Grundlegende Untersuchung von Spannungsrisseffekten in Kunststoff-Nanokompositen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt; Professor Dr.-Ing. Alois K. Schlarb
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437333074

Spannungsrissbildung, englisch Environmental Stress Cracking (ESC), ist eine der häufigsten Ursachen für ein vorzeitiges Versagen von Kunststoffbauteilen unter Last. Das Risiko der Spannungsrissbildung besteht immer dann, wenn das Kunststoffteil mechanisch belastet wird und gleichzeitig unter Medienbeanspruchung steht. Die Folgen des vorzeitigen Bauteilversagens aufgrund von Spannungsrissbildung sind oft schwerwiegend und können sogar lebensbedrohlich sein, beispielsweise wenn das Produkt in der medizinischen Versorgung eingesetzt wird. Daher ist das grundlegende Verständnis der Zusammenhänge und die darauf aufbauende Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit von Kunststoffen eine große Herausforderung. Im Allgemeinen verbessert sich die Spannungsrissbeständigkeit amorpher Kunststoffe mit zunehmendem Molekulargewicht und einer breiten Molekulargewichtsverteilung der Polymermatrix. Darüber hinaus zeigen die projektbezogenen Vorarbeiten, dass der Einsatz von nanoskaligen Füllstoffen neue Möglichkeiten bietet, die ESC-Beständigkeit zu verbessern und damit die Lebensdauer der Kunststoffbauteile zu verlängern.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, ein tiefes Verständnis zum Einflusses von geometrischen Parametern von Nanopartikel und deren Oberflächenchemie sowie von molekularen Parametern der Kunststoffmatrix auf das Spannungsrissverhalten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen (spannungsrissauslösende Medien und Umgebungstemperaturen) bei unterschiedlicher mechanischer Belastung (statische und dynamische Belastung) zu erforschen. Als Matrix wird PMMA mit systematischer Variation von Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung eingesetzt. Die Matrix wird mit Nanopartikeln unterschiedlicher Art und Größe (sphärisches Nano-Siliziumdioxid (SiO2)), stäbchenförmige Halloysit-Nanoröhren (HNTs)) sowie plättchenförmige Schichtsilikate (kommerzielle und speziell oberflächenmodifizierte Schichtsilikate) gefüllt. Durch Verwendung mechanischer, thermischer, morphologischer, optischer, rheologischer und Oberflächenspannungsanalysen wird es möglich sein, Struktur-Eigenschafts-Beziehung der Nanokomposite aufzustellen. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Forschungsarbeiten werden den Schlüssel zum Verständnis des Spannungsrissverhaltens von Polymer-Nanokompositen darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen