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Elastizität Kunststoffe

Die meisten Werkstoffe, oder besser gesagt die Formkörper daraus, zeigen unter bestimmten Voraussetzungen ein elastisches Verhalten, das heißt bei Belastung dehnen sie sich aus, bei Entlastung geht die Dehnung wieder zurück.

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Bild 1: Deformationsverhalten von Kunstoffen: a) elastisch, b) linear-viskoelastisch und c) nichtlinear-viskoelastisch

Handelt es sich um eine momentan reversible Verformung, so spricht man von idealer Elastizität. Sind Spannung und Dehnung proportional, so liegt eine HOOKE´sche Elastizität (siehe HOOKE´sche Gesetz) vor, der Sonderfall des ideal elastischen Verhaltens.

Die ideale Elastizität beruht auf einer reversiblen Änderung der Lagen von Atomen und Atomgruppen. Dieses elastische Verhalten ist charakteristisch für Keramik und viele Metalle sowie für thermoplastische Kunststoffe unterhalb der Glasübergangstemperatur bei geringer Dehnung.

Der Zyklus von Belastung und Entlastung bei HOOKE'scher elastischer Verformung erfolgt ohne Austausch von Arbeit und Wärme (∑A = O und ∑Q = O) sowie reversibel. Theoretisch sind diese bildlich dargestellten Zyklen (Bild 1a) deshalb unendlich wiederholbar, ohne dass eine Änderung des Elastizitätsmoduls auftritt.

Kunststoffe verhalten sich im Allgemeinen jedoch viskoelastisch. Die Viskoelastizität ist eine verzögerte Elastizität. Sie beruht auf Relaxationsvorgängen (siehe: Relaxation Kunststoffe), d. h. auf Rückstellvorgängen der Molekülketten, die mehr oder weniger Zeit beanspruchen.

Viskoelastische Vorgänge sind hinsichtlich der Verformung, jedoch nicht hinsichtlich des Verformungsweges meist vollständig reversibel (Bild 1b). Je nach Kunststoff und Belastung kann das vollständige Erreichen der Ausgangslänge nach Entlastung jedoch durch irreversible Vorgänge partiell behindert sein. Der Zyklus von viskoelastischer Belastung und Entlastung erfolgt unter irreversibler Umwandlung von Arbeit (∑A > 0) in Wärme (∑Q < 0) (Bild 1c).

Gummielastisches Verhalten zeigen weitmaschig vernetzte Polymere, so genannte Elastomere, oberhalb der Glasübergangstemperatur, thermoplastische Kunststoffe im quasi-gummielastischen Bereich und teilweise auch die Schmelzen von thermoplastischen Kunststoffen. Die Gummielastizität beruht auf dem Bestreben der Kettenmoleküle, die statistisch wahrscheinlichste verknäuelte Form anzunehmen, die dem entropisch günstigstem Zustand entspricht.


Literaturhinweis

  • Fonds der Chemischen Industrie: Folienserie "Neue Werkstoffe". Oehms Druck GmbH, Frankfurt/Main (1992) Folie 27 (ISBN 0174-366X)