NIKK: Basiskennis van Kunststoffen

1. Basiskennis van Kunststoffen
Dr. Boris Gibbesch
NIKK B.V.
Geleen

2. Inhoud
• Kunststofsoorten
• Eigenschappen van kunststoffen
– Corrosie van kunststoffen
– UV-bestendigheid
– Permeatie
– Abrasie en slijtage
– Elektrische en thermische isolatie
– Brandbaarheid van kunststoffen

3. Van aardolie tot kunststof
Ruwe olie
Brandstof en stookolie Kunststof Chemische producten Rest
90% 4% 3% 3%
Industriesystemen 4%
Andere toepassingen 96%
(PVC-U, PE, PP, PVDF, PFA, etc.)

4. Moleculaire opbouw
Kunststoffen zijn macromoleculen, bestaande uit de
elementen:
Etheen H2C=CH2 Polyetheen [-H2C-CH2-]n
C koolstof
H waterstof
S zwavel
N stikstof
Cl chloor
F fluor
Macromoleculen ontstaan uit
polymerisatie van monomeren:
polymerisatie
Etheen Polyetheen

5. Hoofdgroepen van kunststoffen
Thermoplasten Thermoharders Elastomeren
Moleculaire
Opbouw
Amorf kristallijn Chemisch Chemisch licht
Chemisch niet vernet intensief cross-linked met
3D cross-linked bijv. zwafel
(peroxiden)
Voorbeeld PVC-U, PS, PE, PP, PA, U-Polyester hars Rubber, NBR,
ABS, PVDF, Epoxy hars EPDM, FPM, CR,
PMMA, PC ECTFE, Vinylester hars IR, IIR, PUR
PTFE PFA, PU-hars
PEEK, PEI
Eigenschap smeltbaar lasbaar, enkelen niet smeltbaar niet smeltbaar niet
zijn ook lijmbaar niet lasbaar, maar lasbaar, enkele
lijmbaar lijmbaar

6. Temperatuur bereik
270
l ange duur bel asti ng
Bedrijfstemperatuur in °C
240
korte duur bel asti ng
210
180
150
120
90
60
30
0
-30
-60

7. Mechanische Eigenschappen van
thermoplasten gerelateerd aan de temperatuur
Temperatuur in K (°C)

8. Mechanische eigenschappen van
thermoplasten – lange duur
• Mechanische eigenschappen van thermoplasten zijn afhankelijk van de
tijd, temperatuur en belasting

9. Verschil tussen PE 80, PE 100, PE 100 RC
• MRS = minimum
required strength in
MPa x 10
• Alleen voor water bij
20 °C

10. Wat is PE 100 RC
• Dit is een bijzondere PE 100
• Bijzondere eigenschappen
– PE 100 RC heeft hogere FNCT waarden
– PE 100 RC is minder gevoelig tegen langzame
scheurvorming
– PE 100 RC houdt langer bij oppervlakte actieve
chemicaliën
– Let op: PE 100 is niet beter bestendig en heeft
geen hogere mechanische eigenschappen

11. Wat is FNCT
• FNCT staat voor full notch creep test
• DIN EN 12814-3; ISO/DIS 16770
• Het is een test bij 80°C en 2% Arkopal
N100 met een gedefinieerd
proefmonster die in de midden een 1,6
mm diep kerf heeft
• Het proefmonster wordt bij 4,0 MPa in
de trekproef getest
• FNCT waarde: tijd voor de volledige
breuk in uren
• Breuk moet minimaal 1/3 bros zijn

12. FNCT waarden voor meerdere PE typen
PE typen voor industriële en FNCT waarden in uren (minimaal
ondergrondse leidingen vereist)
PE-HD 1) ≥ 20
PE 631) ≥ 30
PE 801) ≥ 100
PE 1001) ≥ 300
PE 100 RC grondstof 2) ≥ 8760 3)
PE 100 RC 2) ≥ 3300
1) volgens DIBt
2) volgens PAS 1075
3) Meestal thermische verouderingsgrens

13. Huidige ontwikkeling
van PE 100 materialen
16000 ~15.000
80°C, 4 MPa
~14.500
2% Arkopal N100
14000
12000
Standtijd in uur
~10.000
10000
8000
6000
4000
2.000
2000 800
˂10 10 30 50 250 320 350 500 650
0

14. PP-Typen voor industriële toepassingen
• PP-H: Polypropyleen homopolymeer
• PP-B: Polypropyleen block-copolymeer
• PP-R: Polypropyleen random copolymeer
PP – chemische opbouw
Monomeer, Propyleen
Polymer, Polypropyleen

15. PP-Co-polymeren
- co-monomeer: polyetheen
blokswijs: PP-B, block copolymeer
-PP-PP-PP-PP-PE-PE-PE-PE-PP-PP-PP-PP-PP-PE-PE-PE-PE-PP-
PP-PP-PP-PP
willekeurige verdeeling: PP-R, random copolymeer
-PP-PE-PP-PP-PE-PE-PP-PP-PP-PE-PP-PP-PE-PP-PP-PE-PE-PP-PP-PP-
PE-PP-PP-PE-

16. Mechanische eigenschappen van
thermoplasten
- korte duur waarden -
PE- PVC- E-
PE 100 PP-H PP-B PP-R PVDF PFA
80 U CTFE
E-Module
800 900 1700 1000 ≤ 1000 3000 1950 1650 690
in MPa
Treksterke in
22 22- 24 33 24 26 60 55 31 31
MPa
Rek bij 500 - 700 -
70 70 200 15 30 125 300
breuk in % 700 900
Kerf
slagvastheid 12 12 7-9 ≤ 75 30 4 12 100 n.m.
kJ/m2
Gebruiks- -50 - -20 - 0- -30 - -40 -
-40 -
temperatuur -50 - 60 0 - 100 -5 - 95
60 80 60 140 150 150
in °C
Brandgedrag
Volgens B2 B2 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B1
DIN 4102

17. Wat is GVK ?
• GVK is een kunststof gevuld of versterkt met
glasvezels
• Glasvezels zijn :
– Glasweefsels (uni
directioneel, 90°/90°, 90°/45°/90°)
– Vezels meet een lengte tussen 0,2 en 40 mm
(willekeurige verdeling)

18. Mechanische eigenschappen van GVK
Glasgehalt Versterking Trekvastheid Rek bij breuk E-Moduul
e in ma-% materiaal in MPa in % in GPa
30 Mat 100 – 120 2 8 – 11
45 Mat 120 – 150 2 10 – 14
50 Mat en roving 200 – 230 2 12 – 16
weefsel
60 Roving weefsel 280 – 320 2 18 - 21
De waarden zijn bijna niet afhankelijk van de levensduur en t/m de Vicat
temperatuur ook niet afhankelijk van de temperatuur.

19. Mechanische eigenschappen van
elastomeren
geen vulstof
Spanning
ideaal elastisch
breuk
Uitzetting

20. Toepassingen van elastomeren
• Rubber wordt gebruikt in
– Autobanden
– Pakkingen
– Slangen
– Corrosiebescherming
– Demping
• In de praktijk worden de rubber grondstoffen gevuld omdat de
mechanische eigenschappen aangepast worden aan de
toepassing
– Carbon black
– Talkpoeder
– Weefsel

21. Meest gebruikte rubber typen
• Natuur rubber NR (IR)
– Corrosiebescherming
– Pakkingen
• Butyl rubber BR
– Autobanden
• Acrylonitril Rubber NBR
– Pakkingen
• Chlooropreen rubber CR
– Pakkingen (bestendig tegen oplossingen)
– Membranen
• Ethyleen Propyleen rubber EPDM
– Pakkingen
– Profielen
• Fluor elastomeren FKM (vroeger FPM)
– Pakkingen voor hogere temperatuur

22. Mechanische eigenschappen in
vergelijking
Eigenschappen NB BR CR NBR EPDM CSM FKM
Treksterke 1 5 2 2 3 3 3
Elasticiteit 1 1 2 4 3 5 5
Max. 100 100 120 120 140 130 210
gebruikstemperatuur
Weer en 5 5 4 5 1 1 1
ozonbestendigheid
1= uitstekend, 2 = erg goed, 3 = goed, 4 = toerijkend, 5 = slecht

23. Statische berekening van
thermoplastische componenten
• Voor de berekening belangrijke data
– Langeduur waarde
 E-Moduul (kruip moduul)
 Langeduur treksterke
 Poisson ratio
 Maximaal toelaatbare uitzetting
 Temperatuur/temperatuur wisseling
 Verwachte levensduur
• Berekening volgens DVS 2205, DVS 2210
• Berekening met behulp van de eindige elementen methode
(FEM)

24. Statische
berekening
400 Staal
Coper 350
Staal 300
Aluminium Aluminium
250 GVK 50% glas
Treksterke in MPa
PFA Magnesium
PVDF 200
PVC 150 PA66 GF30
PE PA 66
PP 100
PP GF30
50 ABS
0 2 4 6 8 10 PE PP
0 PVC
Dichtheid in g/cm³
100 1000 10000 100000 1000000
Trek-E-Moduul in MPa

25. Statische berekening van GVK
• GVK tanks
– Volgens EN 13121, EN 13923 en AD Merkblatt
2000
– ASTM D4097
– PED

26. Corrosie van kunststoffen
• Niet vergelijkbaar met metalen en beton
• Kunststoffen corroderen niet hetzelfde als
metalen, maar door het aantasting van
chemicaliën worden de eigenschappen
gewijzigd
– Opname van medium (zwelling)
– Chemische wijziging van het materiaal
– Scheurvorming
– Put corrosie

27. Zwelling (1)
• Kunststoffen zijn gevoelig voor kleine moleculen die in
de kunststof kunnen worden opgenomen
• Door de opname worden de eigenschappen van de
kunststoffen gewijzigd
– Mechanische eigenschappen
– Thermische eigenschappen
– Lasbaarheid, lijmbaarheid

28. Zwelling (2)
• De zwelling is afhankelijk van de
– Kunststofsoort
– Temperatuur
– Concentratie chemicaliën
– Chemicaliën
tijd

29. Zwelling (3)
• Het zwellingsproces
– Kleine moleculen worden op de
oppervlakte adsorbeert en
aansluitend in de kunststof opgelost
(absorbeert)
Sorptie coefficient S
– Bij gassen is de hoeveelheid van de
opname o.a. afhankelijk van de
dampdruk
– Bij vloeistoffen is de hoeveelheid
van de opname o.a. afhankelijk van
de moleculaire opbouw en Temperatuur
moleculaire grootte

30. Permeatie van kunststoffen
- permeatie van gas en vloeistof -
• Kunststoffen zijn niet 100% dicht tegen gassen en
vloeistoffen
• Permeatie is de doorgang van moleculen door een
membraan (plaat, buis, etc.)
• De permeatie is afhankelijk van
– Temperatuur Oppervlakte A
– Concentratie van het gas of de vloeistof
– Druk (alleen gas) Doorgaan hoeveelheid
m
– Kunststof
– Chemicaliën Partiaaldruk p Partiaaldruk p
1 2
Dikte s

31. Het meten van de permeatie
1 Vullen met gas of vloeistof 5 Meetruimte proefzijde
2 Vullen met inert gas (bijv. Ar) 6 Proefopening
3 Manometer 7 Ontlasting
4 Meetruimte drukzijde 8 Proefplaat
Bron: energie, wasser-praxis 12/2006- DVGW Jahresrevue

32. Permeatie waarden voor waterdamp
Materiaal Permeatie coefficient Aktiveerings- Constant P0
[ng/cm h bar] energie
50° C 70° C 90° C [kJ/mol] [g/cm h bar]
PE 0,3 ±0,5 1,7 ±0,5 3,1±0,2 42 0,03
-5
PP 1,6 ±0,8 4,5 ±0,5 7,5,0±1,1 25,6 4 10
-5
PVDF 5,9 ±0,7 9,0 ±1,5 15,0±1,0 23 4,5 10
-3
FEP 0,15 ±0,1 0,8 ±0,1 1,4±0,1 38 1,5 10
GVK 30% glas 6,8 ±0,2 9,4 ±0,2 12,2 ±0,1
GVK 55% glas 3,8 ±0,7 6,0 0,1 8,0 ±0,2
NR 5,2 ±0,3
CR 38 ±3
IIR 1,0 ±0,1 4,6 ±0,1

33. Permeatie door een gasbuis
• Bijv. PE 100 en aardgas bij 20 °C
– d = 100 mm
– Druk = 5 bar
– Lengte = 1000 m
• Het door de buiswand doortredende volume
is 3,5 m3 per jaar

34. UV-bestendigheid en bestendigheid tegen
hoogenergetische straling (X-, -, - en -
stralen)
• Kunststoffen zijn gevoelig tegen straling
• Hoe hoger de frequentie hoe hoger de energie
• De chemische bindingsenergie van C-C en C-H
bindingen kunnen door UV-licht verbroken worden
• C-Cl en C-F bindingen zijn vaster en hebben een
hogere energie nodig

35. Spectrum van de straling
Bron: www.Wikipedia.de

36. Belasting door UV-zonlicht
• Zonlicht: 1000 kWh/m2 per jaar zonenergie
• Daarvan: 16 kW/m2 UV licht (gemiddeld)
• Belasting grens voor PP is ca. 20 kJ/kg
• Aanname: 1 mm van de oppervlakte wordt aangetast
Dan wordt het materiaal aangetast na:
Materiaal Maximaal toelaatbaar
belasting
PP 185 uren
PVDF 60 jaar
PE 35 jaar
PEEK 495 jaar

37. Abrasie/slijtage van kunststoffen
• Abrasie en slijtage wordt op het gebied van tribologie onderzocht
• Abrasie is de mechanische schuring van een oppervlakte die
deeltjes veroorzaken die op een oppervlakte met een snelheid > 0
neerkomen. Door de slijtage komen deeltjes los van het
oppervlakte.
• De intensiteit van de slijtage is afhankelijk van
– Slijtage medium
 Korrelgrootte
 Vorm (hoekig, puntig, rond)
 Hardheid
 snelheid
– Materiaal dat versleten wordt
 Hardheid
 E-module
 Rek bij breuk
 Demping

38. Typen van slijtage
• Slijtage
– In een leiding door vaste stoffen in een vloeistof
– Besproeien van een oppervlakte
– Wrijving van twee oppervlakten tegen elkaar
– Slijtage door cavitatie

39. Buis beproevingsapparatuur

40. Slijtage in buizen en bochten
Buis zonder radius
Stalen buis DN50 PN10
OD 63 mm, s= 6 mm
PE HD buis DN 50, PN 10
D = 63
S= 6 mm
Buigradius r
Slijtage medium: water met 7 c.q. 14% zand
Dichtheid 1,07 c.q. 1,15 kg/l
Temperatuur water 30 t/m 35 °C
zand Stroming snelheid ca. 7 m/s
Tijd van de slijtage tot er een gat
ontstaat

41. Darmstädter methode

42. Slijtage „Darmstädter“ methode
Vezel-cement GVK Beton
3
2.5
Slijtage in mm
2
1.5
1
0.5
0
100,000 300000 400000 500000
Aantal belastingen

43. Sand-Slurry-Test

44. Sand-Slurry-Test
GVK 20%
vulstof
GVK 50%
glas
PE 100
PP-R
PP-H
rubber
0 200 400 600 800
relatieve slijtage

45. Slijtage door stralen
• Toepassingen
– Water in een
energie centrale
– Reinigingen van
oppervlakten
• Snelheid t/m 20 m/s
Bon: Keramchemie GmbH

46. Slijtage afhankelijk van de
moleculaire massa
40
35 Molekulaire masse niet
1/moleculaire massa
30
toerijkend
25
20
15
10
5
0
0 20 40 60 80
rel. Slijtage
Bron: Menges - Werkstoffkunde Kunststoffe

47. Glijden van kunststoffen
• Glijden is gedefinieerd als een beweging op een
oppervlakte met minder wrijving
• De wrijvingsweerstand is afhankelijk van :
– Droog of met smeermiddel
– Druk/belasting
– Wrijvingscoëfficiënt
 Materiaal/materiaalcombinatie
 Ruwheid
 Hardheid
 Adhesie eigenschappen

48. Glijdingscoëfficiënt
Glijmateriaal Glijpartner Snelheid [mm/s]
0,03 0,1 0,4 0,8 3,0 10,6
Wrijving coëfficiënt [µ]
a) Zonder smering
PP (gespoten) PP (zand gestraald) 0,54 0,65 0,71 0,77 0,77 0,71
PA (gespoten) PA (gespoten) 0,63 - 0,69 0,70 0,70 0,65
PP (zand gestraald) PP (zand gestraald) 0,26 0,29 0,22 0,21 0,31 0,27
PA (gedraaid) PA (gedraaid) 0,42 - 0,44 0,46 0,46 0,47
PP (zand gestraald) Staal niet gehard 0,33 0,34 0,37 0,37 0,38 0,38
PA (gedraaid) Staal niet gehard 0,39 - 0,41 0,41 0,40 0,40
b) Olie smering
PP (zand gestraald) PP (zand gestraald) 0,29 0,26 0,24 0,25 0,22 0,21
PA (gedraaid) PA (gedraaid) 0,22 - 0,15 0,13 0,11 0,08
Staal niet gehard PP (zand gestraald) 0,17 0,17 0,16 0,16 0,14 0,14
Staal niet gehard PA (gedraaid) 0,16 - 0,11 0,09 0,08 0,08
PP (zand gestraald) Staal niet gehard 0,31 0,30 0,30 0,29 0,27 0,25
PA (gedraaid) Staal niet gehard 0,26 - 0,15 0,12 0,07 0,04
Bron: Menges - Werkstoffkunde Kunststoffe

49. Isolatie-eigenschappen van kunststoffen
• Kunststoffen zijn thermische en elektrische isolerend
• Met behulp van vulstoffen kunnen de eigenschappen
gewijzigd worden
– Elektrische weerstand < 103 Ω
– Thermische geleiding verhoogd tot een factor 10

50. Elektrische weerstand van meerdere
materialen
Anorganische Oppervlakte Thermoplast
materiaal weerstand
in
Quartz 1018 PET, ABS, PE, PVC, PP,
PVDF, E-CTFE, PFA
1016
Diamand 1014
12
10
1011 PVC schuim, PVC Coex
schuim AS, PP-AS, PPs-AS
Glas 1010
10 9
10 8
Silicon 10 6 PE-EL, PVC-EL, PP-EL, PPs-
EL, PVDF-EL
10 4
2
Germanium 10
0
10
Bismuth 10-2
10-4 ICP
Coper 10-6

51. Warmtegeleiding van kunststoffen
Warmtegeleiding λ
Materiaal
in W / (m · K)
PVC-U 0,17
PUR niet geschuimd 0,25
PP 0,23
PMMA 0,19
PET 0,24
HD-PE 0,52
PEI 0,24
TECACOMP© TC 15,00
E-CTFE 0,15
GVK 40% glas 0,30

52. Brandeigenschappen van kunststoffen
• Kunststoffen zijn organische materialen die meestal
uit koolstof en waterstof opgebouwd zijn
– Dus zijn vele kunststoffen brandbaar
– Alleen door additieven of het wijzigen van de
waterstof door fluor of chloor worden kunststoffen
niet brandbaar

53. Energetische waarden van kunststoffen
in vergelijking met brandstoffen
Materiaal Energetische waarden in MJ/kg
Polyethyleen (PE) 46,1
Polypropyleen (PP) 44.0
Polystyrol (PS), slagvast 40,2
Polyamide (PA) 31,0
Polycarbonaat (PC) 30,6
Polyvinylchloride (PVC) 18,0
Polytetrafluorethyleen (PTFE) 4,2
Papier 16.8
Stookolie 42.8
Kole 30,0
Houd 15,0

54. Brandbaarheid volgens DIN 4102
Materiaal Brandklasse
Polyethyleen (PE) B2 (normaal brandbaar)
Polypropyleen (PP) B2 (normaal brandbaar)
Polystyrol (PS), slagvast B2 (normaal brandbaar)
Polyamide (PA) B2 (normaal brandbaar)
Polycarbonaat (PC) B2 (normaal brandbaar)
Polyvinylchlorid (PVC) B1 (zelf dovend)
PFA B1 (zelf dovend)
PET-G B1 (zelf dovend)
PVC-C B1 (zelf dovend)
PFA B1 (zelf dovend)
GVK B2 (normaal brandbaar)