Abgeschlossenes Forschungsprojekt der Kunststoff-Zentrum in Leipzig - Thermooxidatives Alterungsverhalten von PP und PA 6

Um Aussagen zur Lebensdauererwartung von Kunststoffbauteilen treffen zu können, ist es notwendig das Alterungsverhalten der verwendeten Materialien zu kennen. Vor allem Bauteile, welche im Einsatz eine immer wiederkehrende Wärmebelastung erfahren, werden 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.

Am Kunststof-Zentrum in Leipzig (KUZ) wurde das Alterungsverhalten von PP und PA 6 unter thermooxidativen Bedingungen untersucht. Der Fokus lag dabei auf der Ermittlung des Einflusses der Probekörperdicke auf das Alterungsverhalten. 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.

 

Thermooxidatives Alterungsverhalten von Polypropylen (PP)

Die thermooxidative Alterung von Polypropylen (PP) verläuft spotartig und heterogen. Dabei werden die Makromoleküle radikalisch gespalten und Sauerstoff in unterschiedlichen Formen in die Polymerkette eingelagert. Mit zunehmender Alterungszeit vergilbt Polypropylen. Die mechanischen Eigenschaften liegen jedoch solange auf gutem Niveau bis sich braune Alterungsspots ausbilden (siehe Abbildung 1). Im Bereich der Alterungsspots liegt hochoxidiertes, massiv versprödetes Material vor. Das thermooxidative Alterungsverhalten von PP wird maßgeblich durch das Stabilisatorsystem und dessen Dispergiergüte bestimmt. Ein Einfluss der Probekörperdicke auf das Alterungsverhalten konnte für PP nicht nachgewiesen werden.

 

1 mm dicke PP-Platte 69 Tage bei 140 °C gealtert
1 mm dicke PP-Platte 69 Tage bei 140 °C gealtert

 

Thermooxidatives Alterungsverhalten von Polyamid 6 (PA 6)

Polyamid 6 (PA 6) dagegen altert thermooxidativ homogen von der Plattenoberfläche ausgehend (siehe Abbildung 2). Die Alterungsfront breitet sich in die Tiefe des Materials aus. Die Probekörperdicke beeinflusst das Zeitfenster der durch die Alterung ablaufenden Prozesse im PA 6 (siehe Abbildung 3). Die anwendungstechnischen Eigenschaften (mechanischen Eigenschaften) jedoch ändern sich in einem Temperaturfenster von 150°C bis 190°C massiv innerhalb eines Tages, das Material versprödet. In diesem Zeitraum ist der Einfluss durch thermooxidative Alterung noch sehr gering ausgeprägt. Physikalische Alterungsprozesse und Nachkondensation überlagern 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.

 

Farbumschlag der 1 mm dicken PA 6-Platten durch thermooxidative Alterung bei 190 °C
Farbumschlag der 1 mm dicken PA 6-Platten durch thermooxidative Alterung bei 190 °C
Viskositätszahl in Abhängigkeit von der Alterungszeit für unterschiedlich dicke PA 6 Platten
Viskositätszahl in Abhängigkeit von der Alterungszeit für unterschiedlich dicke PA 6 Platten

 

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.

 

Kontakt:
Kunststoffzentrum Leipzig gGmbH
M. Eng. Markus Tröbs
troebs(at)kuz-leipzig.de

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Reg.-Nr.:VF140005

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