Frick / Stern Einführung in die Kunststoffprüfung
1. Auflage 2017
ISBN: 978-3-446-44988-6
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Prüfmethoden und Anwendungen
E-Book, Deutsch, 270 Seiten
ISBN: 978-3-446-44988-6
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
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.
Autoren/Hrsg.
Fachgebiete
- Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Werkstoffprüfung
- Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Technologie der Kunststoffe und Polymere
- Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Materialwissenschaft: Polymerwerkstoffe
Weitere Infos & Material
1;Autoren;6
2;Vorwort;8
3;Inhaltsverzeichnis;10
4;1 Eigenschaften und Qualität von Kunststoffen und Formteilen;16
4.1;1.1 Aufbau und Verhalten von Kunststoffen;19
4.2;1.2 Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen;21
4.3;1.3 Temperaturabhängigkeit der elastischen Eigenschaften der Kunststoffe;22
4.4;1.4 Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe;25
4.5;1.5 Einfluss von Zeit und Temperatur auf die Festigkeitseigenschaften der Kunststoffe;28
4.6;1.6 Verformungsverhalten der Kunststoffe unter mechanischer Zugbeanspruchung;29
4.6.1;1.6.1 Spröder, amorpher Kunststoff;29
4.6.2;1.6.2 Verformungsfähiger, amorpher Kunststoff;29
4.6.3;1.6.3 Verformungsfähiger, teilkristalliner Kunststoff;30
4.7;1.7 Ermüdungsverhalten der Kunststoffe unter dynamischer Beanspruchung;32
4.8;1.8 Qualitätseinflüsse bei Kunststoffen und Formteilen;35
4.8.1;1.8.1 Formmasse;35
4.8.2;1.8.2 Verarbeitung;39
4.8.3;1.8.3 Vorbehandlung;42
4.8.4;1.8.4 Fertigungsprozess;43
4.9;Literatur zu Kapitel 1;45
5;2 Kunststoffprüfung;46
5.1;2.1 Zweck der Kunststoffprüfung;46
5.2;2.2 Probenherstellung und Durchführung von Prüfungen;50
5.2.1;2.2.1 Probenentnahme;51
5.2.2;2.2.2 Arten von Proben;52
5.2.3;2.2.3 Durchführung von Prüfungen;54
5.3;2.3 Ergebnisdarstellung/Prüfbericht;54
5.4;Normen;54
5.5;Normen zu Abschnitt 2.1 und 2.2;55
5.6;Normen zu Abschnitt 2.3;56
5.7;Literatur zu Kapitel 2;57
6;3 Kunststoffidentifikation;58
6.1;3.1 Dichte;59
6.1.1;3.1.1 Schwebeverfahren;60
6.1.2;3.1.2 Dichtemessung nach dem Auftriebverfahren;61
6.1.3;3.1.3 Dichtegradientenverfahren;62
6.1.4;3.1.4 Pyknometerverfahren;63
6.2;3.2 Infrarot-Spektroskopie;64
6.3;Normen zu Abschnitt 3.1;70
6.4;Normen zu Abschnitt 3.2;70
6.5;Literatur zu Kapitel 3;70
7;4 Rheologische Prüfung;72
7.1;4.1 Rheometrie;79
7.1.1;4.1.1 Rotationsverfahren;81
7.1.1.1;4.1.1.1 Kegel-Platte-Messanordnung;82
7.1.1.2;4.1.1.2 Platte-Platte-Messanordnung;83
7.1.2;4.1.2 Oszillationsverfahren;84
7.2;4.2 Viskosimetrie;88
7.2.1;4.2.1 Schmelzefließrate-Bestimmung;89
7.2.1.1;4.2.1.1 Schmelze-Massefließrate (MFR);90
7.2.1.2;4.2.1.2 Schmelze-Volumenfließrate (MVR);91
7.2.2;4.2.2 Hochdruckkapillarviskosimetrie;92
7.2.3;4.2.3 Lösungsviskosimetrie;95
7.3;Normen zu Abschnitt 4.1.1;100
7.4;Normen zu Abschnitt 4.2.1;100
7.5;Normen zu Abschnitt 4.2.2;100
7.6;Normen zu Abschnitt 4.2.3;100
7.7;Literatur zu Kapitel 4;101
8;5 Mechanische Prüfungen;102
8.1;5.1 Quasistatische Beanspruchung;104
8.1.1;5.1.1 Zugversuch;105
8.1.2;5.1.2 Druckversuch;115
8.1.3;5.1.3 Biegeversuch;119
8.1.4;5.1.4 Härteprüfung;124
8.2;5.2 Schlagartige Beanspruchung;133
8.2.1;5.2.1 Schlagzugversuch;135
8.2.2;5.2.2 Schlagbiegeversuch;136
8.2.2.1;5.2.2.1 Charpy-Verfahren;137
8.2.2.2;5.2.2.2 Izod-Verfahren;139
8.2.3;5.2.3 Fall- und Stoßversuch;139
8.3;5.3 Statische Langzeitbeanspruchung;142
8.3.1;5.3.1 Kriechversuch;143
8.3.2;5.3.2 Relaxationsversuch;149
8.4;5.4 Dynamische Langzeitbeanspruchung;151
8.4.1;5.4.1 Schwingversuch;156
8.4.1.1;5.4.1.1 Zug-Druck-Ermüdungsprüfung;156
8.4.1.2;5.4.1.2 Biege-Ermüdungsprüfung;156
8.5;Normen zu Abschnitt 5.1.1;156
8.6;Normen zu Abschnitt 5.1.2;157
8.7;Normen zu Abschnitt 5.1.3;157
8.8;Normen zu Abschnitt 5.1.4;158
8.9;Normen zu Abschnitt 5.2.1;159
8.10;Normen zu Abschnitt 5.2.2;159
8.11;Normen zu Abschnitt 5.2.3;159
8.12;Normen zu Abschnitt 5.3.1;159
8.13;Normen zu Abschnitt 5.3.2;160
8.14;Normen zu Abschnitt 5.4;160
8.15;Literatur zu Kapitel 5;160
9;6 Tribologische Prüfungen;162
9.1;6.1 Gleitverhalten;164
9.2;6.2 Reibungskoeffizient;165
9.3;6.3 Verschleiß;167
9.4;Norm;167
9.5;Literatur zu Kapitel 6;167
10;7 Thermische Prüfungen;168
10.1;7.1 Prüfungen unter Temperaturbeanspruchung;170
10.1.1;7.1.1 Zeitraffer-Prüfung;172
10.2;7.2 Prüfung der thermischen Alterung;174
10.3;7.3 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC);175
10.4;7.4 Dynamisch-mechanische Analyse (DMA);184
10.5;7.5 Thermogravimetrische Analyse (TGA);192
10.6;7.6 Thermomechanische Analyse (TMA) – Dilatometrie;195
10.7;7.7 Bestimmung des Glührückstandes;199
10.8;7.8 Formbeständigkeit in der Wärme;201
10.8.1;7.8.1 Vicat-Erweichungstemperatur;203
10.8.2;7.8.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur;206
10.9;Normen zu Abschnitt 7.2;207
10.10;Normen zu Abschnitt 7.3;207
10.11;Normen zu Abschnitt 7.4;208
10.12;Normen zu Abschnitt 7.5;208
10.13;Normen zu Abschnitt 7.6;208
10.14;Normen zu Abschnitt 7.7;208
10.15;Normen zu Abschnitt 7.8;209
10.16;Literatur zu Kapitel 7;209
11;8 Chemische Prüfungen;210
11.1;8.1 Medienbeständigkeit;210
11.2;8.2 Spannungsrissbeständigkeit;212
11.2.1;8.2.1 Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit im Zeitstandzugversuch;213
11.2.2;8.2.2 Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit im Biegestreifenverfahren;215
11.2.3;8.2.3 Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit im Kugel- oder Stifteindringverfahren;218
11.3;Normen zu Abschnitt 8.1;218
11.4;Normen zu Abschnitt 8.2;218
11.5;Literatur zu Abschnitt 8;219
12;9 Physikalische Prüfungen;220
12.1;9.1 Massebestimmung;220
12.2;9.2 Bestimmung der Wasseraufnahme;221
12.3;Normen zu Abschnitt 9.2;224
12.4;Literatur zu Kapitel 9;225
13;10 Geometrische Prüfung;226
13.1;10.1 Maße und Toleranzen;226
13.1.1;10.1.1 Taktiles Messen;228
13.1.2;10.1.2 Berührungsloses Messen;229
13.1.2.1;10.1.2.1 Streifenprojektionsverfahren;230
13.1.2.2;10.1.2.2 Röntgen-Computertomografie (CT);230
13.2;10.2 Verarbeitungsschwindung, Nachschwindung;234
13.3;10.3 Schrumpfung;237
13.4;10.4 Verzug;238
13.5;Normen Abschnitt 10.1;240
13.6;Normen zu Abschnitt 10.1.1;240
13.7;Normen zu Abschnitt 10.2;240
13.8;Normen zu Abschnitt 10.3;241
13.9;Literatur zu Kapitel 10;241
14;11 Optische Prüfungen;242
14.1;11.1 Sichtprüfung;243
14.2;11.2 Lichtmikroskopie;244
14.2.1;11.2.1 Probenpräparation;246
14.2.1.1;11.2.1.1 Anschliff/Dünnschliff;248
14.2.1.2;11.2.1.2 Dünnschnitt;250
14.3;11.3 Digitalmikroskopie;252
14.4;11.4 Rasterelektronenmikroskopie;253
14.5;11.5 Polarisationsoptik;258
14.6;Normen zu Abschnitt 11.5;260
14.7;Literatur zu Kapitel 11;261
15;12 Weiterführende Literatur;262
15.1;Normen zur Kunststoffprüfung;266
16;Index;268
| 2 | Kunststoffprüfung |
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
| 2.1 | Zweck 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 |
? Werkstoffcharakterisierung |
|
Produktentwicklung |
? Prüfung von Kunststoffen |
|
Qualitätssicherung |
? Wareneingangskontrolle |
|
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 |
Polymer |
|
Verarbeitungstechnische Eigenschaften |
Leistungseigenschaften |
Formmasse |
|
Produkteigenschaften |
Leistungseigenschaften |
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 |
|
|
|
|
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 () 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...
