Charakterisierung und Modellierung des feuchteabhängigen thermomechanischen Verhaltens von Polyamiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im durchgeführten Projekt wurde das feuchteabhängige, thermomechanische Verhalten von Polyamiden experimentell ermittelt. Anhand der Daten wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Diffusionsverhalten und das feuchteabhängige mechanische Verhalten des Materials koppelt. Die experimentelle Charakterisierung erfolgte in mehreren Arbeitspaketen, wobei das feuchteabhängige mechanische Verhalten in Kurzzeitversuchen sowie das Langzeitverhalten unter Feuchte in Relaxationsversuchen ermittelt wurde. Zudem wurde das Sorptions- und Quellverhalten aufgrund der Wasserzugabe charakterisiert. Insbesondere die Charakterisierung von Feuchtigkeitsgradienten lag im Fokus der Arbeiten. Es konnten verschiedene Methoden zur Beurteilung von Feuchtigkeitsgradienten entwickelt werden. Es konnte klar dargelegt werden, dass eine einfache, in der Branche weit verbreitete Beurteilung des Materials in „trocken“ und „konditioniert“ deutlich zu wenig weitgreifend aufgestellt ist. Eine ortsaufgelöste Verteilung des Wassers während der Versuchsdurchführung wäre insbesondere im Bereich der Langzeitmessungen sowie der Auslagerungsversuche von Interesse gewesen, sodass ein Feuchtigkeitsgradientenabbau sowie Rücktrocknung in den durchgeführten Biegeversuchen besser detektiert werden könnte. Auch eine lokale Wasserverteilung sowie die zeitliche Änderung der Probenmaße über die Relaxationsversuchsdauer wäre von großem Interesse gewesen, da einige Effekte nicht klar zugeordnet werden konnten und ggf. durch nichtlineare Quellvorgänge bei der komplexen Rohrprobengeometrie unter Last nachgewiesen werden könnten. Auf Basis der beobachteten experimentellen Ergebnisse wurde ein Simulationsmodell entwickelt. Die mechanischen und die Diffusionsaspekte des Modells waren stark miteinander gekoppelt. Verschiedene Effekte wie die Wirkung der Temperatur, die Phasenumwandlung mit Feuchtigkeit und die Wirkung großer Verformungen wurden jedoch nicht in das Modell einbezogen. Da es keine Informationen über die lokale Feuchtigkeitsumverteilung während der Belastung gab, nimmt das Modell eine Änderung der volumetrischen Dehnung als Grund für die Feuchtigkeitsumverteilung an. Daher können die Parameter für das Modell nicht explizit ermittelt werden. Qualitativ kann das Modell jedoch die Ergebnisse der Experimente reproduzieren. Ein Beispiel ist der Relaxationsversuch, der an einer gesättigten, trocken gelagerten Probe durchgeführt wurde. Das Modell geht davon aus, dass die Oberfläche der Probe direkt gesättigt ist, sobald sie in Kontakt mit Feuchtigkeit kommt. Dies sollte jedoch durch die Anzahl der verfügbaren Wassermoleküle, den Druck auf die Wassermoleküle und den Zustand der Probenoberfläche beeinflusst werden. Dies führt dazu, dass die Diffusion nicht durch den Konzentrationsgradienten, sondern durch den Gradienten des chemischen Potentials formuliert wird. Eine Formulierung dieses chemischen Potentials wurde in der Literatur bislang nicht untersucht und ist ein interessantes Forschungsgebiet, das verfolgt werden könnte. Großes Forschungspotential bietet die strukturelle Änderung der vorliegenden Kristallinität durch Feuchtebeaufschlagung bzw. eine feuchteinduzierte Nachkristallisation, da Forschungsarbeiten zu diesem Themenkomplex in der Literatur bisher kaum zu finden ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Moisture transport in PA6 and its influence on the mechanical properties. 12th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting Amsterdam (NL) 2018
S. Diebels, P. Sharma
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00161-019-00815-w) - Determination of moisture gradients in polyamide 6 using StepScan DSC. Thermochimica Acta 2019, Vol. 672, p.150-156
A. Sambale, M. Kurkowski, M. Stommel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tca.2018.12.011) - Influence of Moisture Gradients on the Bending Properties of Short Glass Fiber Reinforced Polyamide 6. Proceedings of 22nd International Conference of Composite Materials 2019 (ICCM22)
A. Sambale, M. Stommel
- Moisture Transport in PA6 and its influence on the mechanical properties. Continuum Mechanics and Thermodynamics 2019, p. 1-19
P. Sharma, A. Sambale, M. Stommel, M. Maisl, H.-G. Herrmann, S. Diebe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00161-019-00815-w)
