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Einführung in die Kunststoffprüfung

Prüfmethoden und Anwendungen

AutorAchim Frick, Claudia Stern
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2017
Seitenanzahl270 Seiten
ISBN9783446454552
FormatePUB
KopierschutzWasserzeichen
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis37,99 EUR
Ganzheitliche Betrachtung der Kunststoffprüfung
Für die Qualifizierung von polymeren Werkstoffen und Produkten bedarf es der Kunststoffprüfung. Im Rahmen der Kunststofftechnik ist die Kunststoffprüfung deshalb eine eigene, fachliche Disziplin. Es werden die wichtigsten Verfahren der Kunststoffprüfung, deren Anwendung und Durchführung beschrieben und erklärt.
Prägnant und kurzgefasst
Erforderliches Fachwissen über die wichtigsten Prüfverfahren wird bereit gestellt und Anleitungen zur Durchführung der Untersuchungen und Aufbereitung der Messergebnisse werden gezeigt.
Die Leser sollen mit Hilfe der Informationen in die Lage versetzt werden, qualitätstechnische Fragestellungen der Kunststofftechnik zu erfassen, zu quantifizieren und erfolgreich zu lösen.
Vom Praktiker für den Praktiker
Praktiker aus der Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung von kunststofftechnischen Produkten und Studierende werden mit den für Kunststoffen praxisrelevanten Prüfverfahren vertraut gemacht.
EXTRA: E-Book inside

Prof. Dr.-Ing. Achim Frick wurde nach mehrjähriger Industrietätigkeit im Entwicklungsbereich 1997 an die Hochschule Aalen in die Kunststofftechnik berufen. Seine Lehrgebiete sind polymere Werkstoffe, Bauteilentwicklung und Kunststoffprüfung. Er ist Leiter des Institutes Polymer Science and Processing (iPSP) an der Hochschule Aalen und forscht und publiziert zu werkstoff- und produktionstechnologischen Fragen. Als Leiter des Steinbeis Transferzentrums Polymer Engineering (PETZ) in Aalen ist er im Technologietransfer zur Industrie und in der Weiterbildung aktiv.
Dr. Claudia Stern forschte nach ersten Stationen in der Industrie an der Hochschule Aalen zum Thema Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von hochmolekularen Polypropylenen und promovierte in Kooperation mit der niederländischen Universität Twente in Enschede. Seit 2006 arbeitet sie bei der ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH in Bietigheim und beschäftigte sich mit der Entwicklung und Markteinführung eines neuartigen, thermoplastischen Fluorpolymers. Mittlerweile ist sie im Unternehmen verantwortlich für Entwicklung, Fertigung und Vertrieb im Geschäftsbereich Thermoplastische Hochleistungskunststoffe.

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Leseprobe
2Kunststoffprüfung

Mit dem Begriff Kunststoff werden polymere Werkstoffe bezeichnet, nämlich Thermoplaste, thermoplastische Elastomere, vernetzte Elastomere und Duroplaste. Kunststoffe sind eine eigene Werkstoffklasse, ihr Deformationsverhalten ist viskoelastisch und sie besitzen ausgeprägte zeit- und temperaturabhängige Eigenschaften. Die Prüfung von Kunststoffen ist ein eigenständiges Fach- und auch Forschungsgebiet (Bild 2.1). Die Kunststoffprüfung umfasst alle Tätigkeiten im Zusammenhang mit der Untersuchung von Kunststoffen und daraus hergestellten Produkten.

Bild 2.1 Stellung der Kunststoffprüfung innerhalb der Kunststofftechnik

2.1Zweck der Kunststoffprüfung

Die Kunststoffprüfung dient der Untersuchung, Charakterisierung und Qualifizierung von Kunststoffen und daraus hergestellter Formteilen. Sie umfasst werkstofftechnische, qualitätssichernde und schadensanalytische Untersuchungen, auch Untersuchungen zum Recycling von Kunststoffen.

Moderne Produkte sollen aus technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Überlegungen leicht sein (minimierter Energie- und Ressourcenverbrauch), dabei sind sie oft geometrisch komplex gestaltet und stark beansprucht. Deshalb finden Kunststoffe zunehmend Einsatz als Konstruktionswerkstoffe und der Ausnutzungsgrad des polymeren Werkstoffs im fertigen Produkt ist folglich hoch. Ein Formteil weist heute vielfach nur noch geringe Sicherheitsreserven auf. Wenn Produkte früher dauerfest ausgelegt waren, dann sind sie heute überwiegend nur noch zeitfest dimensioniert. Aus den dargelegten Gründen wird es zunehmend wichtig, die Gebrauchseigenschaften von Kunststoffen exakt zu charakterisieren, festgelegte Werkstoffe für eine Anwendung auf ihre Identität zu prüfen und zu verifizieren. Mögliche Schwankungen der Werkstoffqualität, Materialverwechslungen, Änderungen bei Funktionsadditiven oder beim Farbpigment von Kunststoffen, ebenso mögliche Eigenschaftsverluste der Kunststoffe durch die Verarbeitung zum Formteil können zu einer mangelhaften Produktqualität beitragen und sind schließlich potentielle Ursachen für Schadensfälle im Einsatz. Diese Probleme müssen idealerweise frühzeitig erkannt und vermieden werden. Dazu bedarf es der Kunststoffprüfung mit geeigneten, aussagefähigen Prüf- und Qualitätssicherungsverfahren für Kunststoffe und daraus hergestellter Formteile. Die Verfahren sollten wünschenswerterweise einfach, schnell und automatisierbar sein. Tabelle 2.1 zeigt die Einsatzmöglichkeiten der Kunststoffprüfung in verschiedenen Aufgabenfeldern. Die Aufgabenfelder stehen im Zusammenhang mit dem Produktlebenszyklus und den daraus resultierenden, prüftechnischen Fragestellungen.

Tabelle 2.1 Verschiedene Zwecke der Kunststoffprüfung

Aufgabenfeld

Zweck der Kunststoffprüfung

Werkstoffforschung
Werkstoffentwicklung

→ Werkstoffcharakterisierung

Produktentwicklung

→ Prüfung von Kunststoffen
→ Prüfung von Kunststoff-Formteilen (Produktqualifizierung)

Qualitätssicherung

→ Wareneingangskontrolle
→ Fertigungsüberwachung

Schadensuntersuchung

→ Schadensanalytik

Produktrecycling

→ Untersuchung der Recyclingfähigkeit

In der Kunststoffprüfung gibt es verschiedene Fragestellungen und daraus leiten sich Untersuchungsaufgaben ab (Tabelle 2.2). Die sind in der kunststofftechnischen Praxis wünschenswerterweise möglichst effektiv und erfolgreich zu lösen. Deswegen sollten prüftechnische Untersuchungen gut überlegt und nur so umfangreich als nötig erfolgen! Bestehen beispielsweise bei aktuell angelieferten Kunststoffteilen bereits visuell erkennbar Glanzgradabweichungen gegenüber vorangegangen gelieferten und freigegebenen Teilen gleichen Typs, dann lässt sich die jüngste Lieferung ohne weitere Prüfungen zurückweisen. Der Lieferant kann eigenverantwortlich die Ursache für die vorliegende Abweichung feststellen; er ist gehalten, die Qualität seiner Lieferteile auf das freigegebene Qualitätsniveau zurückzuführen. Erst dann, wenn ein prüftechnisch, analytischer Nachweis für die Abweichung erforderlich wird, sind weitere Untersuchungen durchzuführen. Thermoanalytische, kalorische Messungen mittels DSC (englisch: „Differential Scanning Calorimetry“) oder Dynamische Differenzkalorimetrie, DDK) beispielsweise lassen eine unterschiedliche, thermische Vorgeschichte der abweichenden Teile nachweisen.

Tabelle 2.2 Kunststofftechnische Untersuchungsaufgaben

Untersuchungsaufgabe

Fragestellung

Probe

Makromolekulare Eigenschaften

Struktureigenschaften

Polymer

Werkstoffliche Eigenschaften

Leistungseigenschaften
Neuware
Rezyklat
Qualitätserfassung

Polymer
Formmasse
Probekörper

Verarbeitungstechnische Eigenschaften

Leistungseigenschaften

Formmasse

Produkteigenschaften

Leistungseigenschaften
Qualitätserfassung
Schadensanalyse

Produkt

Kunststofftechnische Untersuchungsaufgaben sind, ein Polymer zu identifizieren, seine makromolekularen und physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren und die Schmelze-, Erstarrungs-, und Vernetzungseigenschaften zu ermitteln.

Die werkstofflichen Eigenschaften eines Kunststoffs für einen Einsatz als Konstruktionswerkstoff lassen sich nur am Festkörper messen. Dazu bedarf es zuvor hergestellter Probekörper oder Formteile, die dann analysiert werden können. Fragen zur Qualität beziehen sich sowohl auf die Formmasse (= verarbeitungsfähiger Kunststoff) als auch das hieraus gefertigte Formteil. In der Regel ist eine vereinbarte Qualität zu identifizieren oder sind mögliche Abweichungen davon zu ermitteln und zu bewerten.

Alle genannten Fragestellungen und deren jeweilige Lösung sind Themen der Kunststoffprüfung. Tabelle 2.3 gibt Hinweise über Untersuchungsmöglichkeiten verschiedener Fragestellungen und der dazu geeigneten Prüfungen.

Tabelle 2.3 Möglichkeiten zur Charakterisierung verschiedener Eigenschaften und dazu geeignete Prüfungen

Untersuchungsmöglichkeiten

Polymer

Polymerschmelze

Kunststoff-Festkörper

Kunststoff-Qualität

  

Probe

Formteil

 

Identität

  • IR

  • DSC

Molmasse (MW, MWD)

  • GPC

  • Rheometrie

  • Lösungsviskosität

Viskosität

  • Kapillarviskosimetrie (MFR, MVR, HKV)

Geometrie

  • Schwindung/
    Nachschwindung/
    Verzug

  • Wasseraufnahme

Mechanik (RT)

  • Zug/Druck/Biegung

  • Quasi statisch/
    langzeitig/
    dynamisch/
    stoßartig

Mechanik (T, Frequenz)
Sonstige Eigenschaften

Identität
Füllstoffgehalt
Feuchtegehalt
Eigenschafts-
veränderung

Die Infrarotspektroskopie (IR) erlaubt Polymere zu identifizieren, die Gelpermeationschromatografie (GPC) kann die Molmasse (MW) und Molmassenverteilung (MWD) eines Polymers bestimmen. Im Falle hoch- und höchstmolekularer Produkte ist für die Bestimmung der Molmasse die schmelzerheologische Untersuchung mittels Rotationsviskosimeter (Rheometrie) der GPC überlegen. Die Oszillationsrheometrie liefert Hinweise über die viskoelastischen Eigenschaften einer Schmelze. Für lösliche Polymere liefert die Lösungsviskosität und die daraus gewonnene Viskositätszahl (VZ) ebenfalls Rückschlüsse auf die Molmasse oder etwaige Veränderungen der Molmasse.

Das Fließverhalten thermoplastischer Polymere in verarbeitungstechnisch relevanten Schergeschwindigkeitsbereichen lässt sich mittels der Kapillarviskosimetrie (Hochdruckkapillarviskosimeter, HKV) feststellen. Das Ergebnis sind Viskositätskurven, die die Strukturviskosität der untersuchten Polymere für unterschiedliche Temperaturen beschreiben. Einzelpunktmesswerte bei definierten Prüfbedingungen ergibt die Messung der Schmelze-Massefließrate (MFR) beziehungsweise der Schmelze-Volumenfließrate (MVR).

Polymere besitzen viskoelastische Eigenschaften, das heißt sie verhalten sich zeit- und temperaturabhängig. Deshalb sind sowohl deren rheologische (fließtechnische) Eigenschaften als auch deren Festkörpereigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur und Beanspruchungsfrequenz zu betrachten. Bei der Beschreibung der Festkörpereigenschaften werden folglich die quasistatische, die schlagartige und kurzeitige Belastung, die langzeitige und auch die dynamische Belastung auf Lebensdauer unterschieden. Die Belastungsart kann dabei jeweils Zug, Druck, Biegung oder Schub sein.

Für die Ermittlung der thermischen Eigenschaften von Polymeren dienen die Verfahren der Thermoanalyse. Dies sind die...

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