Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss mechanischer Belastung auf das Witterungsverhalten von Kunststoffen

Viele thermoplastische Kunststoffbauteile finden ihren Einsatz in Außenanwendungen. Dabei begrenzt die Alterung der Kunststoffe oft deren Lebensdauer, die für die Verbraucher aber ein wichtiges Kriterium darstellt. Um die Lebensdauer von Kunststoffprodukten zu verbessern, müssen daher die Alterungsmechanismen bei der Bewitterung besser verstanden werden. Die zugrundeliegenden Mechanismen können sehr komplex sein, da sie eine Vielzahl an chemischen und physikalischen Reaktionen beinhaltet. In der Außenanwendung unterliegen Kunststoffe einem komplexen Beanspruchungskollektiv von Strahlung, Sauerstoff, Temperatur, Feuchtigkeit und anderen Medien sowie mechanischen Lasten. Doch obwohl ein Einfluss mechanischer Belastungen auf das Alterungsverhalten unumstritten ist, sind die Zusammenhänge bei der Bewitterung noch nicht gut verstanden.

Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es daher, ein Verständnis des Witterungsverhaltens von Kunststoffen bei gleichzeitiger mechanischer Belastung zu generieren. Dabei sollen sowohl das Abbauverhalten von Kunststoffen (Ursachenaufklärung), als auch die sichtbaren/technischen Veränderungen (Festigkeit, Bruchdehnung, Farbe) bei diesem Beanspruchungskollektiv untersucht und verstanden werden. Dazu wird eine Prüfmethode formuliert, die es während der Bewitterungsprüfung erlaubt, mechanische Belastungen in Probekörper einzubringen. Die so belasteten Proben werden dann analytisch und prüftechnisch charakterisiert, um den Einfluss mechanischer Belastungen auf das Witterungsverhalten zu beurteilen. Damit wird ein wichtiger Beitrag zur Erweiterung des Wissenstandes geleistet. Auf Basis dessen wird ein Auslegungskonzept erarbeitet, welches das Zusammenwirken von Witterungseinflüssen und mechanischer Last berücksichtigt. Daraus werden Handlungsempfehlungen für Produzenten und Anwender von Kunststoffprodukten in der Außenanwendung (insbesondere KMU) bzgl. Einer verbesserten Auslegung und Lebensdauerprognose abgeleitet.

Ergebniszusammenfassung:

In der Außenanwendung unterliegen Kunststoffe einem komplexen Beanspruchungskollektiv von Strahlung, Sauerstoff, Temperatur, Feuchtigkeit und anderen Medien sowie mechanischen Lasten. Um das Langzeitverhalten von thermoplastischen Kunststoffbauteilen bei Witterungsbeanspruchung zu untersuchen, werden üblicherweise sowohl Freibewitterungs- als auch beschleunigte Bewitterungsversuche im Labor durchgeführt. Problematisch ist, dass dabei mechanische Belastungen bisher nicht berücksichtigt werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es daher, ein besseres Verständnis des Alterungsverhaltens von Kunststoffen bei Bewitterung und gleichzeitiger mechanischer Belastung zu generieren.

Dazu wurde ein Prüfaufbau realisiert, mit dem sich sowohl in der Freibewitterung als auch in der beschleunigten

Laborbewitterung mechanische Spannungen in Form konstanter Biegebelastungen mit variablen Randfaserdehnungen einbringen lassen. Das Bewitterungsverhalten mit und ohne mechanische Belastung wurde systematisch in Labor- und Freibewitterungsversuchen für zwei typische in Außenanwendungen verwendete Kunststoffe (PE und PVC) untersucht. Dazu wurden während der Bewitterungsversuche in regelmäßigen Abständen Proben entnommen und hinsichtlich ihrer Eigenschaftsveränderungen (Festigkeit und Bruchdehnung, Morphologie, Farbe, Stabilisierungszustand, Polymerabbau) untersucht.

Es konnte sowohl die Entstehung von Spannungsrissen und die einhergehenden Veränderungen in Festigkeit und

Bruchdehnung (bei PE) als auch der Abbau des Polymeren an der bewitterten Oberseite (bei PVC) und die

korrespondierenden Eigenschaftsänderungen verfolgt werden. Insbesondere konnte für die einzelnen Änderungen der Einfluss der mechanischen Belastung und der Lasthöhe identifiziert werden.

Die erzielten Projektergebnisse können direkt in der täglichen Praxis bei Bewitterungsversuchen eingesetzt werden und liefern einen wertvollen Beitrag bei der Entwicklung von Materialien und Bauteilen.