeständigkeit und verhindern das Brennen.
• Antistatika: Verhindern die elektrische Aufladung.
• Leitfähige Zusätze: Machen den Kunststoff elektrisch leitfähig.
• Stabilisatoren: Verhindern den Abbau durch UV-Licht.
• Weichmacher: Machen harten Kunststoff flexibel.
• Füllstoffe: Verbessern die Eigenschaften und sparen Kosten.
• Katalysatoren: Beeinflussen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen.

Eigenschaften und Typen von Kunststoffen

Allgemeine Eigenschaften

Kunststoffe sind beständig gegen Oxidation und Korrosion. Sie wirken thermisch, akustisch und elektrisch isolierend, sind schlagfest, haben eine geringe Dichte und lassen sich unter Hitze oder Druck formen.

Einteilung nach Kettenlänge

• Spröde: Ketten zwischen 20 und 30 Monomeren.
• Weich: 100 bis 1.000 Monomere.
• Hart: Über 1.000 Monomere.

Verhalten bei Hitze

• Thermoplaste: Schmelzen bei Hitze und erhärten beim Abkühlen, ohne ihre chemischen Eigenschaften zu ändern. Sie sind flexibel und schlagfest (z. B. PVC, Polyethylen, Polystyrol).
• Duroplaste (Thermostabile): Erfahren bei Hitze eine chemische Umwandlung. Sie sind hart, aber spröde (z. B. Harze, Bakelit, Melamin).
• Fasern: Die Moleküle sind in eine Richtung orientiert, was die Fadenbildung ermöglicht. Sie haben eine hohe Zugfestigkeit, sind knitterfrei und pflegeleicht.
• Elastomere: Besitzen große Elastizität. Sie werden durch Vulkanisation (unter Zugabe von Schwefel bei 145 °C und 5 ATM Druck) hergestellt. Sie sind anfällig für Sauerstoff, Licht und Wärme und verlieren mit der Zeit ihre Elastizität (z. B. Gummizüge in Kleidung).

Verarbeitung und Formgebung

• Pressen: Kunststoff, Füllstoffe und Additive werden in eine Form gegeben, gepresst und erhitzt, bis das Material fließt. Nach dem Abkühlen wird das Stück entnommen.
• Spritzgießen: Kunststoff wird unter Hitze und Druck plastifiziert und durch Düsen in eine Form gepresst. Nach dem Erhärten wird das Stück entnommen.
• Thermoformen: Eine Folie oder Platte wird über die Form gelegt, erhitzt und mittels Vakuum oder Druck angeformt.
• Extrusionsblasformen: Die Kunststoffschmelze wird schlauchförmig extrudiert und durch Luftdruck an die Formwände gepresst.

Spezialkunststoffe und Verbundwerkstoffe

• Verstärkte Kunststoffe: Kombination aus Kunststoff und Verstärkungsmaterialien für höhere Zugfestigkeit.
• Kevlar: Extrem widerstandsfähig und schwierig zu bearbeiten; Verwendung für Motorradhelme und schusssichere Westen.
• Laminate: Übereinanderliegende Kunststoffschichten.
• Glasfaserverstärkter Kunststoff: Kunststoff mit einer Glasschicht für verbesserte Schlagfestigkeit.
• Kunststoffbeschichtetes Metall: Metallprodukte mit einer dünnen Kunststoffschicht.
• Kunststoffgewebe: Verwendung für Planen und Regenbekleidung.
• Mehrschichtkunststoffe: Kombination verschiedener Schichten für optimierte Produkteigenschaften.