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- Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: EKS
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2020
In diesem fünften Buch der Reihe „Erlanger Kunststoff-Schadensanalyse“ wird auf die Besonderheiten des Strukturverhaltens von Kunststoffen eingegangen, um damit Schäden besser beurteilen zu können.
- Die Eigenschaften der Kunststoffe hängen stark von den Einflüssen bei der Verarbeitung und auch der konstruktiven Gestaltung ab. Eine Folge davon ist, dass die Eigenschaften der Kunststoffe im Bauteil fast nie ausreichend mit den in einem genormten Prüfverfahren ermittelten und denen von den Rohstoffherstellern veröffentlichen Werten übereinstimmen, denn auch diese unterliegen den Einflüssen der speziellen Verarbeitungsverfahren zur Herstellung der Musterproben.
- Ober- und Grenzflächeneffekte, insbesondere Adhäsion, Benetzung und Spreitung spielen bei vielen technischen Prozessen eine bedeutende Rolle, z. B. beim Verkleben, Lackieren, Bedrucken, Reinigen, Mehrkomponentenspritzgießen, bei Reibung und Verschleiß. Oberflächenspannungen sind maßgebend für die adhäsive Haftung, die Benetzung und den Ausbreitungsdruck (Spreitungsdruck).
- Die wenigen statistisch gesicherten Analysen weisen schon darauf hin, dass die Spannungsrissbildung der größte Schadensverursacher bei Kunststoffteilen im Gebrauch ist. Um die Rentabilität zu steigern, versuchen Verarbeiter sehr häufig die Produktion zu beschleunigen. Das geht oft einher mit höherer Belastung (Druck und Temperatur) des Materials, gekennzeichnet durch Reduzierung des Molekulargewichts (fließt schneller) und schnelleres Füllen des Werkzeugs (stärkere Orientierung der Makromoleküle). Äußerlich sieht man nichts, vorausgesetzt man hat den richtigen Kunststofftyp ausgewählt. So führen diese nicht so einfach definierbaren Fehlbehandlungen besonders häufig zur Spannungsrissempfindlichkeit.
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Seitenzahl: 303
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Gottfried W. Ehrenstein
Strukturverhalten
Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen, Oberflächenspannung, Spannungsrisse
Der Herausgeber:
Prof. em. Dr.-Ing. habil Dr. h. c. Gottfried Wilhelm Ehrenstein, Universität Erlangen-Nürnberg
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© 2021 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deHerstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, WindachCoverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenCoverrealisierung: Max KostopoulosCoverbild: Dr.-Ing. Agnieszka KopczynskaLogo: Erlanger Kunststoff-Schadensanalyse: Tobias Mattner, M. Sc.
ISBN: 978-3-446-46703-3E-Book-ISBN: 978-3-446-46710-1E-Pub-ISBN: 978-3-446-46831-3
FIAT IUSTITIA ET PEREAT MUNDUS
von Martin Luther und zuvor von Papst Hadrian VI
Meiner Frau Ute Threde-Ehrenstein in Dankbarkeit!
(Quelle: LKT Erlangen)
Prof. em. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Gottfried Wilhelm Ehrenstein wurde 1937 in Danzig geboren und hat nach einem humanistischen Abitur an der Technischen Hochschule Hannover Allgemeinen Maschinenbau studiert. Nach der Promotion (Prof. Matting) arbeitete er 10 Jahre in der Anwendungstechnischen Abteilung Kunststoffe der BASF AG und war gleichzeitig Lehrbeauftragter und nach der Habilitation 1976 Privatdozent der Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe (TH, Prof. Macherauch). Von 1977 bis 1989 war er Inhaber des Lehrstuhls für Werkstoffkunde/Kunststoffe der Universität-Gesamthochschule Kassel. Nach Rufen an die TU Harburg, die Montanuniversität Leoben und die TU Berlin war er ab 1989 Professor für Kunststofftechnik des von ihm neu eingerichteten Lehrstuhls der Universität Erlangen-Nürnberg.
Von 1987 bis 1992 war er nebenamtlich Leiter des Süddeutschen Kunststoffzentrums in Würzburg. 1992 wurde er Honorarprofessor des Chemischen Instituts der Universität Qingdao, China, und 1996 Ehrendoktor der Technischen Universität Budapest. Prof. Ehrenstein ist vereidigter Sachverständiger der IHK Nürnberg für Kunststoffe und Sonderwerkstoffe auf Kunststoffbasis und des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt), Berlin.
Er ist Gründer des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK), der Dissertationsdatenbank und der Zeitschrift Kunststofftechnik im Rahmen von www.kunststoffe.de mit Unterstützung des Carl Hanser Verlages.
Prof. Ehrenstein war verheiratet und ist Vater von drei Söhnen.
Danksagung
Dieses Buch „Strukturverhalten“ war nur dank vielfältiger Unterstützung möglich. Der Dank gebührt an erster Stelle der Leiterin der Analytik des Lehrstuhls für Kunststofftechnik Frau Dipl.-Ing. (FH) Gabriela Riedel und ihrer Vertreterin Frau Pia Trawiel, ebenso dem Leiter des Labors Mechanische Prüfung Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Karsten. Frau Riedel und Frau Trawiel arbeiten seit 30 Jahren auf dem Gebiet der Strukturanalyse in der weltweit größten anwendungstechnisch und wissenschaftlich geprägten universitären Laborgruppe der Kunststofftechnik in Erlangen. Ihre systematische Analyse war ein fundamentaler Beitrag zum Gelingen dieses Buchs.
Ebenso möchte ich die Autorin Nicole Zaspel (als Nicole Braun mehrfach veröffentlicht) lobend erwähnen. Sie hat jahrelang aktiv und konstruktiv bei der Umsetzung der Manuskripte geholfen.
Die Kunststofftechnik umfasst ein breites Spektrum an Fachgebieten. Diese reichen von der Entwicklung und Synthese von Polymeren auf molekularer Ebene, über deren Verarbeitung und die Materialprüfung bis hin zur Anwendung. Um die Wechselwirkung zwischen der molekularen Struktur und den makroskopischen Eigenschaften von Polymeren bei der Schadensanalyse zu verstehen, braucht es viel Expertise und Erfahrung mit verschiedensten Messmethoden und deren folgerichtigen Interpretation. Das Verbinden der Teilbereiche ist bei der Schadensanalyse unumgänglich, da Polymere durch Modifikationen und Optimierung heute auf Höchstleistung getrimmt werden und dann auch leicht an eine Grenze kommen, wo eine Schädigung auftritt.
In diesen 5 Kapiteln im Band „Strukturverhalten“ des Gesamtwerks steht die Verbindung „Wieso Weshalb Warum“ im Vordergrund und die Frage, welche Mess- oder Prüfmethodik verwendet werden muss, um die Ursache einer Schädigung zu verstehen. Inhaltlich ist dieser Band stark physikalisch geprägt und von hoher Anwendungsrelevanz.
Die Oberflächenspannung ist bei Kunststoffen besonders beim Lackieren oder Bedrucken, beim Beschichten oder beim Verkleben von großer Bedeutung. Kunststoffschäden können durch mangelhafte Benetzbarkeit bzw. Nichtbenetzbarkeit, z. B. bei einer bedruckten Verpackungsfolie auftreten. In diesem Kapitel werden zunächst die Grundbegriffe erläutert und der physikalische Hintergrund auf molekularer Ebene erklärt. In der Praxis gibt es eine Vielzahl an Methoden, die Oberflächenspannung zu bestimmen. Diese werden alle erklärt und ihre Stärken und Schwächen kritisch aufgezeigt. Für den Praktiker sehr wertvoll ist ein abschließender Vergleich der Oberflächenspannungs-Messverfahren, der sinnvoll nach Methoden für Thermoplaste und Duromere unterscheidet. Die abschließenden praktischen Anwendungen helfen dem Leser, den zuvor gelernten Stoff praxisnah zu verwenden.
Die umgebungsabhängige Bildung von Spannungsrissen, im englischen auch „Environmental Stress Cracking“ (ESC) genannt, ist einer der Hauptgründe für mechanisches Versagen und einer damit einhergehenden Verkürzung der Lebensdauer von Kunststoffbauteilen. Die daraus resultierenden Schadensfälle sind physikalisch bedingt und treten immer dann auf, wenn das Polymer zeitgleich sowohl einer mechanischen Last als auch einem aggressiven Medium ausgesetzt ist. In diesem Kapitel wird anschaulich gezeigt, dass abhängig von der Art des Polymers bereits eine simple Flüssigkeit wie Wasser als aggressives Medium bezeichnet werden und die Rissbildung auslösen kann. Dies führt zu dem Umstand, dass knapp 25 % aller Schäden auf ESC zurückzuführen sind. Von diesen 25 % entfallen fast 90 % auf die Klasse der amorphen Polymere, da diese aufgrund ihrer molekularen Struktur anfälliger sind als beispielsweise teilkristalline Polymere. Ein ESC-Versagen kann z. B. bei medizinischen Produkten im schlimmsten Fall zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Da es sich bei ESC „lediglich“ um einen rein physikalischen Vorgang handelt, sind die Möglichkeiten zur schnellen und wissenschaftlich belastbaren Untersuchung dieses werkstoffspezifischen Phänomens bis heute sehr begrenzt. Das Kapitel gibt eine sehr anschauliche und wissenschaftlich in die Tiefe gehende Einführung in das Phänomen (ESC) und zeigt auch werkstoffliche Einflüsse auf. Neben den wichtigsten Prüfmethoden wird die Gesamtproblematik an praxisnahen Schadensfällen anschaulich dargelegt.
Die magische Dreiecksbeziehung zwischen Struktur, Verarbeitung und Eigenschaften eines Werkstoffs kann ohne die Berücksichtigung des Einflusses der Verarbeitung und konstruktiver Faktoren nie abschließend geklärt werden. Für den Schadensanalytiker ist dieses Kapitel ein Leckerbissen, da hier die Schwächen der genormten Prüfverfahren ganz praxisnah diskutiert werden. Zunächst werden am Beispiel von DMA-Messungen die drei Zustandsbereiche der Kunststoffe eindeutig geklärt und dabei der Begriff der „Glastemperatur“ und deren zweifelhafte Bestimmungsmethoden aus Sicht des Physikers und des Ingenieurs am Beispiel von amorphen Thermoplasten kritisch gegenübergestellt. Dabei werden auch Messmethoden wie modulierte DSC und pvT-Gerät zum Vergleich mit herangezogen. Vor der Diskussion des Schmelzverhaltens teilkristalliner Kunststoffe werden zunächst wichtige Begrifflichkeiten wie z. B. Keimbildung und morphologische Überstrukturen präzise definiert. Im Anschluss an die Darstellung der teilweise sehr komplexen morphologischen Struktur der Thermoplaste werden die Besonderheiten der mechanischen Prüfung von Kunststoffen diskutiert. Die übergeordnete Zielsetzung ist es, Kennwerte zu ermitteln, die eine Funktionstauglichkeit des Formteils über den vorgesehenen Einsatzzeitraum gewährleisten. Dazu müssen Daten für die Werkstoffbeurteilung vom Granulatkorn bis zur Formteilprüfung und Praxiserprobung bestimmt werden.
Zusammenfassend vermitteln die fünf Kapitel dieses Bandes dem Schadensanalytiker sehr wichtige Grundlagen und geben gleichzeitig wertvolle Anwendungstipps anhand praktischer Beispiele. Außerdem wird vor möglichen Fehlinterpretationen der Messergebnisse gewarnt. Professor Ehrenstein hat bereits im Jahr 2017 im „Jahresmagazin Kunststoffe“ auf Unklarheiten in der Kunststofftechnik deutlich hingewiesen. Er stellt fest, dass die Eigenschaften der Kunststoffe im Bauteil fast nie ausreichend mit den in einem genormten Prüfverfahren ermittelten und den von den Rohstoffherstellern veröffentlichen Werten übereinstimmen, denn auch diese unterliegen den Einflüssen der speziellen Verarbeitungsverfahren in unterschiedlichen Werkzeugen zur Herstellung der Musterproben und sind nie unter den gleichen Bedingungen hergestellt wie später die Bauteile.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
Volker Altstädt arbeitete nach seinem Studium der Physik und seiner Promotion bei Prof. Gottfried W. Ehrenstein am Institut für Werkstofftechnik in Kassel (1987) acht Jahre bei der BASF AG in Ludwigshafen in der Polymerforschung, zuletzt als Gruppenleiter in der Abteilung Polymerphysik. Ab 1995 war er Lehrstuhlinhaber an der TU Hamburg-Harburg. Zusätzlich übernahm er ab 1998 die Leitung des Arbeitsbereiches Kunststoffe & Verbundwerkstoffe. Im Jahr 2000 wechselte Volker Altstädt an die Universität Bayreuth und übernahm dort die Leitung des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften. Parallel zu dieser Funktion ist Volker Altstädt seit 2009 alleiniger Geschäftsführer der Neue Materialien Bayreuth GmbH, einer außeruniversitären Landesforschungseinrichtung des Freistaats Bayern, die sich mit anwendungsnaher Werkstoff- und Verfahrensentwicklung für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und Metalle beschäftigt.
Die Forschungsarbeiten von Volker Altstädt beziehen sich auf die wissenschaftliche und anwendungs-orientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der polymeren Werkstoffe mit dem Ziel, die naturwissenschaftlichen Erkenntnisse mit den Aspekten der Ingenieurwissenschaften zu verbinden. Realisiert wird dies durch eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Chemikern und Ingenieuren.
Inhalt
Titelei
Impressum
Inhalt
Der Herausgeber
Begleitwort von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
1 Struktur der Kunststoffe
1.1 Grundlagen
1.2 Besonderheiten der Kunststoffe
1.2.1 Zustandsbereiche
1.2.2 Strukturen (amorphe Thermoplaste)
1.2.2.1 Schmelztemperatur teilkristalliner Thermoplaste
1.2.2.2 Fließtemperatur amorpher Thermoplaste als G’/G’’
1.2.2.3 Thermische Kennwerte amorpher Thermoplaste
1.2.3 Kristalline Strukturen (Lamellen)
1.2.4 Übergeordnete kristalline Strukturen
1.2.5 Kristallisation teilkristalliner Thermoplaste
1.2.5.1 Keimbildung und Kristallisation
1.2.5.2 Schmelz- und Kristallisationstemperatur
1.2.5.3 Kristallisationsgeschwindigkeit
1.2.5.4 Nukleierungsmittel
1.3 Normen
1.4 Literatur
2 Eigenschaften der Kunststoffe
2.1 Zielsetzung
2.2 Eignung der mechanischen Prüfung
2.3 Festigkeit
2.3.1 Verformungskennwerte
2.3.2 Temperatur-Steifigkeits-Verhalten
2.3.3 Temperatur-Spannungs-Verhalten
2.4 Füll- und Verstärkungsstoffe
2.5 Konstruktionsgerechte und aussagefähige Kennwerte von Kunststoffen
2.5.1 Kennwerte nach Norm – Eigenschaften von Formteilen
2.5.2 Zug
2.5.2.1 Prüfungen
2.5.2.2 Prüfkörper
2.5.2.3 Festigkeit – Steifigkeit
2.5.3 Prüfkörperstruktur
2.5.4 Biegung
2.5.5 Einfluss Temperatur
2.5.6 Perspektiven
2.5.6.1 Festkörper
2.5.6.2 Rheologie
2.5.7 CAMPUS
Dr. Erwin Baur
2.5.8 Einheiten
2.6 Normen
2.7 Literatur
3 Oberflächenspannung
Mit Dr.-Ing. Agnieszka Kopczynska, eingefügte Änderungsvorschläge Prof. W. Leiner
3.1 Begriff
3.2 Einleitung und Definition
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Gleichungen zur Berechnung
3.2.2.1 Benetzungsverhalten und Spreitung
3.2.2.2 Adhäsion
3.2.3 Bestimmung der Oberflächenspannung
3.2.4 Messverfahren von Flüssigkeiten und Schmelzen
3.2.4.1 Ringmethode
3.2.4.2 Wilhelmy-Plättchen-Methode
3.2.4.3 Methode des hängenden Tropfens
3.2.4.4 Lamellen-Methode
3.2.4.5 Einfluss auf die Struktur der Kunststoffe
3.2.4.6 Vergleich der Testverfahren und der Testflüssigkeiten
3.2.5 Messverfahren zur Oberflächenspannung von festen Kunststoffen
3.2.5.1 Probleme bei der Messung
3.2.5.2 Liegender-Tropfen Methode
3.2.5.2.1 Manuelle Messung des Randwinkels
3.2.5.2.2 Automatische Bestimmung des Kontaktwinkels
3.2.5.3 Steighöhenverfahren
3.2.5.3.1 Bestimmung des Kontaktwinkels von Festkörpern
3.2.5.3.2 Bestimmung des Kontaktwinkels von Pulvern
3.2.6 Ermittlung der Oberflächenspannung von Körpern
3.2.7 Oberflächenspannung fester Kunststoffe
3.2.7.1 Auswertung nach verschiedenen Zustandsgleichungen
3.2.7.1.1 Verfahren nach Neumann
3.2.7.1.2 Verfahren nach Owens und Wendt
3.2.7.1.3 Verfahren nach Wu
3.2.8 Vergleich der Oberflächenspannungs-Messverfahren
3.2.8.1 Prüfflüssigkeiten
3.2.8.2 Feste Kunststoffe (verschiedene Auswerteverfahren)
3.2.8.3 Kunststoffe im festen und flüssigen Zustand
3.2.8.3.1 Reaktionsharze im festen und flüssigen Zustand
3.2.8.3.2 Thermoplaste
3.2.8.4 Statischer und Vor- und Rückzugs-Winkel im festen Zustand
3.3 Normen
3.4 Verwendete Literatur
4 Praktische Anwendungen zur Oberflächenspannung
Mit Dr.-Ing. Agnieszka Kopczynska
4.1 Polare und dispersive Anteile
4.2 Durchstrahlklebverbindungen mit/ohne Plasmabehandlung
4.3 Montageklebung PBT/TPU mit und ohne Plasmabehandlung
4.4 Bauelemente – Klebstoff – Substrat
4.5 Gerade vollständige Benetzung nach Zisman
4.6 Gleit-Reib-Verhalten
4.7 Lack und Kunststoff
4.8 Kommunizierende Luftblase
4.9 Mischung unterschiedlicher Schmelzen
4.10 Hochgefüllte Kunststoffe
4.11 Silikone
4.12 Normen
4.13 Verwendete Literatur
5 Spannungsrisse in Kunststoffen
5.1 Spannungsrisse oder Crazes
5.1.1 Verschiedene Craze-Formen und deren Bildung
5.1.2 Wirkung von Spannungsrissen
5.1.3 Werkstoffliche Einflüsse
5.1.4 Einfluss der Löslichkeit und Oberflächenspannung
5.1.5 Entstehung von Spannungsrissen
5.1.6 Spannungsrissauslösende Medien
5.1.6.1 Polyamid
5.1.6.2 Polyethylen
5.1.6.3 Polystyrol
5.1.6.4 Lösemittel – Nichtlöser
5.2 Prüfmethoden
5.2.1 Zeitstandzugversuch
5.2.2 Biegestreifenverfahren
5.2.3 Stift- und Kugeleindrückverfahren
5.2.4 Dow-Säbel- und Bell-Test
5.2.5 Spannungsrissprüfung bei Fertigteilen
5.2.6 Beurteilung der Prüfverfahren
5.3 Anwendungsbeispiele
5.3.1 Heizkörperhalter (Medieneinwirkung – Molekulargewicht – Kautschukkomponente)
5.3.2 Flugzeugfrontscheibe (Medieneinwirkung – Molekulargewicht)
5.3.3 Stellgetriebe (äußere Spannungen – Fetteinwirkung)
5.3.4 Campingpumpe (Molekulargewicht – Metallkorrosion)
5.3.5 Inserts
5.3.6 Ungeklärtes Phänomen
5.3.7 Untersuchte Thermoplaste
5.4 Abschluss
5.5 Normen
5.6 Verwendete Literatur
