Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen

Die Anwendung der Bruchmechanik zur Abschätzung der Versagenssicherheit von Erzeugnissen aus Kunststoffen und Verbunden sowie als Bewertungsmethode bei der Qualitätssicherung und Werkstoffentwicklung erfordert geometrieunabhängige Kenngrößen, die außerordentlich empfmdlich auf strukturelle Veränderungen im Werkstoff reagieren. Eine wesentliche Voraussetzung für eine theoretisch fundierte Werkstoffoptimierung ist die Kenntnis des Zusammenhanges festigkeits- und zähigkeitsbestimmender Deformations- und Bruchmechanismen mit strukturellen Größen. Aufgabe der bruchmechanischen Werkstoffcharakterisierung ist es, für die Quantifizierung dieses Zusammenhanges werkstoffspezifische Kennwerte nach reproduzierbaren und möglichst auch standardisierten Prüfvorschriften zu ermitteln [1]. Bei der Anwendung bruchmechanischer Arbeitsmethoden auf Kunststoffe können einerseits eine Reihe grundlegender methodischer Erkenntnisse der Bewertung metallischer Werkstoffe genutzt werden, andererseits müssen die ausgeprägte Zeit-und Temperaturabhängigkeit zu kunststoffspezifischen methodischen Weiterentwicklungen führen [2]. Die fortschreitende technische Anwendung der bruchmechanischen Werkstoffprüfung hat zu einer neuen Generation von Werkstoffkenngrößen geführt [3–8], die in Kombination mit Morphologieanalysen strukturbezogene quantitative Morphologie-Zähigkeits-Korrelationen ermöglicht.

Es ist allgemeiner Stand der Technik, das Verhalten von Rissen in bruchzähen Werkstoffen mit Hilfe des Bruchkennwertes J abzuschätzen. Unter den modernen Integralkonzepten der Bruchmechanik besitzt das J-Integral eine herausragende Stellung, die im wesentlichen in praktikablen, weitverbreiteten und genormten Formulierungen der Meßvorschriften begründet ist. Rißwiderstandskurven werden aus gemessenen Last-Verschiebungs-Daten und zugehörigen Werten des Rißfortschritts nach standardisierten Auswertemethoden ermittelt.

Bruchmechanische Konzepte fanden erst in den vierziger und fünfziger Jahren in der Industrie Beachtung, als größere Bauteile, wie z.B. Schiffe, Jets oder Tanks, nach einiger Gebrauchszeit plötzlich auseinanderbrachen, obwohl auf der Basis der standardmäßig gemessenen Steifigkeit und Festigkeit des Werkstoffes das Teil die Beanspruchung hätte überstehen müssen [1]. Als Ursache für dieses plötzliche und unerwartete Versagen wurden Haarrisse oder Mikrorisse im Material erkannt, wie sie in jedem Werkstoff vorhanden sein können. Diese Risse wachsen im Laufe der Beanspruchung zu überkritischen Längen an, werden instabil und führen dann zum katastrophalen Bruch. So entstand die dringende Notwendigkeit, sich mit der Instabilität von Rissen, also der Bruchmechanik, zu beschäftigen. Die Grundidee zur Rißinstabilität bei Beanspruchung war schon in den zwanziger Jahren von Griffith [2] entwickelt worden, aber diese Arbeiten blieben in der Praxis offenbar weitgehend unbeachtet, bis sie aus aktuellem Anlaß Bedeutung erlangten. Vor diesem Hintergrund der Versagensfälle verwundert es nicht, daß heute die bruchmechanischen Konzepte im Bereich metallischer Werkstoffe am weitesten fortgeschritten und die Verfahren schon weitgehend genormt sind. Vor etwa 10 Jahren wurde im Rahmen der ESIS (European Structural Integrity Society) die Arbeitsgruppe TC4 eingerichtet, mit der Aufgabe, sich auf europäischer Ebene mit bruchmechanischen Konzepten und speziell deren Übertragbarkeit auf Polymere zu beschäftigen.

Zur Bewertung des Zähigkeitsverhaltens thermoplastischer Kunststoffe haben sich Konzepte der Fließbruchmechanik als geeignet erwiesen. Zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens lassen sich zwei unterschiedliche Kenngrößen zugrunde legen. Diese sind die energiedeterminierten J-Integral-Kennwerte und die verformungsdeterminierten kritischen Rißöffnungen.

Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch wird zur Bestimmung der Zähigkeitseigenschaften von Kunststoffen verwendet. Er stellt eine meßtechnische Erweiterung des konventionellen Kerbschlagbiegeversuchs nach ISO 179:1993 [1] dar und wird vorzugsweise an Prüfkörpern mit Rasierklingenkerb durchgeführt. Die Palette der verwendeten Kunststoffe reicht dabei von spröden Duromeren bis hin zu hochschlagzähen Polymerblends. Es erfolgt eine getrennte Registrierung des Kraft-Durchbiegungs-Verhaltens und die Trennung in linear-elastische und elastisch-plastische Energieanteile. Unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Prüfkörper- und Kerbgeometrie werden geometrieunabhängige Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese Kennwerte können zur Qualitätskontrolle und -sicherung sowie für Forschung und Entwicklung herangezogen werden.

Die Lebensdauer von Rohren aus Polyethylen hängt in hohem Maße von der Struktur und Morphologie des Polymeren ab [1]. Der primäre Parameter ist dabei die Struktur der Polymerkette, d.h. die Molmasse und die Molmassenverteilung, der Anteil, die Art und Verteilung der Kurz- und Langkettenverzweigungen sowie Art und Anteil der ungesättigten Bindungen. Die Struktur der Polymerkette beeinflußt entweder direkt durch interkristalline Bindungen oder indirekt durch die Morphologie das Bruchverhalten des Endprodukts. Die Morphologie wird des weiteren durch die Verarbeitungsbedingungen der Werkstoffe (Granulierung, Extrusion der Rohre) beeinflußt. Zusätzlich wird die Art des Werkstoffversagens durch die Betriebsbedingungen (Temperatur, Belastungsart, Geschwindigkeit, Umgebung) bestimmt.

Der Einsatz und die Verwendung von Polymeren und Compounds ist in der Praxis sehr vielseitig, und ihre Beanspruchung ist sehr unterschiedlich. Daraus leitet sich ab, daß die Charakterisierung diesen Anforderungen angepaßt sein muß und daß sich bei der Prüfung einer Probe, ob Faser, Flächengebilde, Stab, Rohr oder Bauteil, immer die Frage stellt: „warum, weshalb, wofür“bzw. „warum, wie, wozu“.

Die bruchmechanische Werkstoffprüfung gehört zu den Methoden, die eine Kennwertermittlung ermöglichen, die dem Bauteilverhalten unter Betriebsbean­spruchungen weitgehend angepaßt sind und die damit eine ausreichende Sicherheit gegenüber den verschiedenen Möglichkeiten des Versagens gewährleisten. In Ab­hängigkeit vom Werkstoffverhalten steht dazu ein breites Instrumentarium zur Verfügung, wobei sich zur quantitativen Beschreibung des Bruchverhaltens dukti­ler Thermoplaste das Rißwiderstandskonzept bewährt hat [1]. Von besonderer praktischer Bedeutung sind dabei die auf der Basis dieses Konzepts ermittelten kritischen Rißinitiierungswerte, die auf der Grundlage verschiedener Standards bzw. Standardentwürfe [2–6] bestimmt werden.

Die wachsenden industriellen Anwendungen von Thermoplasten als Konstruktionswerkstoffe führen zu zunehmenden bruchmechanischen Untersuchungen an Kunststoffen. Zur Beschreibung des bruchmechanischen Verhaltens von zähen Thermoplasten wurde das Rißwiderstandskonzept erfolgreich eingesetzt [1].

Ein Hauptanwendungsgebiet der bruchmechanischen Betrachtungsweise stellt die Werkstoffentwicklung dar. Um Probleme hinsichtlich des Bauteilverhaltens beim Einsatz von Werkstoffen zu vermeiden, können mit Hilfe bruchmechanischer Konzepte in Verbindung mit morphologischen Untersuchungen theoretisch fundierte Werkstoffoptimierungen vorgenommen werden. Die verschiedenen Zähigkeitskennwerte erweisen sich in der werkstoffwissenschaftlichen Praxis dadurch als sensible Indikatoren für die Auswahl bzw. Entwicklung von Werkstoffen.

Entsprechend dem zunehmenden Einsatz polymerer Werkstoffe auch für konstruktive Zwecke steht neben der Verbesserung von Steifigkeit und Festigkeit auch die Optimierung der Zähigkeitseigenschaften im Blickfeld ingenieurwissenschaftlicher Betrachtungen [1]. Für die Bewertung der Zähigkeit, insbesondere als Widerstand gegenüber stabiler Rißeinleitung und -ausbreitung, hat sich dabei die Aufnahme von Rißwiderstandskurven (R-Kurven) mittels der Stopp-Block-Methode in Mehrprobentechnik und die Auswertung der R-Kurven nach verschiedenen Prozeduren bewährt [2–4]. Die hierfür benötigte relativ lange Meß- und Auswertezeit sowie der personelle Aufwand stehen jedoch ökonomischen Erwägungen entgegen, so daß derzeit intensiv an der Entwicklung approximativer Methoden der R-Kurvenermittlung und an ihrer Übertragung auf Polymerwerkstoffe gearbeitet wird [3,5–7]. Daneben ist, da die Verwendung von Normprüfkörpern anzustreben ist, auch die Festlegung von Instabilitätswerten von Interesse, falls aufgrund der Prüfkörpergeometrie bzw. der Beanspruchungsbedingungen kein instabiles Rißwachsturn beobachtet wird [8].

Die kinetische Theorie der Kautschuk-Elastizität beschreibt das makroskopische mechanische Verhalten von vernetzten Kautschuken aufgrund der Thermodynamik einzelner Moleküle [1]. Dieser Zugang ist aber nicht für partiell kristalline Polymere möglich, bei denen man mehrere Strukturebenen, von der molekularen Architektur bis zu der übermolekularen Morphologie und makroskopischen Geometrie des Körpers, unterscheiden kann. Vier typische Ebenen der Strukturhierarchie des isotaktischen Polypropylens sind in Abb. 1 dargestellt [2]. Im Falle der kautschukmodifizierten Polypropylene stellen die eingebetteten Kautschukteilchen eine zusätzliche Strukturebene dar. Alle einzelnen Strukturebenen spiegeln nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch die Vorgeschichte des Materials wider.

Das Rißinitiierungs- und Rißausbreitungsverhalten von teilkristallinen Kunststoffen ist noch nicht vollständig geklärt. Der Rißabstumpfungsprozeß in Kunststoffen wird durch eine Vielzahl strukturell bedingter Faktoren beeinflußt [1,2]. Die verschiedenen Vorstellungen zum tatsächlichen Rißabstumpfungsverhalten von Kunststoffen wurden in [3] zusammenfassend dargestellt. Ein entscheidender Fortschritt ist zu erwarten, wenn man in die Betrachtung der ablaufenden mikromechanischen Prozesse strukturelle Aspekte einbezieht und quantitative Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen ermittelt.

Innovative Kunststoffanwendungen, die die speziellen Eigenschaften polymerer Werkstoffe gezielt ausnutzen, erfordern neben der Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit eine Optimierung der Zähigkeitseigenschaften sowie vertiefte Kenntnisse über festigkeits- und zähigkeitsbestimmende Mechanismen [1].

Brucheigenschaften amorpher Polymere sind ursächlich mit dem spannungsinduzierten Wachstum und Versagen von Crazes verbunden. Crazes sind planare, rißähnliche Defekte. Im Gegensatz zu Rissen tragen sie jedoch Last, da ihre Oberflächen durch dünne Fibrillen verbunden sind. Beim Craze-Breitenwachstum können die Fibrillen brechen und somit wird das Rißwachstum forciert.

Das thermoplastische Polymer Polyamid (PA) verfügt aufgrund des besonders ausgewogenen Verhältnisses zwischen Zähigkeit und Steifigkeit, einer guten chemischen Beständigkeit und der unproblematischen Verarbeitbarkeit über ein breites technisches Einsatzspektrum. Die für den technischen Einsatz aller Polyamidwerkstoffe entscheidendste Eigenschaft ist jedoch die durch die Anzahl der Methylen- und Amidgruppen beeinflußte Hygroskopie, wovon das erreichbare mechanische Eigenschaftsniveau eines PA-Typs stark abhängt.

Preiswerte thermoplastische Blends haben gute Zukunftschancen für eine breite Marktanwendung. Von großem Interesse sind Kombinationen mit hoher Zähigkeit bei ausgewogenem Steifigkeits- und Festigkeitsniveau sowie günstigen Verarbeitungs- und Fertigungseigenschaften. Dieses Ziel wird von den Werkstoffherstellern bzw. -verarbeitern bisher durch Copolymerisation oder Elastomermodifizierung angestrebt.

Die Modifizierung von Kunststoffen zum Zweck der Eigenschaftsverbesserung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Besonders Polyamid hat sich ein breites Anwendungsgebiet als technischer Konstruktionskunststoff erschlossen. Wegen der vielfältigen Modifizierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Verbesserung mechanischer Eigenschaften bietet sich Polyamid als idealer Werkstoff für „maßgeschneiderte“ Problemlösungen an. Bei den Untersuchungen der in diesem Beitrag vorgestellten Werkstoffe wird die Zielstellung verfolgt, eine Zähigkeitsoptimierung bezüglich Modifikatorart und -konzentration mit dynamischen Zähigkeitsprüfverfahren durchzuführen. Schwerpunkte der Untersuchungen stellen die Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte als Widerstand gegenüber instabiler Rißausbreitung hinsichtlich der Bestimmung von Spröd-Zäh-Übergangstemperaturen sowie die Ermittlung des Widerstandes gegenüber stabiler Rißausbreitung zur Charakterisierung des Energieaufnahmevermögens der Blends in Abhängigkeit von der Temperatur, vom verwendeten Schlagzähmodifikator und dessen Gehalt im Matrixmaterial Polyamid 6 dar.

Polypropylen gehört zur Gruppe der teilkristallinen Polymere und findet als Standardpolymer und teilweise als Konstruktionspolymer ein breites Anwendungsfeld. Eine wesentliche Einschränkung der Einsatzmöglichkeiten des PP ergibt sich aus der Lage der Glastemperatur bei ca. 4 °C. Durch die Compoundierung von Polypropylen mit einer weichen Elastomerphase, die eine wesentlich niedrigere Glastemperatur besitzt, ist es möglich, das Einsatzgebiet von PP auf Temperaturen T<0 °C zu erweitern. Die mechanischen Eigenschaften solcher Blends sind von der Matrixstruktur, von der Art, Größe und dem Volumenanteil der dispersen Phase und den Phasenwechselwirkungen abhängig. In diesen Werkstoffen kann eine werkstoffgerechte Optimierung der Zähigkeit nur auf der Basis von quantitativen Aussagen zum Zusammenhang zwischen Morphologie und Zähigkeit erfolgen.

Neben der Entwicklung neuer Werkstoffe besteht der Schwerpunkt der internationalen Polymerforschung darin, die Anwendungsmöglichkeiten der vorhandenen Polymere zu erweitern. Möglichkeiten dazu sind das Füllen und Verstärken, die insbesondere der Erhöhung von Festigkeit und Steifigkeit dienen, sowie die Entwicklung von Blends und Copolymerisaten u.a. zur Erhöhung von Steifigkeit, Zähigkeit, Warmform-, Witterungs- und Spannungsrißbeständigkeit und der Verarbeitbarkeit. Diese Werkstoffe bestehen aus einer kontinuierlichen Polymerphase und einer oder mehreren eingelagerten dispersen Phasen. Diese dispersen Phasen können sowohl Polymere als auch Fremdkomponenten sein und werden unter dem Begriff „Polymere Mehrphasensysteme“ zusammengefaßt [1].

Heterogene PP-Copolymerisate weisen gegenüber herkömmlichen PP-Polymerisaten deutlich verbesserte Zähigkeitseigenschaften auf. Zunehmende Bedeutung gewinnen dabei solche Werkstoffe, die eine disperse elastomere Phase in der Form kleiner Teilchen besitzen, wie z.B. PP/EPDM-Blends oder PP/EPR-Reaktorblends [1]. Die Zähigkeitseigenschaften dieser Werkstoffe hängen in starkem Maße von der Teilchengröße, dem Teilchenabstand und der Teilchenstruktur ab [2].

Eine wichtige Eigenschaft, die die technische Anwendung polymerer Werkstoffe häufig begrenzt, ist die Zähigkeit, worunter hier der Werkstoffwiderstand gegenüber stabiler und instabiler Rißausbreitung bzw. Bruch zu verstehen ist. Zur Zähigkeitserhöhung von spröden Polymerwerkstoffen (z.B. SAN) existieren verschiedene Konzepte (Mischen mit oder ohne Haftvermittler, Copolymerisation), wobei jedoch immer eine Heterogenisierung des Werkstoffgefüges durch Einbringen einer Kautschukphase in den Matrixwerkstoff angestrebt wird [1]. Die sich in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern (Synthese und Verarbeitung) der erhaltenen schlagzähmodifizierten Werkstoffe (z.B. ABS) ändernden strukturellen Größen (Teilchengröße und -abstand, Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Matrix, Teilcheninnenstruktur u.a.) wirken sich entscheidend auf die Morphologie-Zähigkeits-Korrelationen aus, wobei die Prozesse der stabilen Rißinitiierung und -ausbreitung, der instabilen Rißeinleitung sowie der Energiedissipation in unterschiedlicher Weise beeinflußt werden können.

Die Kunststoffe aus der Gruppe der Acryl-Nitril-Butadien-Styrol-Copolymerisate (ABS) sind schlagzähe Modifikationen des Styrol-Acrylnitril-Copolymerisats (SAN). Die Schlagzähmodifikation geschieht dadurch, daß in eine kohärente, hartspröde SAN-Matrix submikroskopisch kleine Elastomerteilchen — meist aus Butadien — eingebettet werden.