Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schnelle Charakterisierung der Spannungsrissbeständigkeit von Polypropylen Materialien für langlebige Anwendungen

Polypropylen (PP) Materialien werden für viele langlebige Produkte, bspw. in der Versorgungsinfrastruktur, Geotechnik oder Bauanwendungen, eingesetzt. Dabei muss vorzeitiges Versagen sicher ausgeschlossen werden. Während duktiles Versagen durch geeignete Dimensionierung und irreversible Materialveränderungen durch geeignete Stabilisierung relativ einfach zu verhindern sind, kann dem Spannungsrissversagen nur auf der Ebene der Molekülstruktur begegnet werden. Prüfmethoden zur schnellen, verlässlichen, quantitativen Charakterisierung der Spannungsrissbeständigkeit sowie das Verständnis möglicher Einflussfaktoren sind unabdingbar. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die Ursachen und Zusammenhänge von molekularer Struktur, Zuschlagstoffen, Verarbeitung, resultierender Morphologie, Viskosität und Dichte im Hinblick auf die Spannungsrissbeständigkeit sowie Prüfmethoden zu deren quantitativer Bestimmung aufzuklären. Hierbei soll auf dem Vorgängervorhaben aufgebaut werden, welches die grundsätzliche Übertragbarkeit des von Polyethylen (PE) bekannten, auf einer Skalenveränderung basierenden, Strain Hardening Test (SHT) zeigen konnte. Für verschiedene PP Typen, d. h. Homopolymere, Block- und Randomcopolymere, werden die genannten Einflussgrößen gezielt variiert und experimentell charakterisiert. Die Spannungsrissbeständigkeit soll sowohl mittels SHT als auch mittels zeitraffender, Spannungsrisse generierende Prüfmethoden, quantifiziert werden. Hierbei werden auch die grundlegenden Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der jeweiligen Prüfmethoden einer kritischen wissenschaftlichen Überprüfung unterzogen. Aus der vergleichenden Betrachtung wird schließlich eine Bewertung und Validierung möglich. KmU entlang der gesamten Wertschöpfungskette können die angestrebten Forschungsergebnisse zur Verbesserung bestehender und Entwicklung neuer Produkte, Erweiterung ihres Produkt- bzw. Dienstleistungsportfolios, in der Wareneingangskontrolle und Qualitätssicherung nutzen.

Ergebniszusammenfassung:

Polypropylen (PP)-Materialien werden für langlebige Produkte bspw. in der Versorgungsinfrastruktur, Geotechnik oder Bauanwendungen eingesetzt. Dabei muss vorzeitiges Versagen sicher ausgeschlossen werden. Während duktiles Versagen durch geeignete Dimensionierung und irreversible Materialveränderungen durch geeignete Stabilisierung relativ einfach zu verhindern sind, kann dem Spannungsrissversagen nur auf der Ebene der Molekülstruktur begegnet werden. Prüfmethoden zur schnellen, verlässlichen und quantitativen Charakterisierung der Spannungsrissbeständigkeit sowie das Verständnis möglicher Einflussfaktoren sind unabdingbar. Ziel des Forschungsvorhabens war daher ein Beitrag zum besseren Verständnis molekularer und herstellungsbedingter Einflussfaktoren im Hinblick auf die Spannungsrissbeständigkeit. Für PP-Homopolymere sowie Block- und Randomcopolymere wurde daher der Einfluss von Morphologie, Viskosität, Dichte, Einfärbung, Füllstoffen und Verarbeitung untersucht. Hierbei stand der auf einer Skalenveränderung basierende Strain Hardening Test (SHT) im Fokus. Zusätzlich wurden die Spannungsrisse generierenden Prüfmethoden Full-Notch Creep Test (FNCT) und Cracked Round Bar (CRB)-Test genutzt. Die grundlegenden Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der jeweiligen Prüfmethoden wurden einer kritischen wissenschaftlichen Überprüfung unterzogen. Die Ergebnisse der drei auf unterschiedlichen Prinzipien beruhenden Prüfmethoden zur Charakterisierung korrelieren, wobei mit dem SHT ein deutlich größeres Materialspektrum in kurzen Zeiten prüfbar ist. Er kann somit zur Charakterisierung von PP-Materialien mit hoher Spannungsrissbeständigkeit dienen. Ein quantitativer Vergleich der Prüfergebnisse sollte nur für identische Prüfbedingungen sowie molekular und morphologisch ähnliche PP-Materialien erfolgen. Die gute Reproduzierbarkeit in Kombination mit einer geringen Prüfdauer prädestiniert den SHT insbesondere für den Einsatz als Wareneingangsprüfung oder in der Qualitätssicherung.