Thermoplaste

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Die besondere Eigenschaft von Thermoplasten ist ihre plastische Verformbarkeit oberhalb ihres Fließtemperaturbereichs. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet das, dass Thermoplaste wieder aufgeschmolzen und in ihrer Geometrie verändert werden können (ähnlich wie Metalle).
Thermoplaste bestehen aus langkettigen, linearen Makromoleküle, die nur durch Nebenvalenzen miteinander verbunden sind. Innerhalb der Gruppe der Thermoplaste unterscheidet man weiter zwischen:

  • teilkristallinen Thermoplasten und
  • amorphen Thermoplasten.

Teilkristalliner Thermoplast

Bei teilkristallinen Thermoplasten sind die Makromoleküle in bestimmten bereichen parallel zueinander gelagert. Dabei können die Polymerketten auch seitliche Verzweigungen besitzen.

Teilkristalliner Thermoplast
Polymerketten von einem teilkristallinen Thermoplasten

Man spricht hier von einem teilkristallinen Werkstoff, da sich die Moleküle nicht so regelmäßig anordnen wie es zum Beispiel bei Stahl der Fall ist. Im Gegensatz dazu sind die entstandenen Kristalle in einer amorphen Umgebung eingebettet. Die gebräuchlichen Kunststoffe weisen einen Kristallinitätsgrad zwischen 20 und 80% auf.Besitzen die Molekülketten jedoch eine ungünstige Form, wird die Kristallisation verhindert. Die Makromoleküle der Kunststoff-Schmelze erstarren dann amorph (siehe hierzu amorphe Thermoplaste). Grund hierfür sind häufig Seitenketten, die astartig unregelmäßig angeordnet sind.
Es existiert innerhalb dieses Werkstoffs also eine amorphe und kristalline Phase gleichzeitig.

Zustandsbereiche von PE
Zustandsbereiche des teilkristallinen Kunststoffs Polyethylen

Grundsätzlich nimmt der Kristallinitätsgrad zu

  • je gestreckter die Molekülketten sind,
  • je kleiner die Seitenketten sind,
  • je regelmäßiger die Anordnung der Seitenketten ist und
  • je stärker die Wirksamkeit der Nebenvalenzen zwischen den Molekülketten ist.

Teilkristalline Thermoplaste:
- PE Polyethylen
- PP Polypropylen
- POM  Polyoxymethylen (Polyacetale)
- PA Polyamid

Unterschiedliche Thermoplaste
Einteilung von Thermoplasten

Amorpher Thermoplast

Bei amorphen Thermoplasten sind die einzelnen Molekülketten völlig regellos ineinander verknäult.
Den Temperaturbereich, in dem ein amorpher Thermoplast fest ist, nennt man Glasbereich. In diesem Zustand besitzt der Kunststoff ähnliche Eigenschaften wie Glas - er ist relativ spröde und (in reiner Form) transparent.
Amorphe Thermoplaste besitzen außerdem keinen exakt definierten Schmelzpunkt. Bei einer Temperaturerhöhung werden die Moleküle beweglicher und der Kunststoff geht innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs von einer festen in eine flexible Phase über. Dabei wird der Kunststoff jedoch (noch) nicht flüssig. Dies geschieht erst bei noch höheren Temperaturen.


Zustandsbereiche des amorphen Kunststoffs Polycarbonat

Amorphe Thermoplaste:
- PS  Polystyrol
- PVC Polyvinylchlorid
- PMMA Polymethylmethacrylat
- PC Polycarbonat
- CAB  Celluloseacetobutyrat
- CAP  Celluloseacetopropionat
- SAN  Styrol-Acrylnitril (Beispiel eines Copolymerisates)
- ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol (Beispiel eines Terpolymerisates)

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Thermisches Verhalten von Thermoplasten

In Abhängigkeit von der Temperatur existieren für Thermoplaste vier unterschiedliche Zustände. Die Zustände werden mit zunehmender Temperatur wie folgt durchlaufen:

  • Hartelastischer Zustand
  • Thermoelastischer Zustand
  • Plastischer Zustand
  • Thermische Zersetzung

Dabei werden folgende Bereiche durchlaufen:

  • E.B. = Erweichungsbereich, Glasübergangsbereich
  • Fl.B. = Fließtemperaturbereich
  • Z.B. = Zersetzungsbereich
Thermisches Verhalten von Thermoplasten
Thermisches Verhalten von Thermoplasten

Hartelastischer Zustand

Im hartelastischen Zustand befinden Thermoplaste bei geringen Temperaturen. In diesem Zustand sind die Kunststoffe sehr spröde und glasartig. Die Makromoleküle sind durch Nebenvalenzen (Wasserstoffbrücken, van der Waals-Kräfte) sehr engmaschig miteinander verbunden. Sie besitzen keine Beweglichkeit.

Thermoelastischer Zustand

Im thermoelastischen Zustand sind thermoplastische Kunststoffe weichelastisch - teilweise gummielastisch – und können in ihrer Form verändert werden. Jedoch kehrt der Kunststoff immer wieder in seine Ursprungsform zurück (die Verformung ist nur elastisch, nicht plastisch). Die Vernetzung des Kunststoffs ist hier weitmaschiger als im hartelastischen Zustand.

Thermoplastischer Zustand (erhöhte Temperatur)

Im thermoplastischen Zustand sind keine Nebenvalenzen mehr wirksam, wodurch die Molekülketten aneinander vorbei gleiten können. Im Gegensatz zum thermoelastischen Zustand, bleiben Verformungen des Kunststoffs nun erhalten – sie sind also plastisch. Wird die Temperatur wieder gesenkt, kann der Kunststoff jedoch wieder in den thermoelastischen Zustand zurückkehren – er behält nun seine aktuelle Form bei.

Thermische Zersetzung  (hohe Temperatur)

Der Zustand der thermischen Zersetzung ist von einem Zerreißen der Molekülketten, aufgrund starker thermischer Bewegung, gekennzeichnet. Der Kunststoff wird beim Überschreiten des thermoplastischen Zustands zunächst flüssig und bei weiterer Erhitzung in seine Grundbestandteile zersetzt.

Verarbeitung

Mögliche Verarbeitungsverfahren für Thermoplaste sind:

  • Spritzguss
  • Extrusion
  • Blasformen
  • Folienblasen
  • Heißverstemmen
  • Kalandrieren
  • Spanende Verfahren (Sägen, Fräsen, Schleifen, Drehen, Hobeln, Bohren etc.)
  • Fügeverfahren (Kleben, Schweißen)
  • Thermische Berarbeitungsverfahren

Mehr zu den Verarbeitungsverfahren von Thermoplasten findet man in den folgenden Artikeln dieses Kunststofftechnik-Skripts.