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KUZ Kunststoff-Zentrum-Leipzig Alterungseffekten an Polyamid und Polypropylen auf der Spur

Redakteur: Peter Königsreuther

Am Kunststoff-Zentrum-Leipzig KUZ ist man jetzt dem Alterungsverhalten der Thermoplaste Polypropylen (PP) und Polyamid 6 (PA 6) auf der Spur. Quasi im Zeitraffer sieht man dabei wie aus jungfräulichen Proben polymere Tattergreise werden, um die Dauereinsatzfähigkeit zu testen.

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Bild 1: Am KUZ in Leipzig haben die Experten jetzt das thermooxidative Alterungsverhalten von Polymamid 6 und Polypropylen (im Bild) erforscht. Die verschiedenen Alterungscharakteristika der beiden Thermoplaste wurden dabei analysiert und beschrieben. Polypropylen etwa, zeigt unter anderem irgendwann Vergilbungserscheinungen und bräunliche Alterungsspots, wie hier zu sehen.
Bild 1: Am KUZ in Leipzig haben die Experten jetzt das thermooxidative Alterungsverhalten von Polymamid 6 und Polypropylen (im Bild) erforscht. Die verschiedenen Alterungscharakteristika der beiden Thermoplaste wurden dabei analysiert und beschrieben. Polypropylen etwa, zeigt unter anderem irgendwann Vergilbungserscheinungen und bräunliche Alterungsspots, wie hier zu sehen.
(Bild: KUZ)

Um Aussagen zur Lebensdauererwartung von Kunststoffbauteilen treffen zu können, ist es notwendig das Alterungsverhalten der verwendeten Materialien zu kennen, so die KUZ-Forscher. Vor allem Bauteile, welche im Einsatz eine immer wiederkehrende Wärmebelastung erfahren, würden stark durch thermooxidative Alterungsprozesse beeinflusst. Die Charaktersierung des thermooxidativen Alterungsverhaltens (thermischen Langzeitverhalten) von Kunststoffen erfolgt derzeit nach DIN EN ISO 2578:1998-10, bei der als Kriterium der Temperatur-Index (TI) und das Halbwertintervall (HIC) auf Grundlage des Arrheniusansatzes bestimmt werden.

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Wärme plus Umluft lassen Kunststoffe alt aussehen

Am KUZ wurde nun, wie es weiter heißt, das Alterungsverhalten von PP und PA 6 unter thermooxidativen Bedingungen untersucht. Der Fokus habe dabei auf der Ermittlung des Einflusses der Probekörperdicke auf das Alterungsverhalten gelegen. Dazu wurden spritzgegossene Platten unterschiedlicher Dicke in Wärmealterungsöfen mit forcierter Umluft gealtert. Die Eigenschaftsänderungen wurden in Abhängigkeit von der Alterungszeit bestimmt. Es kamen sowohl analytische als auch prüfmethodische Untersuchungen für die Charakterisierung des Alterungsverhaltens zur Anwendung.

Alterungserscheinungen an Polypropylen

Die thermooxidative Alterung von Polypropylen (PP) verläuft spotartig und heterogen, sagen die Experten vom KUZ. Dabei würden die Makromoleküle radikalisch gespalten und Sauerstoff in unterschiedlichen Formen in die Polymerkette eingelagert. Mit zunehmender Alterungszeit vergilbt Polypropylen deshalb. Die mechanischen Eigenschaften lägen jedoch solange auf gutem Niveau bis sich braune Alterungsspots ausbilden (Bild 1). Im Bereich der Alterungsspots liegt hoch oxidiertes, massiv versprödetes Material vor, heißt es. Das thermooxidative Alterungsverhalten von PP wird, wie die Forscher erklären, maßgeblich durch das Stabilisatorsystem und dessen Dispergiergüte bestimmt. Ein Einfluss der Probekörperdicke auf das Alterungsverhalten konnte man für PP nicht nachweisen.

Das sind die Alterungsmerkmale von Polyamid 6

PA 6 dagegen altere thermooxidativ homogen von der Plattenoberfläche ausgehend (Bild 2). Die Alterungsfront breite sich in die Tiefe des Materials aus. Die Probekörperdicke beeinflusst deshalb das Zeitfenster der durch die Alterung ablaufenden Prozesse im PA 6 (Bild 3). Die anwendungstechnischen Eigenschaften (mechanischen Eigenschaften) jedoch ändern sich in einem Temperaturfenster von 150 bis 190 °C innerhalb eines Tages massiv, betont das KUZ: Das Material versprödet! In diesem Zeitraum sei der Einfluss durch thermooxidative Alterung noch sehr gering ausgeprägt. Physikalische Alterungsprozesse und Nachkondensation überlagern aber den thermooxidativen Effekt. Es konnten folgende physikalische Alterungsprozesse im PA 6 nachgewiesen werden:

  • Trocknung und Wasserabgabe;
  • Nachkristallisation;
  • Umwandlung der Kristallmodifikation von der metastabilen, nematischen γ-Form in die stabile, monokline α-Form.

Als Ergebnis der Untersuchungen wird die massive Änderung der mechanischen Eigenschaften (Versprödung) innerhalb eines Tages vor allem durch die physikalische Alterung bestimmt, wie die Leipziger Forscher heraus gefunden haben.

Fazit: Im Projekt konnte nachgewiesen werden, welche komplexen Prozesse durch warmlagerungsbedingte Alterung im Material initiiert werden und wie verschieden die Abbauvorgänge in unterschiedlichen Polymeren ablaufen (Spotalterung/Flächenalterung). Außerdem konnten Aussagen über das Zeitfenster dieser Prozesse und ihren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften getroffen werden.

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