[:en]Plastics – Basics and Introduction[:de]Kunststoffe – Grundlagen in kompakter Form[:]

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Plastics – material of the 21^st century

Plastics belong to the group of polymers. A polymer is an organic material and consists for the most part of carbon and hydrogen. Polymers are big molecules that have the shape of a chain (chain molecule) in which a great many identical subunits (the monomers) repeat themselves.

Since the introduction of the term “plastic” for an initially not clearly defined group of substances (for the first time by the journal “Kuststoffe”, founded in 1911) this term is written down in the German language and refers to artificially produced materials with polymeric material structure.

The model presentation about the structure of the plastic molecules goes back to Hermann Staudinger. The German laureate has created the basic for new methods of synthesis with this model formation in the early 20s and thus significantly helped the material to gain greater economic significance.

In the middle of the 19^th century, the industrial processing of plastics began with the production of rubber. The emerging automotive industry was the catalyst behind the rapid growth of the rubber industry. It was not until the mid-thirties that synthetically produced thermoplastics camo onto the market, which have since been experiencing an unstoppable growth.

The production of plastics is based on the three reactions processes polymerization, polyaddition and polycondensation. Petroleum is used primarily as a raw material for the production of plastics, but only 4% of the annual oil reserves are used to produce plastics. Although the production of plastics based on renewable raw material is growing at a rate of 4-5%, it is still uncertain whether complete substitution of the petrochemical plastics will ever occur.

Plastics – elastomers, thermosets and thermoplastics

Plastics are divided into the three major groups of thermoplastics, elastomers and duromers. Thermoplastics differ significantly from the elastomers and duromers due to the fact that thermoplastics can be converted into the plastically deformable state as often as required by the application of temperature.

Furthermore, the properties of the plastic groups differ considerably. While elastomers have considerable extensibility at low strengths, the thermosets represent a high-strength but often brittle material. Due to the fact that these materials chemically decompose (burn) when the temperature is applied, further processing can only be carried out after the shaping by means of machining processes.

Thermoplastics are characterized by very good mechanical properties, combined with excellent processability in mass production processes. No other construction material offers such diverse possibilities for shaping, combination and functional integration in a component as thermoplastics.

The process of thermoplastics takes place mainly through the processing methods of extrusion and injection molding.

Processing – Extrusion

During the extrusion, a usually powdery or granulat plastic raw material is melted by supplying energy and pressed the thus continuously resulting viscous plastic melt through a molding extrusion die. The so formed out profile is cooled either directly, so that a half stuff originates (e.g. window profile, pie) or the still deformable mass is transformed by subsequent process to the end product (e.g. bottles, hollow bodies, foils).

For this purpose, processing methods used are, for example, the blow molding, in which a deformable plastic tube is got caught between two cooled mold holves and a product is formed by inflating and applying the hose to the mold jaws of the tool.

Another plastic processing method is tubular film extrusion, in which a deformable plastic tube is inflated so much in a continuous process that the wall thickness of the tube decreases sharply and a thin-walled film is formed.

Processing – Injection molding

In the injection molding of thermoplastics, a liquid plastic melt is injected into a cooled forming tool and fixed there by temperature removal in its form. After the cooling process, the forming tool opens and a finished often multi-coloured or made of different materials product can be removed from the tool. In this way, the discontinuous injection molding process can in some cases produce more than 100 individual parts in a single cycle of a few seconds.

Plastic industry in Germany

The plastic industry consists of plastics producers, plastic processors and plastics machinery manufacturers and is one of the most important economic sectors in the Federal Republic of Germany with a turnover of approx. 90 billion euros and almost 500,00 employees. For other industries, such as automotive and mechanical engineering, packaging, electrical engineering or the construction industry supplies innovative solutions with specially tailored product properties.

Plastic products are among the high-tech products of German industry, although this is often hidden from the user. Today, a food packaging film combines up to eleven different plastics, thereby contributing to the excellent shelf life characteristics of the packaged food.

In other areas, heavy metal components are substituted by light fiber reinforced plastics such as in aircraft, racing or the automotive industry.

Plastics are an integral part of today’s world. The excellent processing possibilities coupled with a very economical production and a vast variety of possibilities for functional integration or combination of materials with different properties makes plastics the material of the 21^st century!

Further information, checklist and Excel tools for extrusion can be found in our free download area.

Literaturangaben:

[Mic06] Michaeli: Einführung in die Kunststoffverarbeitung, 5. Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien 2006, ISBN-13: 978-3-446-40580-6

[MHMS02] Menges, Haberstroh, Michaeli, Schmachtenberg: Werkstoffkunde Kunststoffe, 5. Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien, 2002, ISBN-13: 978-9-446-21257-2

[WdP03] Welt der Physik, Denkschrift zum Jahr der Physik – Polymere, www.weltderphysik.de, 2003

[Wor11] Wortberg: Kunststofftechnik, Vorlesungsskript, Universität Duisburg-Essen, 2011

[WVK11] Wirtschaftsvereinigung Kunststoff, Die Branchenvertretung der deutschen Kunststoffindustrie, www.wv-kunststoff.org, 2011

[PE11] Plastics Europe, Kunststoff, Werkstoff des 21. Jahrhunderts, PlasticsEurope Deutschland e.V., www.plasticseurope.org, 2011

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Kunststoffe – Werkstoff des 21. Jahrhunderts

Kunststoffe gehören zu der Gruppe der Polymere. Ein Polymer ist ein organischer Werkstoff und besteht zum überwiegenden Teil aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Polymere sind große Moleküle, die die Form einer Kette (Kettenmolekül) besitzen, in der sehr viele identische Untereinheiten (die Monomere) sich wiederholen.

Seit der Einführung des Begriffes „Kunststoff“ für eine zunächst nicht klar definierte Stoffgruppe (erstmalig von der Zeitschrift Kunststoffe, gegründet 1911) ist dieser Begriff in der deutschen Sprache festgeschrieben und bezeichnet künstlich hergestellte Stoffe mit polymeren Werkstoffaufbau.

Die Modellvorstellung über den Aufbau der Kunststoffmoleküle geht auf Hermann Staudinger zurück. Der deutsche Nobelpreisträger hat mit dieser Modellbildung Anfang der 20er Jahre die Grundlage für neue Synthesemethoden geschaffen und dem Material damit maßgeblich zu einer größeren wirtschaftlichen Bedeutung verholfen.

Mitte des 19. Jahrhundert begann die industrielle Verarbeitung von Kunststoffen zunächst mit der Herstellung von Kautschuk. Die zu diesem Zeitpunkt aufkommende Automobilindustrie war dabei der Motor für ein schnelles Wachstum der Kautschukindustrie. Erst Mitte der dreißiger Jahre kamen die synthetisch hergestellten Thermoplaste auf den Markt, welche seitdem ein unaufhaltsames Wachstum verzeichnen können.

Der Herstellung von Kunststoffen liegen die drei Reaktionsvorgänge Polymerisation, Polyaddition sowie Polykondensation zugrunde. Als Rohstoff zur Herstellung von Kunststoffen wird vorwiegend Erdöl eingesetzt, wobei aber nur ein Anteil von 4% der jährlich geförderten Erdölvorkommen zur Herstellung von Kunststoffen eingesetzt wird. Obwohl die Herstellung von Kunststoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe mit einer Wachstumsrate von etwa 4-5% zunimmt, ist heute noch ungewiss ob eine vollständige Substitution der petrochemisch hergestellten Kunststoffe je eintreten wird.

Kunststoffe – Elastomere, Duromere und Thermoplaste

Kunststoffe werden in die drei großen Gruppen der Thermoplaste, Elastomere und Duromere unterteilt. Thermoplaste unterscheiden sich signifikant von den Elastomeren und Duromeren durch die Tatsache, dass sich Thermoplaste beliebig oft durch Temperaturzufuhr in den plastisch verformbaren Zustand überführen lassen. Elastomere und Duromere hingegen können nach Ihrer Verarbeitung durch eine Temperaturzufuhr nicht mehr in den verformbaren Zustand überführt werden.

Ferner unterscheiden sich die Eigenschaften der Kunststoffgruppen erheblich. Während Elastomere erhebliche Dehnbarkeit bei geringen Festigkeiten aufweisen, stellen die Duromere einen hochfesten, jedoch häufig auch spröden Werkstoff dar. Aufgrund der Tatsache, dass sich diese Werkstoffe bei Temperaturzufuhr chemisch zersetzen (verbrennen), kann nach der Formgebung eine weitere Verarbeitung ausschließlich durch spanende Fertigungsverfahren erfolgen.

Thermoplaste stechen durch sehr gute mechanische Eigenschaften, kombiniert mit einer hervorragenden Verarbeitbarkeit in Massenproduktionsverfahren hervor. Kein anderer Konstruktionswerkstoff bietet derart vielfältige Möglichkeiten zur Formgebung, Kombination und zur Funktionsintegration in ein Bauteil wie thermoplastische Kunststoffe.

Die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen erfolgt maßgeblich durch die Verarbeitungsverfahren Extrusion und Spritzgießen.

Verarbeitung – Extrusion

Bei der Extrusion wird ein meist pulver- oder granulatförmiger Kunststoff-Rohstoff durch Zufuhr von Energie aufgeschmolzen und die so kontinuierlich entstehende zähflüssige Kunststoffschmelze durch ein formgebendes Extrusionswerkzeug gepresst. Das so ausgeformte Profil wird entweder direkt gekühlt, so dass ein Halbzeug entsteht (z.B. Fensterprofil, Rohr) oder die noch verformbare Masse wird durch Folgeprozesse zum Endprodukt (z.B. Flaschen, Hohlkörpern, Folien) umgeformt.

Dazu eingesetzte Verarbeitungsverfahren sind beispielsweise das Blasformen, bei dem ein verformbarer Kunststoffschlauch zwischen zwei gekühlten Werkzeughälften eingeklemmt wird und durch ein Aufblasen und Anlegen des Schlauches an die Formbacken des Werkzeuges ein Produkt ausgebildet wird. Ein anderes Kunststoffverarbeitungsverfahren ist die Schlauchfolienextrusion, bei der ein verformbarer Kunststoffschlauch in einem kontinuierlichen Prozess so stark aufgeblasen wird, dass die Wandstärke des Schlauches stark abnimmt und eine dünnwandige Folie entsteht.

Verarbeitung – Spritzgießen

Beim Spritzgießen von Thermoplasten wird eine flüssige Kunststoffschmelze in ein gekühltes formgebendes Werkzeug eingespritzt und dort durch Temperaturabfuhr in seiner Form fixiert. Nach dem Kühlvorgang öffnet sich das formgebende Werkzeug und ein fertiges, oft mehrfarbiges oder aus unterschiedlichen Materialien bestehendes Produkt, kann dem Werkzeug entnommen werden. Das diskontinuierliche Verarbeitungsverfahren Spritzguss kann auf diese Weise in einem einzigen Zyklus von wenigen Sekunden zum Teil mehr als 100 Einzelteile produzieren.

Kunststoffindustrie in Deutschland

Die Kunststoffindustrie besteht aus Kunststofferzeugern, Kunststoffverarbeitern und Kunststoffmaschinenbauern und ist mit einem Umsatz von ca. 90 Mrd. Euro und fast 500.000 Beschäftigten einer der wichtigsten Wirtschaftszweige in der Bundesrepublik Deutschland. Für andere Industriezweige wie den Fahrzeug- und Maschinenbau, die Verpackungsindustrie, die Elektrotechnik oder die Bauindustrie liefert die Kunststoffbranche innovative Lösungen mit speziell abgestimmten Produkteigenschaften.

Kunststoffprodukte gehören zu den High-Tech Produkten der deutschen Industrie, auch wenn dies dem Anwender häufig verborgen bleibt. Eine Verpackungsfolie für Lebensmittel kombiniert heutzutage bis zu elf verschiedene Kunststoffe und trägt damit zu hervorragenden Haltbarkeitseigenschaften des verpackten Lebensmittels bei. In anderen Bereichen werden schwere Metallkomponenten durch leichte faserverstärkte Kunststoffe substituiert wie beispielsweise im Flugzeugbau, im Rennsport oder in der Automobilindustrie.

Kunststoffe sind aus der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Die hervorragenden Verarbeitungsmöglichkeiten gepaart mit einer sehr wirtschaftlichen Produktion und einer unüberschaubaren Vielfalt an Möglichkeiten zur Funktionsintegration oder Kombination von Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften macht Kunststoffe zum Werkstoff des 21. Jahrhunderts!