plastic material

All about materialsWerkstoffkunde

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General properties of plastics (1)Allgemeine Eigenschaften der Kunststoffe (1)

Some of the most important properties are:Zu den hervorstehenden Eigenschaften gehören:

– Low weight with good mechanical properties– geringes Gewicht bei guten mechanischen Eigenschaften

– Good electrical insulation– gutes elektrisches Isoliervermögen– Excellent resistance to chemicals and weather conditions– ausgezeichnete Beständigkeit gegen Chemikalien und Witterungseinflüsse– Low heat conductivity– geringe Wärmeleitfähigkeit.

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This is opposed to:Dem gegenüber steht:

– Small temperature consistancy– eine geringe Wärmebeständigkeit– Large expansion when heated– eine große Wärmeausdehnung– Small elasticity module– ein niedriger Elastizitätsmodul– Dependancy on time of the mechanical

properties– die Zeitabhängigkeit der mechanischen

Eigenschaftswerte.



The specific properties are determined by:Die spezifischen Eigenschaften werden bestimmt:

– The molecular construction– vom molekularen Aufbau– The order of the molecules– von der Molekülanordnung– The length of the macromolecules– durch die Länge der Makromoleküle– The additives and supplements– von den Zusatz- und Zuschlagstoffen.

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Distillation of oilDestillation vonErdöl

Erdöldämpfe+ Wasserdampf

GaseLeichtbenzinSchwerbenzin(Naphtha)PetroleumGasöl

Röhrenofenca. 400 °C

Öl

Fraktionierturm

Etagenboden


Cracking of gasoline to monomersCracken von Benzin zu Monomeren

850 °C

GasolineBenzin

VaporDampf

Crackofen

Butylen

Propylen

Butan

Ethan

Ethylen

Styrol

Vinylchlorid

+ Benzol

+ Chlor

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Crack processCrackprozess

Octanmolecule

Oktan-molekül

1. PhaseBreaking the chainBrechen der Kette

2. PhaseFormation of small molecules

Bildung von kleinerenMolekülen

Ethylen Ethan


Polymerisation

+ + +

+ + +

MonomerEthylen

Breakdown ofDouble bondsAufspaltung derDoppelbindung

PolymerPolyethylen

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Co - Polymers

Polymer 1e.g. PS

Polymer 2e.g. Acrylonitrile

Co - Polymere.g. SAN


Polyblends

Plastic 1 Plastic 2 Plastic 3

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Size of the macromoleculesGröße der Makromoleküle

The length of the macromolecules is about 1 millionth (1/1,000,000)To 1 thousandth (1/1,000) of a millimeter.

The thickness of the macromolecules is about 2 to 3 tenmillionths(2/10,000,000) of a millimeter

If we imagine increasing a molecule to the thickness of 1 cm, thenit could be up to 50 m long.

We talk about macromolecules when more than 1000 single moleculesare connected to each other.


Influence of the increasing molecule lengthon the various properties

Einfluss der steigenden Moleküllänge auf verschiedene Eigenschaften

An increase in the length of the molecule chain results in:

Steigende Molekülkettenlänge bedingt:• Increased strength• höhere Festigkeit

• Increased toughness• höhere Zähigkeit

• Increased chemical consistency• höhere chemische Beständigkeit

• Worse flow behaviour• schlechteres Fließverhalten

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Distributionof the polymer chains of different batches

Verteilung der Polymerkettenlängen bei unterschiedlichen Chargen

Chain lengthKettenlänge

Num

ber

r

Batch 1Batch 2Batch 1


Damage of the plasticsSchädigung der Kunststoffe

The molecule chains, supplements and colors are to an extent, sensitive, and can be damaged.

Die Molekülketten, Zuschlagsstoffe und Farben sind zum teil empfindlich und können beschädigt werden.

CausesUrsachen•High melt temperature •hohe Massetemperatur•Long dwell time• lange Verweilzeit•High injection speed •hohe Einspritzgeschwindigkeit•High backpressure•hoher Staudruck•High screw speed• hohe Schneckendrehzahl

EffectsAuswirkungen•Strength of parts decreaes

•Festigkeit der Teilewird geringer

•Pigments darken •Farben werden

dunkler•Supplements becomevolatile

•Zuschlagsstoffe gasen aus

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Structures of plastics (1)Strukturen der Kunststoffe (1)

Amorphous thermoplastamorpher Thermoplast

Examples:

PS

PVC

PMMA

PC



Semi-crystalline thermoplastteilkristalliner Thermoplast

Examples:

PEPPPAPETPBTPOM

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Thermoset close-net cross-linkingDuroplast engmaschig vernetzt



Elastomer wide-net cross-linkingElastomer weitmaschig vernetzt

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Difference amorphous – semi-crystallineUnterschied amorph - teilkristallin

Properties amorphous Semi-crystallineMolecular structure disordered linearAppearance, color Glass clear Cloudy, milkyMech. behavior brittle Tough, elasticshrinkage low (0.3- 0.7 %) high (1.5 - 3 %)chem. consistancy low good – very goodAbrasion high lowSliding behavior poor good Softening area large (app. 200) small (app. 1- 20)


Shrinking values of a few thermoplastsSchwindungswerte einiger Thermoplaste

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

PA POM PE PP PBT PC PS ABS

[%]

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Powers within the materialKräfte innerhalb des Werkstoffs

Intramolecular binding powers(chemical binding powers)innermolekulare Bindungskräfte(chemische Bindungskräfte)

Intermolecular binding powers(physical binding powers)zwischenmolekulare Bindungskräfte(physikalische Bindungskräfte)


Mechanical propertieswith plastics, everything is different

Mechanische Eigenschaften -bei Kunststoffen ist alles anders

• Property calibre• Eigenschaftsniveau• Dependancy on temperature• Temperaturabhängigkeit• Creep and flow• Kriechen und Fließen• Non-linearness (influence of amount of stress)• Nichtlinearitäten (Einfluss der Belastungshöhe)• Ageing• Alterung

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Amount of moisture absorptionFeuchtigkeitsaufnahme

CausesUrsachen• Storage of granulates• Lagerung des Granulates• Maintenance of dryer• Wartung der Trockner• Hopper too large, not covered

up• Trichter zu groß,

nicht abgedeckt • Feeding temperature too low• Einzugstemperatur zu niedrig• Decompression too large or too

fast• Dekompression zu groß bzw. zu schnell

Mistakes, problemsFehler, Probleme• Moisture streaks• Feuchtigkeitsschlieren • Brittle fracture• Sprödbruch• Increase of rejects when

coating and galvanising• Erhöhter Ausschuss beim Lackieren

und Galvanisieren• Difficult plastics:• Schwierige Kunststoffe

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Drying the materialMaterialtrocknung

DrierTrockner• Drying cabinet• Trockenschrank• Circulating air drying oven• Umlufttrockner• Dry air drier• Trockenlufttrockner• Nitrogen drier• StickstofftrocknerTest methodsPrüfmethoden• Evaluating the melt• Beurteilung der Schmelze• Wägung IR-Trocknung• Karbid-Methode• Karl-Fischer-Titration

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Usful information from data sheetsof raw materials producers

Nützliche Infos aus Datenblätternder Rohstoffhersteller

Temperature δ °C Pressures bar δ Feeder Injection Pressure δ Barrel Back Pressure δ Melt Feed Pressure

δ Mold Speed

m/s resp. U/min

δ Dryer and Time

Screw Circum-ference Speed


Plastics terminology (1)Kunststoffbezeichnungen (1)

Plastics are termed according to their chemical names and their acronyms.Kunststoffe werden durch ihren chemischen Namen und durch ihr Kurzzeichen bezeichnet.

Example:Polyoximethylene/Polyacetal POM(chemical Name) (Acronym)

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Plastics are given individual trade names by the companies which produce them.Kunststoffe erhalten von den Herstellerfirmen indivi-duelle Handelsnamen.

Example:Ultraform POM der Firma BASFHostaform POM der Firma TiconaDelrin POM der Firma Du Pont

Each producer produces different types from the same of material, e.g. POM and adds terms to the trade name.Jeder Hersteller stellt von einer Werkstoffart z. B. POM unter-schiedliche Typen her und hängt an die Handelsnamen noch zusätzliche Bezeichnungen an.



Example:Ultraform W 2210

Ultraform Trade name of BASF for POMW Letter characterizes the flowabilityNumbers give information about the properties

(e.g. toughness, supplements, ...)

Each producer has his own terms.Jeder Hersteller hat seine eigenen Bezeichnungen.

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How additives affect the materialWirkprinzipien bei Füllstoffen

• Improve the mechanical code• Verbesserung der mechanischen Kennwerte

• Increase form consistency during heating• Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit

• Small shrinkage• geringe Schwindung

• Improve creep behaviour even at increased temperature• Verbesserung des Kriechverhaltens auch bei erhöhter Temperatur

• Different flow and solidification behaviour• Anderes Fließ- und Erstarrungsverhalten


Material situation yesterday and todayWerkstoffsituation gestern und heute

0

20

40

60

80

100

120

HDPE LDPE/LLDPEPP PS PVC

HDPE LDPE/LLDPEPP PS PVCPC PBT PET PA

PC/ABS POM PPO/PSABS PMMA

PC PBT PET PAPC/ABS POM PPO/PS

ABS PMMALCP PEEK PEIPPS PAR PES

LCP PEEK PEIPPS PAR PES

1975 gestellte Prognose Stand 2000

Mar

ktan

teile

in %

15

plastic material

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