Kunststoffwerkstoffe

Kunststoffwerkstoffe sind moderne, ständig an Bedeutung zunehmende, nachhaltige und in vielen verschiedenen Anwendungen einsetzbare Werkstoffe. Sie kommen in allen Lebensbereichen vor und haben andere Materialien wegen ihres außerordentlichen Eigenschaftsspektrums ersetzt.

Im Leistungssport sind oft eine geringe Masse und die hohe mechanische Belastbarkeit eine Anforderung. Das gilt im Wintersport für Skier, Snowboards, Schutzhelme und Schutzbrillen. Im sommerlichen Wassersport bei den Kanuten [1], beim Rudern, Surfen und Segeln ist es das Gleiche. Extreme Anforderungen an Mensch und Material werden unter anderem beim America’s Cup gestellt, vgl. Bild 1.1. Hier hatte das Team aus Neuseeland im Jahr 2012 die Foils bei einem Katamaran eingeführt, die das Boot buchstäblich zum Fliegen bringen [2]. Rumpf, Foils und Ruder sind wie die Aufbauten und der Mast bei Rennjachten aus Kohlenstofffaser-Epoxidharz-Verbund auf Schaumkernen, die Segel sind ebenfalls aus Carbon- oder Polyesterfasern.

In der Chemie kennt man Stoffe, auch Substanzen genannt, vgl. Bild 2.1. In der Physik wird eher von Materie gesprochen. Heterogene Stoffe oder Stoffgemische liegen vor, wenn diese durch physikalische Trennverfahren entmischt werden können. Physikalische Trennverfahren nutzen dabei unterschiedliche physikalische Eigenschaften wie z. B. Dichte, elektrische Ladung oder Schmelztemperatur. Eine Entmischung aufgrund einer unterschiedlichen Dichte findet in Wasser-Öl-Mischungen statt. In Kunststoffrecyclinganlagen werden Trennverfahren genutzt, die ferromagnetische Metalle (Eisenwerkstoffe) über Magnetsortierung und andere, nicht magnetische, aber elektrisch leitende Metalle mittels Wirbelstromsortierung aussortieren; hier werden elektrische und magnetische Eigenschaften zur Trennung genutzt. Sobald ein Stoff nicht mehr weiter mittels physikalischer Trennverfahren in seine Bestandteile getrennt werden kann, liegt ein homogener Stoff vor. Homogene Stoffe enthalten chemische Verbindungen einzelner Elemente. Die Elemente sind somit in der Chemie die Grundbausteine der Stoffe. Die Elemente können wie im Fall der Edelgase Helium und Neon aus einem Helium- bzw. Neonatom bestehen oder wie in anderen Fällen (Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, …) aus einer Verbindung von zwei Atomen. Verbindungen von Atomen heißen Moleküle.

Probekörper für die Werkstoffprüfung werden üblicherweise durch Spritzgießen hergestellt. Der Spritzgießprozess [1, 2] wird in verschiedene Phasen untergliedert, die sich in Form eines Kreislaufs, dem sogenannten Spritzgießzyklus, wiederholen, vgl. Bild 4.1:

In der Startphase wird das Werkzeug geschlossen und die Plastifizier- und Spritzeinheit, das sogenannte Aggregat, vorgefahren, bis die Düse auf der Düsenplatte des Werkzeugs aufsetzt und ein ununterbrochener Weg für die Schmelze von der Düse über Anguss und Verteilersystem bis in die Kavität im Werkzeug geschaffen ist.

Kurz gesagt scheint in den letzten Jahren die Einstellung vorzuherrschen: „Plastik ist böse!“. Der Werkstoff Kunststoff wird für Umweltprobleme verantwortlich gemacht, obwohl es Menschen sind, die unverantwortlich handeln. Andererseits gibt es große Herausforderungen für die Gesellschaft, zu denen auch ganz allgemein der Umgang mit begrenzten Ressourcen, also auch mit Rohstoffen und speziell mit Kunststoffwerkstoffen gehört. Und schließlich gibt es ernsthafte Risiken für Ökosysteme und damit letztlich, z. B. über die Nahrungskette, auch für den Menschen. Diese Risiken sind umso größer, als dass es einen Zeitverzug zwischen Ursache und Wirkung gibt, analog dem Zeitverzug beim Klimawandel.

Es ist gut zehn Jahre her, dass es schwierig war, das eigene Mobiltelefon am Ladegerät einer befreundeten oder bekannten Person aufzuladen, denn der Stecker des Ladegerätes passte meist nicht. Jeder Hersteller hatte einen anderen Stecker. Ab 2010 gab es dann nach politischem Druck in der Europäischen Union (EU) eine freiwillige Selbstverpflichtung der Industrie auf den Standard Micro-USB. Nur ein amerikanischer Hersteller bietet weiterhin einen anderen Stecker an. Einerseits ist es für Kunden heute leichter, unter vielen Anbietern das gewünschte Ladegerät zu finden, andererseits vereinfachte die Standardisierung den Marktzugang für neue Anbieter von Ladegeräten. Das Gleiche kann heute wieder bei Ladestationen für E-Autos beobachtet werden, wo zum schnellen Ausbau der Ladeinfrastruktur ein gemeinsamer Standard gesucht und gefunden wurde. Diese zwei Beispiele zeigen, dass Standardisierung zu Vorteilen für Produzenten und Kunden führt.

Bei allen Werkstoffen, ob aus Metall, Glas, Keramik oder Kunststoff, werden die Eigenschaften von Bauteilen durch das Zusammenspiel von Werkstoff, Herstellungsverfahren und Bauteilgeometrie beeinflusst. Bei Kunststoffen geschieht dies allerdings in besonders großer Weise.