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Innovative Methoden zur Lebensdauerprognose von Kunststoffen

„Voraussagen sind schwierig – vor allem wenn sie die Zukunft betreffen." Ein Spruch, der u. a. Niels Bohr zugeschrieben wird, trifft auch auf die Prognose des Langzeit- und Alterungsverhaltens von Kunststoffen zu. Das SKZ unterstützt Interessierte hierbei mit beschleunigten Prüfkonzepten in Kombination mit physikalisch-chemischen Vorhersagemodellen, die auf den jeweiligen Versagensmechanismus abgestimmt sind.

Kunststoffbauteile im Einsatz sind häufig hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, nicht selten in Kombination mit Umgebungseinflüssen wie erhöhten Temperaturen, chemischen Medien oder Witterung. Dies kann sich in unterschiedlichen Effekten wie Kriechen und Ermüdung bemerkbar machen. Aber auch ein möglicher Materialabbau, der meist beginnend von der Oberfläche zu einer Versprödung oder Verfärbung des Werkstoffes führt, begrenzt die mögliche Nutzungsdauer von Kunststoffprodukten. Die geforderte Nutzungsdauer von Kunststoffbauteilen erreicht bei Anwendungen wie Kunststoff Gas- oder Wasserrohren bis zu 100 Jahre. Selbst wenn lediglich das Verhalten nur für wenige Jahre abzusichern ist, stehen Unternehmen aufgrund immer kürzer werdender Entwicklungszyklen zunehmend vor dem Problem, innerhalb deutlich kürzerer Zeit valide Aussagen zum Langzeit- und Alterungsverhaltens ihrer Kunststoffprodukte treffen zu müssen.

Vorhersage in nur wenigen Tagen möglich
Das SKZ hat sein umfangreiches Know-how zu beschleunigten Prüfkonzepten und Vorhersagemodellen zur Lebensdauerprognose deutlich ausgebaut. Beispielhaft seien hier die „Stepped Isothermal Method“ (SIM) und die „Stepped IsoStress Method“ (SSM) genannt, die das Kriechverhalten von Kunststoffen über einen Zeitraum von teilweise mehr als 50 Jahren mittels Versuche mit einer Dauer von nur wenigen Tage vorhersagen. Zur Vorhersage des langsamen Risswachstums, also dem Spannungsrissversagen von Polyolefin-Werkstoffen, werden mit dem „Strain Hardening Test“ (SHT) und dem „Cracked Round Bar“ (CRB) Test zwei neue Prüfmethoden eingesetzt, die kürzlich auch in die ISO-Normung aufgenommen wurden. Sowohl der im SHT ermittelte Dehnverfestigungsmodul als auch die im CRB Test ermittelte Bruchschwingspielzahl korrelieren mit den, in wesentlich zeitaufwendigeren Medien-Zeitstandversuchen ermittelten Versagenszeiten. Anstelle von Alterungstests in Wärmeöfen werden mittlerweile Alterungstests in Hochdruckautoklaven durchgeführt, um das thermo-oxidative Versagen von Kunststoffen stark beschleunigt zu prüfen. Neben moderat erhöhten Temperaturen werden zusätzlich erhöhte Sauerstoffpartialdrücke zur Beschleunigung der Alterung genutzt. Mit einem modifizierten Arrheniusansatz, der auch den Alterungsfaktor Sauerstoffpartialdruck berücksichtigt, lassen sich dann Aussagen zum thermo-oxidativen Versagen unter Einsatzbedingungen treffen.

Kein universelles Schnelltestverfahren
Da die Lebensdauer von Kunststoffprodukten nicht nur vom eingesetzten Werkstoff, sondern auch von den konkreten Einsatzbedingungen und dem geforderten Eigenschaftsprofil abhängt, gibt es leider kein universelles Schnelltestverfahren. Das SKZ unterstützt die Unternehmen dabei, ein beschleunigtes Prüfkonzept auszuarbeiten, das auf das jeweilige Kunststoffprodukt abgestimmt ist, um die geforderte Nutzungsdauer im betrieblichen Einsatz zügig abzusichern.
 

Das Bild zeigt die motorische Kriechapparatur mit Temperierkammer zur zeitraffenden Ermittlung des Kriechverhaltens. (Foto: SKZ)
 

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Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Kurt Engelsing
Gruppenleiter Bauteileigenschaften
Würzburg
+49 931 4104-147
k.engelsing@skz.de
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