Einfluss von Kristallmodifikation und Überstruktur auf die statischen und dynamischen Kriecheigenschaften von isotaktischen Polypropylenen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442568249

Kriechen ist ein bedeutendes Phänomen für Materialien wie Metalle, Beton oder Polymere. Es tritt vor allem in Anwendungen auf, in welchen sie einer dauerhaften Belastung und einer rauen Umwelt ausgesetzt sind. Diese äußeren Einflüsse führen zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, reduzieren die Lebensdauer des Materials und können zu vorzeitigem Bauteilversagen beitragen. Statisches Kriechen ist definiert als die zeitabhängige irreversible Verformung der Polymere durch molekulare Umlagerung, wenn sie einer Beanspruchung ausgesetzt sind. Dynamisches Kriechen beschreibt einen weitaus schwerwiegenderen Versagensmechanismus, da die Spannung nicht statisch, sondern in Form von Schwingungen verläuft. Zum Beispiel ist das Material in unterirdischen Entwässerungs- und Abwasserrohrsystemen häufig solchen Vibrationen ausgesetzt. Ein fundiertes Verständnis von statischem und dynamischem Kriechen ist von entscheidender Bedeutung zur Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen sowie für die Materialentwicklung, welche über einen längeren Zeitraum einem erheblichen Maß an statischer und dynamischer Belastung standhalten sollen. Isotaktisches Polypropylen (i-PP) ist aufgrund seiner geringen Ausfallrate und der guten mechanischen Eigenschaften ein vielversprechender Kandidat, um die Anforderungen zu erfüllen. Es ist ein polymorphes Material und kann abhängig von den Verarbeitungsbedingungen und Keimbildnern (NA) verschiedene Kristallmodifikationen wie Alpha und Beta, sowie weitere Superstrukturen wie Sphärulite und Shish-Kebab aufweisen. Wir haben bereits den Einfluss der i-PP-Mikrostruktur in Abhängigkeit von supramolekularen NA auf dessen Zähigkeit, Zugfestigkeit und Ermüdungsrissausbreitung beschrieben. Nach unserem Wissensstand ist der Einfluss der Polymermikrostruktur auf das statische Kriechen in der Literatur nur begrenzt untersucht worden. Viele Arbeiten konzentrierten sich dabei auf die Verbesserung der statischen Kriechbeständigkeit von i-PP unter Verwendung von Füllstoffen wie Glasfasern, Carbon Nanotubes und Tonmineral. Ein grundlegendes Verständnis für die Korrelation von Kriechwiderstand (statisch) und Mikrostruktur (Kristallmodifikation und Superstruktur) ist nach unserem Wissenstand nicht vorhanden. Daher wird das statische Kriechverhalten von i-PP mit unterschiedlichen Mikrostrukturen bei drei verschiedenen Spannungsniveaus und Temperaturen analysiert. Neben den statischen sind nach unserem Kenntnisstand auch keine dynamischen Untersuchungen an i-PP vorhanden. Daher besteht das Ziel des Forschungsvorhabens darin, eine Struktur-Eigenschaftsbeziehung zwischen der Mikrostruktur und dem Kriechverhalten von i-PP durch kommerzielle supramolekulare NA herzustellen. Basierend auf den statischen Kriechversuchen, soll durch zusätzliche Anregung einer Spannungsamplitude um die mittlere Spannung dynamisches Kriechverhalten provoziert werden. Hierbei sollen gezielt eingestellte Kristallstrukturen auf ihre Kriechresistenz hin untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen