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Eigenschaften der Kunststoffe

Innere Aufbau und Festigkeitsverhalten - 1. Thermoplaste

Abb.1
Thermoplast - schematische Darstellung des Aufbaus

Wir haben gesehen, dass man die Kunststoffe grob in drei Gruppen einteilt: Die Thermoplaste, die Elastomere und die Duroplaste. Die unterschiedlichen Eigenschaften können dabei recht einfach durch die unterschiedliche innere Struktur der Kunststoffe erklärt werden. Speziell wird dies bei den Thermoplasten sichtbar. In den Thermoplasten sind die langen Polymerketten nicht direkt miteinander verknüpft, es gibt keine Quervernetzungen. In der oberen Grafik (Abb. 1) sind dabei die einzelnen Riesenmoleküle vereinfacht durch eine geschwungene Linie dargestellt.

Thermoplaste verformen sich beim Erwärmen

Die meisten Kunststoffe, die wir im täglichen Leben benutzen, sind Thermoplaste. Das sind Kunststoffe, die sich verformen, wenn sie erwärmt werden (also plastisch sind) oder sogar schmelzen. Bringt man z.B. Trinkbecher aus Polypropylen (einem häufig benutzten Thermoplast) zu nah an eine heiße Herdplatte oder erwärmt sie mit einem Heißluftföhn, verformen sich diese.

Abb.2
Verformen von Polypropylen (PP) durch Erwärmen

Verformen eines Joghurtbechers aus Polypropylen durch Erwärmen.

Hinweis: Bedingt durch die Herstellung besitzen Joghurtbecher ein Formgedächtnis.

Die Polymerketten in Thermoplasten können aneinander vorbei gleiten

In den Thermoplasten sind die langen Polymerketten nicht direkt miteinander verknüpft, es gibt keine Quervernetzungen. Zwischen den Ketten bestehen nur schwache Anziehungskräfte (sogenannte Nebenvalenzen).

Diese schwachen Wechselwirkungen werden beim Erhitzen durch die Wärmebewegung der Ketten zuerst "geschwächt" und bei genügend hoher Temperatur überwunden. Die Polymerketten können infolgedessen unter Zug und Druck aneinander vorbeigleiten. Der Kunststoff wird plastisch verformbar und schmilzt bei höheren Temperaturen.

Thermoplast in der Kälte
Thermoplast beim Schmelzen

Erhitzt man weiter, so zersetzt sich die Probe. Die kovalenten Bindungen innerhalb der Polymerketten werden durch Pyrolyse zerstört. Auch wenn man eine dünne Folie eines Thermoplasten auseinanderzieht, z.B. eine Haushaltsfolie, gleiten die einzelnen Ketten aneinander vorbei: die Folie wird gedehnt. Reichen die zwischenmolekularen Kräfte nicht mehr aus, um die Ketten aneinander zu halten, reißt die Folie.

Die Glasübergangstemperatur eines Kunststoffs bestimmt seinen Einsatzbereich

Ob ein Thermoplast bei Raumtemperatur hart oder weich ist, hängt von seiner Glasübergangstemperatur ab: Oberhalb dieser Temperatur ist er weich und verformbar, unterhalb fest und nicht formbar. In der unteren Grafik kann man sehen, dass Kunststoffe wie z.B. Polystyrol unterhalb der Glastemperatur benutzt werden. Sie sind glasklar und meist spröde. Das zeigt sich z.B. darin, dass Essgeschirr aus Polystyrol bei zu festem Biegen mit einem lauten "Knackgeräusch" bricht. Durch Zusätze zur Kunststoffmischung kann das Zerbrechen verhindert werden, das "Knackgeräusch" ist aber immer noch hörbar.

Abb.3
Polystyrol mit und ohne Knacks
Abb.4
PS
Abb.5
PE
Abb.6
PP

Verhalten verschiedener Thermoplaste in Abhängigkeit zu der Temperatur: PS wird unterhalb der Glastemperatur, Tg, benutzt (schwarz schraffierter Bereich, (Abb. 4) ), PE und PP oberhalb der Glastemperatur (dunkelgelber Bereich, (Abb. 5) und (Abb. 6) ).

Polyethylen und Poplypropylen werden hingegen oberhalb ihrer Glastemperatur benutzt: sie sind bei Raumtemperatur zäh-hart, mechanisch widerstandsfähig und formsteif. Zudem sind sie oft trübe, da sich die Ketten teilweise zu kristallinen Bereichen zusammenlagen (man sagt der Kunststoff ist teilkristallin). Diese Kristalline streuen das Licht, der Kunststoff ist nicht mehr transparent, so wie wir durch Nebel nicht mehr hindurchsehen können, da die kleinen Wassertröpfchen das Licht streuen.

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