Thermoplaste, Kristallisation und Auswahlkriterien --> 4 Fragen, Antworten/Hinweise auf jede einzelne sehr willkommen!

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    • Thermoplaste, Kristallisation und Auswahlkriterien --> 4 Fragen, Antworten/Hinweise auf jede einzelne sehr willkommen!

      Hallo,
      ich bin auf einige Fragen zu teilkristallinen Thermoplasten gestoßen, die nicht ganz in mein "Weltbild" der Kunststoffe passen.

      1. Ich bin in dem Wissen aufgewachsen, teilkristalline Thermoplasten würden vorwiegend oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt, da sie dort duktil und nicht "glasartig" sind. Bei einem Blick auf z.B. PA6 oder PA12 (z.b. Exemplarische Materialdaten) mit Tg von ca. 75°C bzw. 49°C frage ich mich nun aber wie das zusammenpasst. Die Kunststoffe würden demnach bei Raumtemperatur unterhalb Tg eingesetzt, also nicht dort, wo ich "erwartet" hätte. Welchen Vorteil bringt es dann noch, nicht auf die verzugsärmeren amorphen Thermoplaste zu setzen? Bieten die Kristallinen Bereiche auch unterhalb Tg z.B. mechanische Vorteile?

      2. Teilkristalline Thermoplasten sind nicht klar/durchsichtig sondern trüb durch die Lichtbrechung an den Phasengrenzen. Flaschen aus PET sind aber durchsichtig. Ich vermute die Kristallisation wurde fertigungstechnisch unterbunden. Wenn das zutrifft, warum dann nicht direkt einen amorphen Thermoplasten nehmen? oder z.B. PE-HD, was deutlich kostengünstiger zu sein scheint.

      3. Polycarbonat ist durchsichtig, was mich auf eine amorphe Struktur schließen lässt (möglicher Fehler). Amorphe Strukturen müssten aber "glasartig" weil unerterhalb Tg einzusetzen sein, PC ist aber ein sehr schlagzäher Kunststoff, der z.B. auch für "Schutzscheiben" in Prüfständen verwendet wird, um eventuell losfliegende Teile zu Stoppen. Wie passt das zusammen?

      4. Polyamide werden sehr häufig z.B. im Automobilbau eingesetzt, Werkzeuggehäuse sind z.T. aus PA6GF... Wenn ich über die Eigenschaften von PA lese, schneiden sie mechanisch eher zweitklassig ab, die Wasseraufnahme ist ein Problem, ... kurzum meine Frage: Welche Vorteile hat PA?

      Ich bin wirklich für jede Hilfestellung / Hinweis / ... dankbar!

      Viele Grüße!
    • Hallo @Maisacher und willkommen im Forum.

      Das sind ein paar gute Fragen, die du hast.

      1. Dein Wissen ist soweit korrekt. Am Beispiel Motorraum finden sich viele Teile aus PA6. Dort liegt die Einsatztemperatur bei hohen Lasten über Tg. Wenn also vom Motor Leistung gefordert wird, steigt auch die Temperatur im Motorraum an, wodurch die Einsatztemperatur über Tg liegt. Da spielen diese Kunststoffe ihre Stärke aus. Bei Werkzeugen, wie einer Kreissäge, ist es das gleiche Spiel. Auch da wirken im Verbindungsbereich deutlich höhere Temperaturen, weshalb die Kunststoffe so gewählt werden. In allen Fällen ist es relevant unter und über Tg die notwendigen Festigkeiten zu erreichen. Am Ende ist es immer ein Kompromiss, der getroffen wird hinsichtlich des Materials bzw. wird der Worst-Case abgedeckt, damit schwere Schäden vermieden werden können.
      Amorphe Kunststoffe haben das Problem, dass sie eine deutlich geringere Dehnung zulassen. Es wäre also notwendig für die gleiche Belastung das Bauteil dicker auszulegen. Das ist erstmal aus wirtschaftlicher Perspektive schlecht, da mehr Material benötigt wird und auch die Zykluszeit steigt. Aus der Prozesssicht ist es auch schlecht, da der Artikel so konstruiert werden muss, dass der Nachdruck möglichst lange wirkt. Passiert dies nicht, gibt es Lunker/Vakuolen, die das Material weiter schädigen und auch Eigenspannungen hervorrufen. Die zulässige Dehnung bei teilkristallinen Kunststoffen ist auch unter Tg größer, wodurch in der Summe es wirtschaftlicher ist und sich auch besser fertigen lässt.

      2. Bei PET gibt es verschieden Typen, die eine unterschiedliche Neigung zur Kristallbildung haben. Für Flaschen wird eine Type verwendet, die generell wenig Kristalle bildet. Der Preform wird herkömmlich gespritzt und abgekühlt. Im Anschluss wird der aufzublasende Bereich erwärmt und aufgeblasen. Das Werkzeug mit dem Flaschennegativ hat eine recht geringe Temperatur, damit der Kunststoff keine Zeit kriegt Kristalle zu Bilden. Ein PP oder PE als Kunststoff dafür zu nehmen, wird zu keinen transparenten Flaschen führen. PE und PP haben immer einen Mindestkristallanteil. Es geht auch PE und PP so schnell abzukühlen, dass nach den Entformen die beiden Kunststoffe klar sind, aber innerhalb der nächsten 48h ändert sich dies. Die beiden Kunststoffsorten werden also immer trüb.

      3. Bei PC wird der Versagensmechanismus genutzt. Es bilden sich sehr viele kleine Risse, die die Energie aufnehmen anstatt einem langen spröden Riss.

      4. PA lassen sich z.B. sehr gut kleben, was in vielen Bereichen eine Grundbedingung ist. Dichtungen lassen sich z.B. sehr gut ankleben. Auch lassen sich PA-Kunststoffe sehr gut schweißen. Weiterhin kommt noch hinzu, dass die Verarbeitung deutlich leichter ist(Zersetzungsgase nicht so kritisch, wie bei POM).
      Die Wasseraufnahme wird nur dann relevant, wenn die Teile permanent Kontakt zu Wasser haben. Bei Werkzeugmaschinen ist dies z.B. ausgeschlossen, da sonst die Elektronik flöten geht. Im Automotive-Bereich wird das Quellverhalten über Toleranzen berücksichtigt.

      Hoffe deine Fragen konnte ich beantworten.


      Gruß

      Juri Müller
    • Hallo Juri,

      ich bin echt baff! Ich hatte nicht gewagt von einer so fundierten und umfassenden Antwort zu träumen! Vielen vielen lieben Dank!!!
      Da wird mir einiges klarer. Ich hatte zwar versucht mir das selbst zusammen zu reinem, aber in den Zusammenhängen war das so nirgends zu finden.

      Mein Fazit (gerne korrigieren falls nicht korrekt - ich hoffe ich unterliege nicht dem Dunning-Kruger-Effekt )nach dem von Dir noch hinzugefügten "fehlenden Puzzlestein" zu 1.:
      Damit lässt sich das Anwendungsgebiet von amorphen TP zum Großteil Einsatzfälle mit "optischen Anforderungen" in denen es um z.B. Transparenz, Kratzfestigkeit (wegen der höheren Härte) und Verzugsfreiheit (wegen der geringeren Schwindung bei Erstarrung) einschränken. Fälle mit mechanischer Belastung sind dann bis auf Ausnahmen vollständig teilkristallin abzudecken.

      Zu 2.: Aha! Danke schön :)

      Zu 3.: Hat PC für den speziellen Versagensmechanismus (z.B. im Vergleich zum ja weniger gut geeigneten PMMA für Schlagbelastungen) einen besonderen Aufbau trotz der "amorphheit" wie z.B. besonders hohen Polymerisationsgrad und entsprechend langen, sehr verschlauften Ketten o.Ä.?

      Zu 4.: Verstanden :)


      Aber vor Allem: Ich kann es wirklich nicht oft genug wiederholen: Danke schön!!!!!


      Viele Grüße,

      Maisacher
    • Gerne. Das sind absolute Grundlagen, die jeder kennen sollte, der was mit Kunststoffen macht. Die Welt der Kunststoffe enorm groß und je mehr Wissen vorhanden ist, umso besser versteht man auch viele Dinge.

      Zu 1: Richtig. Amorphe Kunststoffe haben andere Eigenschaften, die z.B. im Werkzeugbereich genutzt werden. Die Bodenplatte von Oberfräsen ist z.B. aus amorphen Kunststoffen, da es deutlich leichter ist diese plan zu fertigen und sie auch kratzfester sind. Bei den mechanischen Belastungen hängt es davon ab, welche Belastung es ist. Da unterscheide ich zwischen Dehnung und Versagensart. Ist eine geringe Dehnung gefordert und auch eine Sollbruchstelle, empfehlen sich amorphe Kunststoffe. Habe ich aber deutlich mehr Dehnung(bis 8%), dann bleiben nur noch TK-Kunststoffe über.

      Zu 3: Die Verschlaufungen sind bei amorphen Kunststoffen alle ähnlich. PC hat einen anderen Aufbau der Moleküle, so dass diese untereinander nochmal über ein Dipol-Moment untereinander greifen und so die vielen Mikrorisse erzeugen.


      Hier im Forum sind alle bemüht Fragen so gut es zu beantworten. Jeder hat unterschiedliche Fachgebiete und man hilft sich untereinander.
    • De facto zeigt PA die typischen Eigenschaften eines amorphen Kunststoffes wenn es "staubtrocken" ist: hart und spröde.
      Die typischen technisch genutzten Eigenschaften stellen sich idR. ja erst durch Konditionierung (raumfeucht bis nass) ein, wegen der "Wasseranomalie des PA" nenne ich es mal.
      Oder liege ich da jetzt falsch?
    • Nein, das ist korrekt. Spritzfrisch ist PA immer spröde und hart. Mit der Aufnahme von Wasser aus der Luft wird es flexibel und elastisch. Durch die Konzentrationsunterschiede wird in kurzer Zeit viel Wasser aufgenommen, was sich in der Randschicht wieder findet. Erste Deformationen sind dann möglich, da die Dehnung in der Randschicht höher sein kann als im Kern. Bei Biegung wird der Kern in der Regel auch kaum belastet, womit dies nicht so relevant ist.
    • Hallo, weil es gerade zum Thema passt habe ich auch noch drei Fragen und Anmerkungen.



      Es ist ja auch möglich einen teilkristallinen Kunststoff (z.B. Grilamid Tr 50 von EMS - Grivory (PA-Typ)), transparent zu machen. Wir verarbeiten dieses Material zu transparenten Linsen.

      Wie ist das dann möglich bzw. wie wurde der Kunststoff modifizier damit er nicht trüb wird und kristallisiert. Nur durch eine schnelle Abkühlung gelingt da doch auch nicht, oder?



      Manche andere Kunststofftypen lassen sich auch transparent verarbeiten, diese Transparenz verschwindet aber innerhalb von 24 h weil durch weitere Abkühlung und die Nachschwindung kristalline Bereiche ausgebildet werden, welche davor nicht vorhanden waren...



      Des weitern lässt sich durch die Verarbeitung und durch den Prozess doch auch der Kristallisationsgrad beeinflussen. Starke Scherung, nicht passende Temperaturen, schnelle Abkühlung, Verwendung von Mahlgut oder ein zu hoher bzw. zu niederer Staudruck und dadurch entstehende ungleichmäßige Kristallkeime wirken sich doch auch auf die Homogenität der Kunststoffmasse und dadurch auch auf den Kristallisationsgrad aus oder? Klar gibt es bei PE oder PP einen „Mindestkristallisationsgrad“ den man nicht unterschreiten kann.

      Auch bei der Herstellung des Kunststoffes wir angegeben welchen Kristallisationsgrad das Produkt zum Schluss hat, aber bei der Verarbeitung kann sich da sicher noch viel ändern. Oder liege ich da falsch? Wenn nicht wie lässt sich dann also gekonnt der Kristallisationsgrad beeinflussen?



      LG

      HW_A :)
    • Diese Type ist ein amorphes PA. In jeder Regel gibt es auch Ausnahmen. Evonik hat auch transparentes teilkristallines PA entwickelt, wo die Kristalle für das sichtbare Licht transparent sind. Das ist dann unabhängig von der Temperierung.

      Die Nachkristallisation ist ein übliches Phänomen bei PE und PP. Die Kühlung mit Wasser unter 30°C macht z.B. keinen Sinn, da die Zykluszeit nicht reduziert wird. Die Kristalle leiten die Wärme besser als die amorphe Phase und so lässt sich die Zykluszeit noch leicht reduzieren. Bei 40°C erspart man sich die lange Wartezeit von 48h bis die Nachkristallisation abgeschlossen ist.
      Bei anderen Kunststoffsorten muss geprüft werden, wie hoch die Triebkraft für Kristalle ist. Manchmal reicht auch noch die Restwärme aus, damit die Triebkraft groß genug ist den Prozess zu starten und die entstehende Kristallisationswärme hält das Kristallwachstum am laufen.

      Es gibt Parameter, die die Kristallbildung begünstigen, während andere Parameter keinen bis kaum einen Einfluss haben. Das ist ein Thema einer meiner Schulungen. Hoffe du verstehst, dass ich auf dieses umfangreiche Thema hier nicht eingehe. Es ist auch möglich gezielt den Kristallisationsgrad zu beeinflussen. Im Bereich Automotive ist das wichtig, damit beim Crash die Kunststoffe nicht scharfkantig reißen und so Airbags oder Menschen schneiden. Eine Pauschalantwort gibt es nicht, da es vom Material, dem Artikel und dem Werkzeug abhängt.


      Gruß
      Juri Müller
    • Hallo @1u21, danke für die Antwort.
      Was meinst du mit, Triebkraft für Kristalle? Könntest du das noch genauer erklären?

      Und wenn bei PP eine Temperierung unter 30 Grad keinen Sinn macht würde das bedeuten, dass ich mit 40 Grad meine gewünschte Entformungstemp. (bei konstanter Kühlzeit) schneller erreichen kann, weil ich dem Kunststoff mehr Zeit gebe zu Kristallisieren und dadurch mehr Wärme im gleichen Zeitraum abgegeben werden kann?

      Grüße
      HW_A
    • @HW_A

      Als Triebkraft wird der Wunsch des Materials bezeichnet, damit ein energieärmerer Zustand erreicht wird. Werden die Kristalle gebildet, gibt der Kunststoff auch Wärme ab und wird somit stabiler. Ist einiges an Theorie, die für das Forum zu viel ist.

      Die reduzierte Zykluszeit hängt von verschiedenen Parametern ab. Wichtigster Punkt ist eine ordentliche Kühlung, die ich einfach mal voraussetze. Dann gibt es auch wenige PP-Sorten, die generell weniger Kristalle bilden, wo eine geringe Wassertemperatur einen Vorteil hat. Für die meisten PP-Sorten trifft es dann zu, dass sie mit einer höheren Wassertemperatur eine geringere Zykluszeit haben. Da muss von Fall zu Fall unterschieden werden, ob sich das lohnt. Du darfst nicht vergessen, dass dies auch einen Einfluss auf Schwindung und Verzug hat. Sind Toleranzen großzügig ausgelegt, stört es nicht. Auch muss beachtet werden, ob das Werkzeug auf 15°C oder 40°C ausgelegt ist. Ein Werkzeug, was für 15°C Wassertemperatur ausgelegt ist, kann bei 40°C klemmen und beschädigt werden.
    • Hallo @1u21



      Mir ist jetzt klar dass beim PP der Kristallanteil schwer zu verändern ist. Auch wenn ich versuche die Kristallisation zu unterbinden (durch z.B. schnelle Abkühlung), die Nachkristallisation macht mir spätestens einen Strich durch die Rechnung.

      Deine Aussage, dass man beim PP mit einer kalten Werkzeugtemperatur die Zykluszeit reduzieren kann ist mir aber immer noch nicht klar.

      Nehmen wir mal an dass wir von einer optimale Temperierung sprechen, Verzug und Schwingung keine rolle spielen und alle Einstellparameter gleich bleiben, außer die Wkzg Temperatur. Die verändern wir von z.b. 15 Grad auf 40 Grad (die höhe der Werte spielt ja jetzt keine Rolle geht nur ums Prinzip).
      Wie lässt sich da dann die Zykluszeit reduzieren sprich welche „Sollergebnisse“ kann ich schneller erreichen. Irgendwas muss ja schneller funktionieren sonst würde sich die Zeit ja nicht reduzieren?

      lg
    • Hallo @HW_A,

      nehmen wir die Sachen einfach so an, wie beschrieben. Dann müssen wir kurz in die Theorie der Wärmeübertragung gehen. Hier kann und will ich nicht in die Tiefe gehen, da es auch Teil einer meiner Schulungen ist bzw. Beratungsleistung. Bei Kunststoffen bzw. Fluiden allgemein hängt der Wärmetransport davon ab, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist ein anderes Teilchen zu treffen. Die Temperatur an sich gibt nur an, wie schnell sich die jeweiligen Teilchen im Schnitt bewegen. Habe ich eine amorphe Phase, ist die Dichte generell gering bzw. auch die Wahrscheinlichkeit ein anderes Molekül zu treffen. Liegt aber nun eine kristalline Phase vor, sind die Molekülketten dicht gepackt ,und wie Wahrscheinlichkeit steigt deutlich an, diesen Geschwindigkeitsimpuls weiterzugeben. Je höher diese Wahrscheinlichkeit ist, umso besser wird die Wärme geleitet.
      Gebe ich also dem Kunststoff die Möglichkeit schnell in der Randschicht Kristalle zu bilden, kann ich über die Randschicht mehr Wärme abführen. Teilkristalline Kunststoffe geben bei der Kristallisation auch sehr viel Wärme ab. Gibt es nun die Barriere einer amorphen Phase, hemme ich den Wärmetransport nach außen und verlängere also die Zykluszeit unnötig. Wann sich das lohnt hängt von vielen Dingen ab. Und das ist auch Teil einer meiner Schulungen.