Kristallite von Additiven in einer Kunststoffmatrix
Fraunhofer LBF
Im Leichtbau setzen Ingenieure immer häufiger auch bei sicherheitssensiblen Anwendungen auf Kunststoffwerkstoffe. Aber was, wenn diese Materialien altern und versagen? "Da die Sicherheit im Sinne geforderter Zuverlässigkeit bis zum Lebensende und insbesondere am Ende des Lebens einzuhalten ist, hat die Vorhersage und Validierung der Vorhersage der Alterung eine große Bedeutung." Darauf weist Springer-Autor Georg W. Mair gleich in der Einführung von "Sicherheitsbewertung von Composite-Druckgasbehältern" hin (Seite 13). Und im Kapitel "Fallbeispiele" seines Buches "Kunststofftechnik" diskutiert Springer-Autor Martin Bonnet ab Seite 237 einige konstruktive Fragestellungen, die sich aus dem Phänomen Alterung ergeben.
Werden bislang häufig statistische Methoden genutzt oder Wahrscheinlichkeitsüberlegungen angestellt, um Alterungsschädigungen in Kunststoffbauteilen auszuschließen, haben jetzt Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt moderne bildgebende Techniken kombiniert, um Alterungsprozesse von Kunststoffen direkt zu analysieren. Diese Verfahren verbesserten die Schadensanalytik von Kunststoffprodukten wesentlich, heißt es in einer Mitteilung des LBF, denn aufgrund einfacher Probenvorbereitung sowie hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung ließen sich Materialveränderungen frühzeitig erkennen.
Mikroskopie und Spektroskopie in Kombination
In den vergangenen Jahren wurden bildgebende analytische Methoden so angepasst, dass die bei der Schädigung von Polymeren ablaufenden Teilreaktionen detailliert untersucht werden können. Grundsätzlich wird dazu Lichtmikroskopie mit einer spektroskopischen Technik gekoppelt, deren Wahl von der jeweiligen Fragestellung bestimmt wird. So lassen sich die Extraktion von stabilisierenden Additiven und das Eindringen von Medien gut mittels Infrarot-Mikroskopie verfolgen. Ortsauflösungen im Nanometerbereich liefert beispielsweise die Raman-Mikroskopie, sodass einzelne Sphärolithe von Polymeren und Additiv-Agglomerate einer eingehenden Untersuchung zugänglich werden. Die Extraktion von Füllstoffen und Pigmenten oder das Eindringen von ionischen Kontaminationen als Folge von Belastungen durch aggressive Medien untersuchen die Darmstädter Forscher nicht nur mittels einer Kombination aus Elektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM-EDX), sondern auch mit der Röntgenfluoreszenzmikroskopie. Und für die Analyse von Rissbildungen als Begleiterscheinung alterungsbedingter Materialveränderungen nutzen die Forscher die Computertomographie.
Erkenntnisgewinn für die Polymer-Entwicklung
Für die Praxis haben die LBF-Forscher Messprotokolle für eine große Bandbreite von Compounds thermoplastischer Kunststoffe und Elastomeren erarbeitet, die es ermöglichen, mit höchster Ortsauflösung die räumliche Verteilung von Materialparametern in Bauteilen zu bestimmen. Durch Nutzung dieser Datenbanken ließen sich die Einsatzmöglichkeiten von Polymeren in hoch belasteten Anwendungen künftig sehr viel zuverlässiger abschätzen. Die neuen Möglichkeiten der ortsaufgelösten Materialanalyse werden am Fraunhofer-LBF nun auch systematisch zur Entwicklung neuer Polymerrezepturen genutzt. Dies reicht von der Auswahl der geeigneten Additivierung über die Optimierung der Verarbeitung bis hin zum Einsatztest.