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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