Quelle Nummer 267

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

KUNSTSTOFFE
A. MATTING
KUNSTSTOFFE ERSETZEN METALLE
VULKAN-VERLAG DR. W. CLASSEN, ESSEN 1970, S. 14-


001  Vergleich der Gütewerte. Der elektrische
002  Widerstand. Die reinen Metalle zeichnen sich im allgemeinen
003  durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus. Kunststoffe
004  dagegen gehören zu den besten Isolatoren. Die Größenordnungen
005  des elektrischen Widerstandes betragen auf der einen Seite bis (Formel),
006  die z. B. für Gold und Kupfer gelten, Titanlegierungen
007  und Gußeisen erreichen (Formel). Kunststoffe andererseits liegen im
008  Bereich von (Formel) bis zu (Formel), von denen die harten Schaumstoffe auf
009  Polyurethanbasis wegen ihrer guten Isolierwirkung nicht unerwähnt
010  bleiben dürfen. Dieser große Abstand läßt sich durch
011  metallische, metallhaltige oder nichtmetallische Halbleiter bzw.
012  durch Einbau leitender Gerüste in Kunststoffen, z. B.
013  Goldflocken oder Silberflocken bzw. Gold
014  pulver oder Silber pulver sowie feinverteiltem Ruß oder
015  Graphit, überbrücken. Solche elektrisch leitenden Kunststoffe
016  sind im Handel erhältlich mit Widerstandswerten in der
017  Größenordnung von 10 bis (Formel) ausgestattet, so daß sie geradezu
018  als Widerstandsheizung dienen können. Im Gegensatz hierzu
019  vermochten sich kunststoffumspritzte Leiterdrähte, Schaltschienen
020  im elektrischen Anlagenbau, ebenso wie gedruckte Schaltungen
021  allgemein einzuführen. Der geringere elektrische Widerstand der
022  Kunststoffe - verglichen mit Glas und Porzellan - rührt von
023  der Feuchtigkeit her, die organische Produkte aufnehmen können.
024  Damit ergibt sich eine Leitfähigkeit überwiegend elektrolytischer
025  Art, die sich durch eingeschlossene Metalloxide und sonstige
026  Zusätze erhöhen kann. Je vollkommener ein Harz ausgehärtet ist,
027  desto eher kommt es dem Isolierwiderstand des Hartgummis nahe.
028  Durch das Austreiben von Wasser steigt er zunächst bis 100^ C
029  wieder an. - In feuchten oder staubigen Räumen kann sich auf
030  Gießharz-Isolatoren ein Strompfad bilden, der die
031  Kriechstromfestigkeit herabsetzt und Überschläge hervorzurufen
032  vermag. Einem hohen elektrischen Widerstand entspricht ein hoher
033  Wärmewiderstand. Kunststoffe sind daher meist auch gute Wärme
034  -Isolatoren, Metalle dagegen gute Wärmeleiter. Der Bereich
035  ihrer Wärmeleitfähigkeit schwankt von etwa 350 bis 390 (Formel)^ C
036  für Stahl und Kupfer. Diese Werte fallen auf 15 für rostfreien
037  Stahl. Ungefüllte Expoxidharze und verstärkte Kunststoffe
038  haben nur eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,16 (Formel)^ C.
039  Dies entspricht abgerundet weniger als 1 (math.Op.) 3 des Wertes für
040  Porzellan. Mit Kunststoffschäumen kann die Wärmeleitfähigkeit
041  um eine weitere Dezimale auf 0,016 absinken. Die
042  Wärmeleitfähigkeit. Das Entstehen von elektrostatischen
043  Aufladungen gilt es bei Kunststoffen gelegentlich zu verhindern.
044  Sie sind zurückzuführen auf zu hohe Reibungskoeffizienten oder
045  eine höhere elektrische Leitfähigkeit der Schichtmittel.
046  Bekämpfen lassen sie sich durch das Ableiten der elektrischen
047  Ladung, z. B. von Folienbahnen, mit Hilfe von geerdeten
048  Metallrechen oder Metall borsten. Auch ein Erhöhen der
049  Leitfähigkeit der umgebenden Luft kommt in Frage, sofern nicht
050  ein weiteres Heraufsetzen der Kunststoff-Leitfähigkeit zu
051  bevorzugen ist. Schließlich lassen sich ihnen Antistatika,
052  kationisch-oberflächenaktive Substanzen, z. B.
053  Leitruß, beimischen, die eine gewisse Unverträglichkeit mit dem
054  Kunststoff insofern aufweisen müssen, als sie ständig zur
055  Oberfläche diffundieren sollen. Werden quarternäre
056  Ammoniumverbindungen gewählt, so ist von ihnen eine ausreichende
057  Thermostabilität zu fordern. Der
058  Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Wärme-Ausdehnung der
059  Kunststoffe ist wesentlich größer als die der Metalle. Ihre
060  Ausdehnungskoeffizienten liegen zwischen etwa (Formel) und (Formel).
061  Diejenigen der Metalle reichen von 26,7 beim Zinn bis etwa 4,
062  5 beim Wolfram. Eisen liegt mit etwa 12 dazwischen. Diese
063  bedeutenden Unterschiede können zu ernsthaften technischen
064  Schwierigkeiten führen, wenn Metalle und Kunststoffe gemeinsame
065  Konstruktionselemente bilden. Sie lassen sich verringern, wenn
066  man von der hohen Elastizität mancher Kunststoffe Gebrauch macht.
067  Vereinfacht ausgedrückt, ist der lineare Ausdehnungskoeffizient
068  der Kunststoffe für Wärme 4 (math.Op.) 10 (math.Op.) größer als der der
069  Metalle. Das Einpressen von kleinen Metallteilen in Kunststoffe
070  kann demnach aufgrund innerer Spannung zum Aufreißen führen.
071  Das Gewicht. Eine der bemerkenswertesten Abweichungen
072  zwischen Metallen und Kunststoffen betrifft das Gewicht.
073  Kunststoffe sind - verglichen mit ihnen - gewöhnlich viel
074  leichter, obwohl in dieser Hinsicht geringe Überschneidungen
075  nicht auszuschließen sind. Das spezifische Gewicht bewegt sich
076  zwischen 1,7 und 2,8 für Magnesium und Aluminium und
077  steigt auf 22,7 für Osmium an, dem spezifisch schwersten
078  Metall. Die synthetisch hergestellten Fluorkarbone weisen mit 2,
079  1 die höchsten Werte für Kunststoffe auf. Die meisten
080  liegen zwischen 1,0 und 1,4, d. h. dies entspricht
081  dem halben spezifischen Gewicht des reinen Aluminiums bzw.
082  erreicht nur etwa 1 (math.Op.) 6 desjenigen von Gußeisen. Schaumstoffe
083  sinken auf etwa 0,03. Die optischen Eigenschaften.
084  Von glasklarer Transparenz bis zu einer gewünschten Farbigkeit
085  reicht das Erscheinungsbild der Kunststoffe. Andererseits gelingt
086  es nicht, gleich haltbare und glänzende Oberflächen herzustellen,
087  wie dies z. B. mit verchromten Stahlblechen bzw.
088  Gläsern zu erreichen ist. Metallbedampfungen oder ähnliche
089  Verfahren können den Kunststoffen zwar ein vergleichbares
090  Aussehen geben, doch führen weder Haltbarkeit noch
091  Witterungsbeständigkeit zu übereinstimmenden Werten.
092  Die mechanischen Eigenschaften Die Gütewerte der mechanischen
093  Eigenschaften von Kunststoffen und Metallen lassen sich schon
094  wegen der stark voneinander abweichenden Prüfmethoden nur
095  eingeschränkt vergleichen. Während die Fertigungsdaten der
096  Metalle bereits hierauf Rückschlüsse von großer Genauigkeit
097  zulassen, bedarf es wesentlich umfangreicherer Zahlenangaben, um
098  einen Kunststoff eindeutig zu kennzeichnen. Zusätzliche
099  Spezifizierungen mit entsprechenden Einschränkungen sind
100  erforderlich, die scheinbar einen Zusammenhang vermissen lassen.
101  Der Vorteil besteht in der vielfältigen Variationsmöglichkeit
102  der Kunststoffe, der in der Notwendigkeit erschöpfender Angaben
103  zum Ausdruck kommt. Auf dem Kunststoffgebiet ist mit dem exakten
104  Berechnen von Konstruktionselementen erst begonnen worden.
105  Verhältnismäßig weit fortgeschritten sind die
106  Festigkeitsberechnungen von glasverstärkten Kunststoffen. Doch
107  auch hier steht der Theorie die Mannigfaltigkeit der Lieferformen
108  gegenüber. Die sicherste Rechnung ist an den aus Fasersträngen
109  gewickelten Körpern möglich. Meist müssen aber die
110  Sicherheitszuschläge noch zu hoch angesetzt werden, ohne den
111  Werkstoff optimal ausnutzen zu können. An den thermoplastischen
112  Kunststoffen gestaltet sich das rechnerische Erfassen der
113  Beanspruchungen noch schwieriger. Zunächst erscheint ein
114  unmittelbarer Wettbewerb zwischen den Metallen und Kunststoffen
115  schon deshalb ausgeschlossen, weil die mechanisch-
116  technologischen Werte so stark voneinander abweichen und die
117  Temperaturabhängigkeit so unterschiedlich ist. Je größer der
118  Abstand zwischen Gebrauchstemperatur und Erweichungstemperatur ist,
119  desto geringer ist die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften.
120  Diese Tatsache wirkt sich stark zu ungunsten der Kunststoffe aus.
121  Hinzu tritt die ausgeprägte Zeitabhängigkeit der Kunststoff
122  -Gütewerte. Daher bieten die Ergebnisse von Kurzversuchen im
123  allgemeinen keine ausreichenden Konstruktionsunterlagen für
124  langzeitig statisch oder dynamisch belastete Bauteile aus
125  Kunststoffen. Während bei Raumtemperatur die Kennzahlen für
126  Stahl genügend aussagen, bedarf es für die Kunststoffe der
127  Angabe von Kennfunktionen, die ihre Abhängigkeit von Zeit und
128  Temperatur zum Ausdruck bringen. Wenn unter " Alterung "
129  verstanden wird, daß sich die Eigenschaften der Werkstoffe als
130  Funktion von Zeit und Umweltbedingungen ändern können, so hat
131  dies für die Kunststoffe eine größere Bedeutung als für die
132  Metalle. Dies geht u. a. aus dem Spannungs-Dehnungs
133  -Verhalten der Kunststoffe hervor, das sich grundsätzlich von
134  dem der Metalle unterscheidet. Ihr Elastizitätsmodul E (ein
135  Proportionalitätsfaktor) drückt die Beziehungen zwischen
136  Spannung und Dehnung aus, und kennt verschiedene Bereiche. So
137  verläuft der erste bis (Formel) etwa linear, während der sich
138  anschließende von degressiver Natur ist. Hieraus folgt, daß ihr
139  Arbeitsaufnahmevermögen weitaus geringer ist als das der Metalle.
140  Die von den Kunststoffen geleistete Deformationsarbeit setzt im
141  Gegensatz zu den Metallen die Entropie des Körpers - von
142  einigen Thermoplasten, z. B. Nylon, abgesehen - herab.
143  Die u. a. den glasfaserverstärkten Kunststoffen
144  innewohnende Elastizität wird daher Entropie-Elastizität,
145  besser Gummi-Elastizität genannt, da sie sich bevorzugt im
146  quasielastischen Bereich verformen und die anschließend wirksamen
147  Rückstellkräfte auf einer Richtungstendenz der Wärmebewegung
148  beruhen. Insofern sind bei dem Verformen von Kunststoffen
149  grundsätzlich drei Bereiche zu unterscheiden: der
150  reinelastische, der visco-elastische, was besagen soll,
151  daß eine scheinbar bleibende Formänderung sich nur verzögert oder
152  erst nach Erwärmen aufheben läßt, die bleibende
153  Formänderung. Zwei Vorgänge sind daher zu unterscheiden:
154  der Kriechvorgang oder Retardationsvorgang, dem eine
155  Formänderung unter konstanter Last zugrunde liegt, der
156  Spannungsabfall oder Relaxationsvorgang, d. h. ein
157  Spannungsabbau unter konstanter Dehnung. Ein Aufzeichnen von
158  Spannung und Dehnung nach bestimmten Zeiten führt zu den
159  sogenannten isochronen Spannungs-Dehnungsdiagrammen. Sie
160  lassen erkennen, daß die Steigung dieser Kurven mit zunehmender
161  Belastungsdauer abnimmt. Der hieraus zu errechnende Modul ist
162  zeitabhängig und wird nicht mehr Elastizitätsmodul, sondern
163  Kriechmodul oder Retardationsmodul genannt. An und für
164  sich gibt es auch Metalle, die, bei Raumtemperatur beansprucht,
165  zu kriechen beginnen, d. h. nicht die Fähigkeit besitzen,
166  sich zu verfestigen. Hierzu gehören u. a. Blei und Zink.
167  Ihre Beanspruchbarkeit als Funktion der Zeit bedarf deshalb
168  ebenfalls einer sorgfältigen Berechnung. Das gilt nicht für die
169  Mehrzahl der Metalle im Bereich der Raumtemperatur, solange sie
170  unkritische Lasten zu übertragen haben. Kunststoffe dagegen, vor
171  allem die Thermoplaste, erfordern eine genaue Beobachtung ihres
172  Kriechverhaltens in praktisch allen Temperaturbereichen, wie dies
173  in der Bezeichnung dieses Phänomens " kalter Fluß " zum
174  Ausdruck kommt. Der Elastizitätsmodul von Metallen bewegt sich
175  etwa zwischen (Formel) für Gußeisen und (Formel) für Wolfram. Die
176  entsprechenden Werte für Kunststoffe sind um ein bis zwei
177  Dezimalen zu ermäßigen und erreichen für glasfaserverstärkte
178  Wickelkörper (Formel). Die Zugfestigkeit. Metalle und
179  Kunststoffe bilden gemeinsam einen Festigkeitskomplex, der von 1,
180  5 (Formel) des Polyäthylens bis etwa 200 (Formel) bei kaltgezogenem
181  Stahl reicht, der dem Ingenieur einen Spielraum von erheblicher
182  Breite vermittelt, ohne dabei zu übersehen, daß ein
183  Konstruktionselement noch andersgearteten Anforderungen
184  standzuhalten hat. Die mechanische Festigkeit der
185  nichtverstärkten Kunststoffe liegt in der Größenordnung von 10
186  (Formel). Ihr Wert für tragende Baustoffe ist daher niedrig
187  einzuschätzen, sofern sie nicht im hochorientierten Zustande
188  Werte zwischen 30 bis 50 (Formel) erreichen. Verstärkte Kunststoffe
189  können höhere Werte annehmen. Mattenverstärkte Kunststoffe
190  sind jedoch vorsichtig zu bewerten. Ihre Festigkeiten schwanken
191  zwischen 5 bis 15 (Formel) und betragen damit etwa 1 (math.Op.) 3 bis 1 (math.Op.) 2 der
192  naturharten Al-Legierungen. Glasfaserverstärkte
193  Polyesterharze erreichen über 30 (Formel), mit Glasgeweben verstärkte
194  Epoxidharze etwa 60 (Formel). Dies wäre der Festigkeit vergüteter
195  Aluminiumlegierungen gleichzusetzen. Durch Strangglaseinlagen mit
196  gleichgerichteten Fasern sind Zugfestigkeiten zwischen 100 bis 160
197  (Formel) zu erzielen, wobei davon auszugehen ist, daß Gebilde dieser
198  Art anisotrop sind und ihre Gütewerte von der Faserrichtung
199  bestimmt werden. Die Dauerbeanspruchbarkeit der Kunststoffe liegt
200  im allgemeinen niedriger als die der Metalle. Die
201  Dauerwechselfestigkeit beträgt bei Stahl etwa 30 % des
202  Ausgangswertes, 20 bis 30 % bei den Nichteisenmetallen,
203  dagegen nur 10 bis 30 % bei den Kunststoffen. (Abb.) Das
204  Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Kunststoffe bieten dem
205  Konstrukteur den Vorteil, über ein günstiges Verhältnis ihrer
206  Festigkeit zum spezifischen Gewicht zu verfügen, das in der
207  Regel zwischen 0,9 und 1,8 liegt. Die obere Grenze
208  nehmen hierbei die glasfaserverstärkten Kunststoffe ein. Wird von
209  den Glasseiden verstärkten Epoxidharzen mit ihrer Zugfestigkeit
210  von 60 (Formel) ausgegangen und diese auf das spezifische Gewicht von
211  etwa 2,0 bezogen, so läßt sich hieraus ein Verhältnis von
212  etwa (Formel) ableiten, wogegen gleiche Relation für Stahl (Formel) bzw.
213  eine hochwertige Titanlegierung (Formel), d. h. wesentlich
214  ungünstigere Zahlen ergeben. Die entsprechenden Werte und die
215  darauf bezüglichen Reißfestigkeiten (Formel)) verschiedener
216  Werkstoffe enthält Bild 18. Die Temperatur als
217  Einflußfaktor. Die Kunststoffe sind bei Dauererwärmung den
218  Metallen unterlegen. Es ist unsicher, für sie bestimmte
219  Temperaturgrenzen festlegen zu wollen. Plastomere (Thermoplaste)
220  erweichen allmählich mit steigender Temperatur und verlieren
221  dabei an Festigkeit und Formbeständigkeit. Härtbare Polyplaste
222  (Duromere) zersetzen sich oberhalb einer kritischen
223  Temperaturschwelle, büßen dadurch ihre Festigkeit ein und
224  verkohlen schließlich. Für reine Thermoplaste sind folgende
225  Dauertemperaturen zulässig: (Abb.). Bei den Metallen wird
226  zwischen den sehr niedrig schmelzenden (bis 500^ C), niedrig
227  schmelzenden (500 bis 1000^ C), hoch schmelzenden (1000 bis
228  2000^ C) und sehr hoch schmelzenden (2000 bis 3000^ C)
229  unterschieden. Als hochwarmfest gelten solche, die
230  Betriebstemperaturen zwischen 900 bis 2500^ C ausgesetzt werden
231  können, aber bisher nur bedingt vorhanden sind. Die vergütbaren
232  Aluminiumlegierungen vertragen Temperaturen über 160^ C nicht
233  mehr, und warmfeste Al-Legierungen sollten 200^ C nicht
234  längere Zeit ausgesetzt werden. Im Gegensatz hierzu ist es
235  möglich, Kunststoffe kurzfristig Temperaturen von 2500 bis 12000^
236  C auszusetzen, sofern man sie als Verbrauchskörper im Sinne
237  von Ablationswerkstoffen, z. B. für Hitzeschilde,
238  betrachtet. Ihre Oberflächenschicht verdampft unter diesen
239  Umständen, sie wird dadurch zerstört, gewährt aber auf Grund
240  der schlechten (Abb.) (Abb.) Wärmeleitfähigkeit einen zeitweiligen
241  Wärmeschutz, Bild 19. - Das Verhalten verschiedener
242  Materialien bei Wärmeeinwirkung ist dem Bild 20 zu entnehmen.
243  Verbundwerkstoffe als Korrosionsschutz. Der
244  Korrosionswiderstand der Metalle - von den Edelmetallen,
245  bestimmten Nichteisenmetallegierungen und den rostbeständigen
246  Stählen abgesehen, ist in der Regel geringer als der der
247  Kunststoffe. Die organischen Kunststoffe sind beständig
248  gegenüber aggressiven Medien, bzw. verhalten sich praktisch
249  unempfindlich bei Angriff durch chemische Agenzien. Eine
250  Spitzenstellung nehmen in dieser Hinsicht die Fluorkarbone ein.
251  Allenfalls führt Feuchtigkeit bei einigen Stoffen zu einer
252  Änderung ihrer Maßhaltigkeit, jedoch nur ausnahmsweise bis zur
253  völligen Zerstörung. Der Schädigungsgrad hängt von ihrem
254  chemischen Aufbau ab. - Um unter korrodierenden Umständen
255  Metalle mit ihrer höheren Festigkeit erfolgreich verwenden zu
256  können, liegt deshalb ein Übergang zu Verbundwerkstoffen nahe,
257  von denen das Metall die tragende Funktion wahrzunehmen hat,
258  während der Kunststoff den Korrosionsschutz übernimmt. Der
259  Witterung ausgesetzt, verhalten sich die Metalle grundlegend
260  anders als die Kunststoffe. Ihre Beständigkeit ist durch ihren
261  Korrosionswiderstand festgelegt, dagegen sind Kunststoffe mehr
262  oder weniger gegen ultraviolettes Licht und Sauerstoff anfällig.
263  Auch werden an einigen Typen spannungsrißkorrosionsähnliche
264  Erscheinungen beobachtet. Die Faserverstärkung. Der
265  Gedanke, die Festigkeit hochpolymerer Stoffe durch faserartige
266  Füllstoffe zu steigern, um ihnen hierdurch zu einer
267  strukturgebenden Gerüstsubstanz zu verhelfen, ist nicht neu.
268  Diese wird damit zum Festigkeitsträger des Verbundsystems.
269  Denkbar sind sowohl Kombinationen von Kunststoffen mit
270  Kunststoffen als auch solche mit metallischen oder anorganisch-
271  nichtmetallischen Einlagen. Aussichtsreiche Weiterentwicklungen
272  gerade auf diesem Gebiet sind zu erwarten. Überwiegend dienen z.Z.
273  Glasfasern als verstärkendes Material. Während das
274  normale Flachglas oder Hohlglas keine überraschenden
275  Eigenschaften aufweist, sind Glasfasern biegsam, geschmeidig und
276  erreichen bei Durchmessern von 4 *ym m Festigkeiten bis 330 (Formel),
277  Bild 21. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit begnügt man sich
278  bei den textilen Sorten mit Dicken von 7 bis 13 *ym m. Hundert
279  bis zweihundert endloser Glasseidenfasern werden zu Strängen,
280  Rovings genannt, zusammengefaßt oder zu Matten und Geweben
281  weiterverarbeitet, Bild 22. Um eine gute Haftung von Harz und
282  Glasfasern zu gewährleisten, erhalten diese einen Überzug als
283  Haftvermittler. Übliche Gewebetypen und Mattenarten sind Bild
284  23 zu entnehmen. (Abb.) Die Eignung einer Verstärkungsart ergibt
285  sich aus den Festigkeitsanforderungen sowie dem Fertigungsverfahren.
286  So lassen sich räumlich stark gekrümmte Teile nur aus Matten
287  herstellen, weil Gewebe ausbeulen würden. Die Festigkeiten
288  können bei Glasgehalten von 45 % bis zu 35 (Formel) für (Formel)
289  betragen. Die Druckfestigkeit liegt jedoch stets unter der Zug
290  festigkeit und Biegefestigkeit, Bild 24.

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