Übersicht Kunststoffe

Jahrtausendelang waren natürliche Werkstoffe Grundlage menschlicher Existenz. Kleidung, Werkzeuge und Gebrauchsgegenstände wurden aus Leder, Metall, Stein, Ton und anderen Naturstoffen hergestellt.

Werkstoffe wie Porzellan, Glas und Metall-Legierungen wurden meist mehr oder weniger zufällig entdeckt.

Die Verknappung und Verteuerung wichtiger Rohstoffe löste zu Beginn des 20. Jahrhunderts eine intensive Suche nach synthetischen (künstlich hergestellten) Ersatzwerkstoffen aus. Grundlegend veränderte technische Anforderungen der schnell wachsenden Industrie konnten mit Naturstoffen allein nicht mehr erfüllt werden.

Aus natürlichen Rohstoffen wie Kohle, Steinkohlenteer, Erdöl und Erdgas wurden im Laufe der Zeit unzählige Verbindungen, darunter zahlreiche Kunststoffe, synthetisiert.

¹⁾Das Ziel, verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften und Synergieeffekte zu erzielen, ist in der Natur Gang und Gebe. Der Schnitt durch eine Paracortex-Zelle von Merinowolle und der Querschliff eines unidirektionalen kohlenstoffaser-verstärkten Epoxydharzes (Cf-EP) zeigen ähnliche Strukturen wie der Querschnitt von Cf-EP und der Längsschnitt eines Bambusstabes. Nicht nur bei der Mikrostruktur kann die Natur als Vorläufer für Faserverbund-Kunststoffe angesehen werden, sondern auch bei der Anwendung von Prinzipien des Leichtbaus.

Werkstofftechnische Gründe für die Verwendung von Fasern als Werkstoffelemente ergeben sich aus den vier Paradoxen der Werkstoffe:

1. Paradoxon des festen Werkstoffes: die wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedriger als die theoretisch berechnete (F. Zwicky).
2. Paradoxon der Faserform: ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als das gleiche Material in anderer Form und je dünner die Faser, umso größer ist die Festigkeit (A. A. Griffith).
3. Paradoxon der Einspannlänge: je kleiner die Einspannlänge, umso größer ist die gemessene Festigkeit einer Probe/Faser.
4. Paradoxon der Verbundwerkstoffe: ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würde, während von der stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann, als wenn sie alleine belastet würde (G. Slayter).

¹⁾ (nach Ehrenstein: Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)

 

Kunstoffgruppe	Beispiele	Beschreibung	Strukturmodell
Duroplaste ...härtbare Kunststoffe, die nicht erneut plastisch geformt werden können. Duroplaste sind unlöslich, unschmelzbar und nicht schweißbar. Bei hohen Temperaturen verkohlen sie.	Epoxydharze Polyesterharze Polyurethanharze Vinylesterharze ...und andere	Die Moleküle bilden ein dreidimensionales Netzwerk, sind also in alle Richtungen fest miteinander verbunden.
Thermoplaste ...werden in der Wärme plastisch und lassen sich wiederholt verformen. Reste sind durch Einschmelzen wiederverwendbar. Viele Thermoplaste sind in organischen Lösemitteln löslich. Verbindung untereinander durch Schweißen bzw. „kaltes Schweißen“ mit Lösemitteln.	ABS Polystyrol PVC Polyethylen ...und andere	Die Molekülketten sind sehr lang und orientierungslos angeordnet
Elastomere ...gummiartig elastische Werkstoffe. Unter Spannung dehnt sich der Werkstoff. Nach Wegnahme der Kraft bildet sich die Verformung fast vollständig zurück. Elastomere sind hitzefest bis zum Verkohlen und durch Wärme nicht schweißbar - Verbindung untereinander durch Vulkanisieren.	Silikonkautschuk Gummi ...und andere.	Lange Molekülketten, die stark verknäuelt sind und sich unter Spannung dehnen.