Kunststoffen

Kunststoffen zijn zowel in de techniek als in het dagelijkse leven een bekend begrip en wordt veelvuldig toegepast. Om de toegankelijkheid van de algemene kunststoftechniek te vergroten, is in dit blog de belangrijkste informatie vastgelegd over kunststof.

Indeling van kunststoffen

Bij kunststoffen heeft men de keuze uit allerlei materialen met zeer uiteenlopende eigenschappen: van tamelijk hard en sterk tot zeer zacht en flexibel. Ze zijn op basis van materiaalkundige en productietechnische kenmerken onder te verdelen in drie hoofdcategorieën:

De structuurmodellen van de soorten kunststoffen zijn hieronder weergegeven:

Thermoharders

De uitharding bij thermoharders vind veelal bij hogere temperatuur plaats, zoals de naam het al ontleent. Een thermoharder wordt niet meer harder bij temperatuurverhoging, ook vertoond het geen verweking en vloei. De oorzaak hiervan zijn de dwarsverbindingen die covalent zijn en om deze reden smelt een thermoharder niet. Thermoharders kunnen niet op dezelfde manier worden verwerkt als thermoplasten. Dit omdat een thermoharder na verwerking niet meer om te vormen is, dus niet meer hergebruikt kan worden. Thermoharder kunststoffen worden in leidingsystemen onder meer toegepast in de installatiebouw (glasvezelversterkte reservoirs, flenzen etc.).

Synthetische rubbers

Synthetische rubbers of te wel elastomeren zijn analoog aan thermoplasten, maar verkeren in zachte ‘verweekte’ toestand. Ze vertonen vloei, maar na vernetting zijn ze door vulcanisatie niet meer vloeibaar maar vormvast. De vulcanisatie van het rubber zorgt voor een wijdmazige, ruimtelijke verbinding, die het rubber bij de gebruikelijke toepassingen de typische elastische eigenschappen verleent. Elastomeren worden in leidingsystemen onder meer toegepast als afdichtingen (O-ringen, vlakke pakkingen etc.) tussen verbindingselementen.

Thermoplasten

Thermoplasten zijn onvernette systemen, die vloeibaar worden bij hoge temperatuurverhoging en die na afkoeling weer de vaste vorm aannemen en bovendien gemakkelijk kunnen worden hergebruikt. Dit komt doordat ze geen dwarsverbindingen hebben. Thermoplasten zijn veel belangrijker voor leidingsystemen.

Thermoplasten worden vervaardigd met behulp van één van de volgende processen:

• Polymerisatie
• Polyadditie
• Polycondensatie

Met behulp van deze processen kan een groot aantal kunststoffen met verschillende eigenschappen worden vervaardigd. Ieder afzonderlijk proces kent verschillende speciale processen, die van invloed zijn op het uiterlijk en de eigenschappen van de kunststoffen. De thermoplasten kunnen worden onderverdeeld in twee subgroepen: amorfe en semikristallijnen thermoplasten. Daarbij dient te worden vermeld dat kunststoffen tegenwoordig niet in pure vorm worden toegepast, maar ook als mengsels, zogenaamde blends of compounds. Dit is afhankelijk van het gebruiksdoel en het toepassingsgebied. Met behulp van mengsels kunnen nieuwe of veranderde (mechanische, fysische en chemische) eigenschappen worden gerealiseerd. Het is niet mogelijk om ieder type kunststof naar gelieve te combineren met een ander type kunststof. Om een verbinding te kunnen realiseren zijn vaak geschikte bindmiddelen of andere additieven vereist.

Binnen elk van de drie hoofdcategorieën bestaat een groot aantal hoofdtypen, elk gekenmerkt door een specifiek opbouw van de macromolecuul. En binnen elke hoofdtype is er weer een aantal varianten mogelijk. Zo bestaan er talloze soorten kunststoffen.

Amorfe thermoplasten

Bij amorfe thermoplasten liggen de macromoleculen willekeurig door elkaar, zonder enige ordening. Amorfe thermoplasten zijn in ongekleurde toestand glashelder.

Semikristallijn thermoplasten

Bij semikristallijnen zijn de moleculen meer geordend en vormen gebieden met kristallen. Semikristallijnen thermoplasten bezitten een witachtige kleur. Vanwege de compacte ordening van de moleculen in het kristalverband is in de kristallieten sprake van lichtbreking. De kristallisatiegraad beïnvloedt in hoge mate de eigenschappen en de doorzichtigheid (transparantie) van de kunststof in ongekleurde toestand

Eigenschappen van amorfe en semikristallijn kunststoffen

Amorfe en semikristallijnen thermoplasten bezitten gedeeltelijk afwijkende eigenschappen. De belangrijkste verschillen worden hieronder weergegeven. Amorfe thermoplasten bezitten in vergelijking met semikristallijnen thermoplasten:

• een grotere vastheid
• een grotere stijfheid
• een grotere oppervlaktehardheid
• een hogere oppervlaktekwaliteit
• een geringere warmte-uitzetting
• een geringere neiging tot kromtrekking
• transparant (licht gaat er doorheen)

Semikristallijnen thermoplasten onderscheiden zich van amorfe thermoplasten door:

• een grotere taaiheid
• een grotere slagongevoeligheid
• een grotere flexibiliteit en elasticiteit
• niet transparant (licht kaatst terug)

Toelaatbare werkdruk bij hoge temperaturen

In verband met het thermoplastisch karakter van Kunststofbuizen neemt de toelaatbare wandspanning en drukbestendigheid af naarmate de langdurige temperatuur toeneemt.

Toepassingen bij lage temperaturen

Kunststof is een materiaal waarvan de eigenschappen worden beïnvloed door de temperatuur. Bij hogere temperaturen neemt de sterkte af. Lage temperaturen hebben eveneens invloed op het materiaal. Bij lage temperaturen neemt de sterkte toe en afhankelijk van het soort product neemt de weerstand tegen slag of stoot af. Deze afname is het sterkst bij de zgn. drempelwaarde van het materiaal. Dit is de overgang van de taaiheid naar de brosheid van het materiaal.

Lengteverandering ten gevolge van temperatuurschommelingen

De uitzettingscoëfficiënt van kunststoffen is hoog in vergelijking tot die van metalen. Bij het ontwerpen van kunststofbuizen dient rekening te worden gehouden met uitzetting en krimp van de buis. De gemiddelde temperatuur in de buiswand kan aanzienlijk fluctueren onder invloed van de temperatuur van het medium en die van de omgeving.

Lengteverandering bij drukverhoging

Bij buizen treedt bij drukverhoging een geringe diametertoename op, die afhankelijk is van de E-modulus van het buismateriaal. Deze toename van de diameter heeft een lengtevermindering tot gevolg.

Chemische bestendigheid kunststoffen

Het mechanisme van de chemische inwerking op kunststoffen verschilt sterk met die van andere materialen. Vanwege de relatief grote ruimtes tussen de molecuul ketens van thermoplastische kunststoffen, kunnen gas of vloeistofmoleculen indringen in de kristallijne structuren. Wanneer de vloeistof of gasmoleculen tussen de kunststofketens indringen vormen ze microscopisch kleine druppels. Wanneer er onvoldoende bestendigheid is van de desbetreffende kunststof kunnen deze kleine druppels op verschillende manieren zeer schadelijk inwerken. Door deze inwerking kunnen er bijvoorbeeld toevoegstoffen zoals; kleurstoffen, stabilisatoren of weekmakers uit de kunststof opgelost worden. Hierdoor kan er een chemische reactie optreden, waardoor de kunststof ketens verbroken zullen worden of de ketenopbouw gewijzigd zal worden of het kunststof zal gaan oplossen.

De aantasting door chemische stoffen wordt bepaald aan de hand van veel factoren, namelijk:

• Concentratie
• Temperatuur
• Druk
• Mechanische belasting
• Aanwezigheid van rechtsreeks zonlicht
• Spanningen in het materiaal

Soorten kunststoffen

Hieronder zie je de belangrijkste soorten amorf en semikristallijnen kunststoffen. Hoe hoger je die piramide in gaat hoe hoger de kwaliteit van de kunststof wordt en dus ook duurder.

HIGTEC kan u adviseren op het gebied van materiaalkeuze tijdens uw ontwerpproces. Wij hebben een grote kennis van kunststoffen en hun toepassingen binnen de techniek.