Werkstoffkunde und Kunststofftechnologie: Polymere, Eigenschaften, Prüfverfahren, Additive
Grundlagen der Polymerstruktur
Kandidaten müssen den Aufbau von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren sicher unterscheiden können: Thermoplasten bestehen aus linearen oder verzweigten Makromolekülen, die bei Erwärmung reversibel erweichen; Duroplaste sind dreidimensional engmaschig vernetzt und nicht umformbar; Elastomere sind weitmaschig vernetzt und hochelastisch. Wichtige Begriffe sind Polymerisationsgrad, Molekulargewichtsverteilung, Kristallinität, Glasübergangstemperatur Tg und Schmelztemperatur Tm. Teilkristalline Thermoplasten zeigen einen scharfen Schmelzbereich, amorphe nur einen Glasübergang. Fragen prüfen häufig, wie Kristallinität Dichte, Steifigkeit, Transparenz und Schwindung beeinflusst.
Eigenschaften und Prüfverfahren
Verlangt werden Zugversuch (E-Modul, Streckspannung, Bruchdehnung nach DIN EN ISO 527), Biegeversuch, Charpy- und Izod-Schlagzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit, Härteprüfung (Kugeldruckhärte, Shore-Härte bei Elastomeren), Wärmeformbeständigkeit (HDT, Vicat), Schmelzindex (MFR/MVR nach ISO 1133) sowie Dichtebestimmung. Typische Fallen: Die Kerbschlagzähigkeit ist nicht mit der Schlagzähigkeit gleichzusetzen; der E-Modul wird aus dem Anfangsbereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmt; Prüfklimatisierung und Probenkonditionierung beeinflussen die Ergebnisse erheblich.
Additive und Alterung
Additive wie Stabilisatoren (UV, thermisch), Flammschutzmittel, Gleitmittel, Antistatika, Farbmittel, Füllstoffe und Verstärkungsfasern verändern Eigenschaften gezielt. Prüfungsfalle: Ein Additiv kann mehrere Wirkungen haben und Wechselwirkungen erzeugen; Glasfasern erhöhen Steifigkeit und Festigkeit, senken aber die Bruchdehnung.
Arbeitsschritt mit Rechenbeispiel
Ein Zugstab mit 10 mm Breite und 4 mm Dicke wird mit 1000 N belastet. Querschnitt A = 40 mm². Spannung σ = F/A = 1000/40 = 25 N/mm². Beträgt die Dehnung dabei 0,5 %, so gilt E = σ/ε = 25/0,005 = 5000 N/mm². Merkregel: Prozentangaben der Dehnung vor der Division in Dezimalbrüche umrechnen.