2te Vorlesung
• Topologie – Strukturprinzip lange Kette • Technologische Einteilung Polymere • Exkurs: optische Eigenschaften • Thermisches Verhalten
Topologie Polymere sind Stoffe, die sich aus Makromolekülen aufbauen. Makromoleküle sind Moleküle, die eine große Anzahl chemisch analoger Grundeinheiten enthalten
Aufbau der Makromoleküle - Fadenmodell
verschlauft
Eigenschaftenänderung durch Quervernetzung
Thermoplast frei verschiebbare Ke8en (VdW-‐K)
klebrig, temperaturlabil
Elastomer Härtegrad durch S-‐vernetzung
regulierbar
Monoterpen Sdp. 34 °C
gering toxisch
Isopren
Naturkautschuk
n
+ S S
S
S
S
SS
S
SS
(S)x
S
S
Gummi
nOPPn
OPPn
biolog. Vorstufen
vernetzt molekulare Netzwerke chemische Vernetzung irreversible, thermische Verformung (Aushärtung) unlösliche, nicht-schmelzende Werkstoffe
unvernetzt Fadenmoleküle linear oder verzweigt physikalische Verschlaufung reversible, thermische Verformung lösliche, schmelzbare Werkstoffe
Struktur – Eigenschaften - Verwendung
Exkurs: optische Eigenschaften - warum einige Kunststoffe klar sind
Transparenz = Fähigkeit des Lichts (λ= 380 – 720 nm), Materie ungehindert zu durchdringen mögliche WW Licht-Materie: - Absorption, - Reflexion, - Brechung/Streuung • amorphe Thermoplaste: geringe Dichte -> guter Lichtdurchdringung • teilkristalline Thermoplaste: Lichtbrechung an dichten Kristalliten à je höher Kristallinität, desto weniger transparent Bsp.: sPP (Kristallinität ≈ 50%) à transparent
iPP: (Kristallinität > 50%) à stark opak • Einfluss Brechungsindex: Bsp.: Poly(4-methyl-1-penten) teilkristallines TP (bis zu 65%), dennoch hohe Transparenz Grund: Brechungsindex amorpher und kristalliner Bereich annähernd gleich!
Kristallisation
Vorraussetzung: regelmäßiger Polymerkettenaufbau Bsp.: PP à taktische Abfolge Methylsubstituenten Ataktisches PP: amorph Isotaktisches PP: krsitallin unter Ausbildung Helix-Struktur (Konformation + Konfiguration) Weitere Beispiele:
Polymer Charakteristischer Kristallinitätsgrad [%]
Polyamid PA66 PA6
35-45
Polyoxymethylen POM 70-80 Polyethylenterephtalat PET 30-40 Polybutylenterephtalat PBT 40-50 Polytetrafluorethylen PTFE 60-80
Thermisch − Mechanische Zustandsbereiche Zustandsbereich = Temperaturbereich, in dem Polymer seinen Charakter kaum ändert
Glaszustand fester Zustand; energieelastisch
Gummizustand entropieelastisch
Fließ- Schmelzzustand
Glasübergangs- bereich
Schmelz- bereich
Thermisches Verhalten
1. Glastemperatur TG: amorphe Bereiche verändern sich Abkühlung Gummiartiger Z glasartiger Z (Grund: Einfrieren der Rotation der Molekülsegmente) 2. Kristallisationstemperatur TC Abkühlen Amorphe Bereiche kristalliner Z 3. Schmelztemperatur TM: Schmelzen der kristallinen Bereiche Erwärmen Thermoelastisch Thermoplastisch 4. Zersetzungstemperatur TZ
Duroplast
Elaste
Thermoplaste
Gebrauchsbereich
Gebrauchs bereich
Gebrauchs-bereich
Zersetzung
Zersetzung
Zersetzung
Spröder Zustand
Spröder Zustand
Glastemperatur
Glastemperatur Erweichungs- temperatur Schmelze
Temperatur
Temperaturverhalten Polymere Werkstoffe
Thermisch-Mechanisches Verhalten
Glaszustand fester Zustand;
energieelastisch
Gummizustand entropieelastisch
Fließ- Schmelzzustand
Glasübergangs- bereich
Schmelz- bereich
Thermoplaste TG>RT Verarbeitung/ Formgebung T à Recycling Struktur: Lineare Vernetzung
Thermoplastische Elastomere TG <RT und TG >RT Verarbeitung/ Formgebung -Entropieelastisch à Recyclebar Struktur: Physikalische Vernetzung
Elastomere TG <RT -Entropieelastisch Struktur: chemische Vernetzung
Duromere TG >>RT -Temperaturstabil -Chemikalienresistent Struktur: Stabile chemische Vernetzung