A systematic investigation of fracture in polyamide 12

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Kunststoffrohrleitungen für den Gas- und Wassertransport haben sich im Langzeitbetrieb bestens bewährt. Dennoch kann es unter bestimmten Umständen (z.B. hohe Drücke) zum Versagen kommen. Das langsame Risswachstum (Slow Crack Growth, SCG) gilt dabei als die kritischste Versagensart. Da Stahlrohrsysteme, die unter hohem Druck betrieben werden, zunehmend durch moderne Kunststoffe wie Polyethylen (PE) und Polyamid (PA) ersetzt werden, ist das Verständnis grundlegender Bruchmechanismen von hohem Wert, um die Widerstandsfähigkeit gegen SCG effektiv bewerten zu können. Im Gegensatz zu PE, gibt es allerdings für PA nur wenige Studien zum Langzeitverhalten. Ein Ziel dieser Studie war daher die Untersuchung möglicher Bruch- und Mikroverformungsmechanismen sowie Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, die langsam wachsende Risse in PA begünstigen. Dafür wurde eine beschleunigte Prüfmethode zur Charakterisierung des SCG Verhaltens eines Werkstoffs verwendet, der sogenannte zyklische „Cracked Round Bar“ (CRB) Test. Im Gegensatz zum unpolaren PE wird PA zusätzlich durch die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrücken (H-Bindungen) beeinflusst. Daher wurde in einem weiteren Schritt der Einfluss von H Bindungen auf das Risswachstumsverhalten mit Hilfe eines „Sequential Debonding Fracture“ Modell untersucht. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche Energie, die zum Aufbrechen effektiver H-Bindungen benötigt wird, zur dominierenden Energiequelle wird, die es zu überwinden gilt. Dies ist dann der Fall, wenn mindestens 45 % aller H Bindungen, die die Rissebene durchqueren, in den Bruchprozess eingreifen und aktiv Widerstand gegen Ketten Entschlaufungsprozesse leisten. Besonderes Augenmerk wurde auch auf die Bildung von plastischen Deformationszonen (sog. „Crazes“) als Vorläufer von Rissen, sowie auf den Widerstand gegen Rissinitiierung und -ausbreitung gelegt. PA12 Typen mit steigendem Molekulargewicht (MW) zeigten einen zunehmenden Entschlaufungswiderstand aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungseffekten, was zu höheren Initiierungs- und Ausbreitungswiderständen führt, während sich die Größe der plastischen Zone nicht wesentlich ändert. Eine Schlagzähmodifikation hingegen fördert die Entwicklung deutlich größerer plastischer Zonen und eine höhere Risswachstums Beständigkeit. Pigmentierte Typen hingegen weisen eine geringere Größe der plastischen Zonen auf, was zu einem geringeren Anteil an dissipierter Energie vor der physikalischen Rissinitiierung und während des langsamen Risswachstums führt. Obwohl SCG im Regelfall zu kleineren Bruchstellen und Lecks führt, besteht dennoch die Gefahr, unter bestimmten Bedingungen in ein schlagartiges, schnelles Risswachstum (Rapid Crack Propagation, RCP) überzugehen. Obwohl RCP deutlich seltener auftritt, ist der angerichtete Schaden im Vergleich zum SCG wesentlich höher. Charakteristisch für RCP in kritischen Anwendungen, wie z. B. in unter Druck stehenden Rohren oder Behältern, ist ein dynamischer Riss, der sich mit hohen Geschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Metern pro Sekunde ausbreitet. Dabei spielt die äußere Belastungssituation als auch die molekulare und morphologische Struktur des Materials eine große Rolle. Der sichere Einbau und Betrieb von RCP-gefährdeten Bauteilen während ihres Einsatzes kann daher ohne fundierte Kenntnisse über die RCP-Beständigkeit und das Risswachstumsverhalten der verwendeten Werkstoffe nicht gewährleistet werden. Insbesondere, wenn man den Einsatz neuer Werkstoffe und vor allem zeit- und temperaturabhängige Kunststoffe in Betracht zieht. In diesem Zusammenhang wurde die RCP-Beständigkeit verschiedener PA12-Typen mit Hilfe des ISO 13477 „Small-Scale Steady State“ (S4) Tests untersucht. Da sich diese Typen nicht nur im Molekulargewicht, sondern auch in der Verwendung von Additiven (Schlagzähmodifikatoren und Pigmenten) unterschieden, konnten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen he

Details

Titel in ÜbersetzungEine systematische Untersuchung von Brüchen in Polyamid 12
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pinter, Gerald, Betreuer (intern)
  • Fischer, Jörg, Beurteiler B (extern)
  • Frontini, Patricia, Mitbetreuer (extern), Externe Person
  • Kopp, Jean-Benoit, Beurteiler A (extern), Externe Person
StatusVeröffentlicht - 2022