Verständnis und Management des Kriechens in Kunststoffmaterialien

Kunststoffe werden in der Industrie auf unterschiedlichste Weise verwendet. Sie sind billig und leicht, und man kann sie für viele verschiedene Dinge verwenden. Aber wie jedes andere Material haben auch Kunststoffe Probleme. Eines der größten Probleme ist das so genannte "Kriechen". Wenn auf Kunststoffprodukte eine konstante Kraft oder Wärme einwirkt, können sie durch Kriechen versagen oder schlecht funktionieren.

In diesem Text wird das Thema Kriechen sehr ausführlich behandelt. Wir wollen Ingenieuren und Designern helfen, es besser zu verstehen, damit sie dieses Wissen bei ihrer Arbeit nutzen können. Dieses Wissen ist sehr wichtig, um sicherzustellen, dass Produkte wie Autoteile und medizinische Geräte zuverlässig und sicher sind. Außerdem werden wir das Kriechen in verschiedene Kategorien einteilen, seine Ursachen untersuchen und darüber sprechen, wie wir es beheben können.

Was ist Kriechen in Kunststoffmaterialien?

Kriechen ist im Zusammenhang mit plastischen Materialien ein Verformungsprozess, dessen Geschwindigkeit von der Spannung, der Zeit und der Temperatur abhängt, die auf einen Kunststoff einwirken. Die anfängliche elastische Verformung tritt in der Anfangsphase der Verwendung einer Last auf und kehrt sofort zurück, wenn die Last aufgehoben wird. Das Kriechen hingegen setzt sich auch unter Standardbedingungen fort. Bei Kunststoffen ist die Situation noch offensichtlicher, da sie empfindlicher auf Temperaturänderungen und mechanische Belastung reagieren.

Kriechen tritt in viskoelastischen Materialien auf, die sich im Laufe der Zeit aufgrund von Wärme oder Spannung kontinuierlich verformen können. Dieses Verhalten tritt vor allem bei Belastungsanwendungen auf, z. B. bei Rohren, Strukturteilen oder Dichtungselementen, die Kräften oder Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Es führt dazu, dass sich das Material ausdehnt, durchbiegt oder verzieht. Daher muss das Kriechen verstanden werden, um den sicheren Betrieb von Kunststoffteilen in dieser Umgebung zu ermöglichen.

Warum kommt es in Kunststoffen zum Kriechen?

Das Kriechen von Kunststoffen resultiert aus ihrem Verhalten und ist mit viskoelastischen Eigenschaften verbunden. Viskoelastische Eigenschaften bedeuten, dass sich das Material gleichzeitig wie ein elastischer Festkörper und eine viskose Flüssigkeit verhält. Herkömmliche Werkstoffe weisen die Fähigkeit zur elastischen Verformung unter Belastung auf. Wenn die Belastung gleich bleibt, wird die Fähigkeit zu weiterer langsamer und gleichmäßiger Verformung im Laufe der Zeit als "bösartig" bezeichnet. Dieses besondere Verhalten hängt von vielen Faktoren ab, z. B. von der Höhe der Belastung, der vorherrschenden Umgebungstemperatur oder der Art des Kunststoffs.

Schlüsselfaktoren, die das Kriechen beeinflussen

1. Stressniveaus

Das Ausmaß der Spannung in einem Kunststoffmaterial bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Material zum Kriechen neigt. Kunststoffteile sind irgendwann höheren Spannungen ausgesetzt. Diese Spannung bewirkt, dass die Molekülketten leichter aneinander vorbeigleiten, was im Laufe der Zeit zu einer allmählichen Verformung führt, anstatt dass die Molekülbindungen aufbrechen. Dies führt schließlich zu einer schnellen und stärkeren Verformung. So führt beispielsweise eine übermäßige Kraft auf Kunststoffklammern oder -träger dazu, dass sie sich viel schneller durchbiegen oder verlängern als solche, die nur mäßigen Belastungen ausgesetzt sind.

Aufgrund seiner begrenzten Streckgrenze nimmt die Fähigkeit des Materials, dem Kriechen entgegenzuwirken, ab, wenn die Belastung auf ein hohes Niveau ansteigt. In diesem Szenario entsteht die Notwendigkeit, die Spannung zu kontrollieren.

Die Spannung beeinflusst auch die Zunahme der Produktion von kollidierten internen Molekülketten und das weitere allmähliche Durchfließen des Materials. Diese Verteilung führt zu einem Verlust der strukturellen Festigkeit des Kunststoffs, so dass er nach einiger Zeit versagen kann.

Ingenieure ergreifen Maßnahmen wie die Verteilung der Last zur Verringerung der Spannungskonzentration, die Vergrößerung des Bauteilquerschnitts oder die Auswahl eines widerstandsfähigeren Kunststoffs. Das Wissen um die Auswirkungen von Spannungen und Kriechen ermöglicht die Verwendung von Kunststoffen, die sich in einigen Anwendungen nicht so schnell verformen, und konzentriert sich auf das strukturelle Versagen von Teilen.

2. Temperatur

Einer der entscheidenden Faktoren für das Kriechen ist die Temperatur. Wärme verringert im Allgemeinen die Steifigkeit des Materials und macht es anfälliger für Verformungen unter mechanischer Belastung. Mit steigender Temperatur wird die Molekularstruktur des Kunststoffs beweglicher, wodurch sich das Material leichter verformen lässt.

Kunststoffe verändern ihre Struktur, wenn ihre Temperatur ansteigt. Die Molekülstruktur und die Bindungen werden komprimiert, so dass die Moleküle herumgleiten können. Diese erhöhte Beweglichkeit verringert die Belastbarkeit und verkürzt die Zeit, in der Kriechvorgänge stattfinden. Ein Kunststoffrohr in einem Heißwassersystem beispielsweise wird sich wahrscheinlich stärker durchbiegen als ein ähnliches Rohr bei Raumtemperatur.

Das Ausmaß des Kriechens in Abhängigkeit von der Temperatur kann je nach Art des Kunststoffs und seiner besonderen Eigenschaften variieren. Zum Beispiel, Übergangstemperaturen (Tg) und Schmelzpunkte bestimmen die Möglichkeit des Auftretens von Kriechvorgängen. Polyethen zum Beispiel hat eine niedrige Tg und ist daher verformbar, wenn es moderaten Temperaturen ausgesetzt wird, um Kriechen zu bilden.

Hochleistungskunststoffe wie Polyetheretherketon sind hitzebeständiger als andere Kunststoffarten.

Es gibt Optionen zur Beherrschung des Temperaturanstiegs, z. B. die Verwendung von hitzebeständigem Material im Produktdesign oder die Erhöhung der Wärmedämmungskomponente. Die Ingenieure stellen auch sicher, dass die Temperatur der Betriebsumgebung kein Kriechen auslöst.

3. Material Typ

Die verschiedenen Kunststoffarten unterscheiden sich in ihrer Molekularstruktur. Polymere wie Polyethylen (PE) haben schwache intermolekulare Kräfte und eine niedrige Tg. Diese Materialien unterliegen bei statischer Belastung und moderaten Temperaturen eher dem Kriechverhalten. Sie haben lange lineare Moleküle, die sich aneinander vorbeischieben können und sich allmählich verformen.

Aus demselben Grund haben technische Kunststoffe wie Polycarbonat (PC) aufgrund ihrer geordneteren Molekularstruktur und ihrer besseren thermischen Stabilität eine bessere Kriechfestigkeit als Standardkunststoffe. Sie behalten ihre mechanischen Eigenschaften, aber auch ihre Stabilität und Festigkeit unter hohem Druck über lange Zeiträume und bei erhöhten Temperaturen. Daher eignen sich solche Materialien für hochkomprimierte Anwendungen.

In Anbetracht der unterschiedlichen Kriechvorgänge bei den verschiedenen Kunststofftypen können sich Ingenieure leicht für die besten Kunststoffe entscheiden.

Messung des Kriechverhaltens

Ingenieure messen das Kriechen in Kriechkurven. Die Kurven zeigen, wie sich ein Material bei einer regelmäßigen Belastung verändert. Techniker erhalten diese Kurven bei Kriechversuchen. Bei einem Kriechversuch übt ein Techniker eine bestimmte Last oder Spannung auf ein Material aus und misst die Dehnung in regelmäßigen Abständen über einen langen Zeitraum. Die Zeitspanne reicht von Stunden über Tage bis hin zu Monaten.

Das Diagramm, das wir erhalten, zeigt die drei verschiedenen Stadien des Kriechens. Im ersten Stadium, das wir als primäres Stadium bezeichnen, beginnt sich das Material zunächst schnell zu verformen, aber dann wird die Verformung stabil. Das zweite Stadium, das so genannte sekundäre Stadium, ist durch eine langsame und gleichmäßige Verformungsrate gekennzeichnet. In der letzten Phase, der Tertiärphase, beschleunigt sich die Verformung sehr schnell und führt schließlich zum Versagen des Materials.

Diese Kurven ermöglichen es Ingenieuren und Forschern zu verstehen, wie sich das Material nach einer langen Betriebsdauer verhalten wird. Sie dienen auch als Richtschnur für die Einschätzung der Leistung des Materials unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen und ermöglichen es, die richtigen Entscheidungen für den Einsatz des Materials in verschiedenen Anwendungen zu treffen.

Schritte eines typischen Kriechversuchs

Die Kriechprüfung umfasst die folgenden Prozesse:

1. Anbringen einer festen Last

Bei der Prüfung wird zunächst eine konstante Last auf eine Probe des Materials oder eine Spannung als Prozentsatz der Streckgrenze des Materials ausgeübt. Der Techniker wendet die Last präzise an, um auf die gesamte Probe einen ähnlichen Druck auszuüben. Diese Last stellt die tatsächlichen Belastungsbedingungen dar, denen das Material ausgesetzt sein kann, z. B. das Tragen einer statischen Last oder die Überwindung einer ständigen Belastung.

2. Überwachung der Beanspruchung im Zeitverlauf

Nach dem Aufbringen der Last überwachen die Techniker die Fähigkeit des Materials, seine Form über einen bestimmten Zeitraum hinweg häufig zu verändern. Diese Überwachung kann von Stunden über Tage bis zu mehreren Wochen dauern. Die Techniker verwenden während der Prüfung Dehnungsmessstreifen, um auch geringfügige Veränderungen der Form des Materials zu überwachen.

Sie halten die Temperatur während der Prüfung konstant, da Wärme den Fluss des Kriechens in der Prüfumgebung beeinflusst. In dieser Phase wird die Verformung des Materials im Laufe der Zeit regelmäßig gemessen, um die Veränderungen während der drei Kriechphasen zu erfassen.

3. Erstellen einer Kriechkurve

Die Techniker sammeln die Daten und stellen sie in Form eines Diagramms mit vertikaler Zeit- und Dehnungsachse dar. Die resultierende Kriechkurve zeigt deutlich das Kriechverhalten des Materials unter konstanter Spannung. Ingenieure können aus dieser Kurve verschiedene Eigenschaften ableiten, darunter die Kriechrate in der zweiten Phase und die Zeit bis zum Versagen in der dritten Phase. Durch das Verständnis dieses Verhaltens können Ingenieure und Forscher feststellen, ob das Material langfristig die Erwartungen erfüllt und für bestimmte Anwendungen geeignet ist, z. B. im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Automobilindustrie.

Beispiele für Kriechvorgänge in der realen Welt

Der bekannteste Fall von Kriechen ist bei Kunststoffrohren zu beobachten. Sie entstehen bei Kunststoffen in wasserführenden Rohren in Kanälen und Bewässerungsanlagen. In diesen Rohren herrscht ein konstanter Wasserdruck, der das Material ständig belastet. Mit der Zeit wird Druck auf die Rohre ausgeübt, und sie können entweder hängen oder ihre Form in Bereichen ändern, in denen sie sich ohne Verstärkung verlängern. Hohe Temperaturen, z. B. in Heizungsanlagen, führen dazu, dass sich die Rohre viel schneller dehnen oder versagen als bei durchschnittlichen Temperaturen im Haus.

Das Verständnis des Konzepts des Kriechens hilft Ingenieuren bei der Auswahl der richtigen Materialien, wie z. B. vernetztes Polyethylen (PEX).

Das Kriechen betrifft auch Automobilteile, insbesondere solche, die hoher Hitze und Belastung ausgesetzt sind. So sehen beispielsweise die Armaturenbretter und Innenverkleidungen aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) innerhalb weniger Jahre verblasst aus und verlieren ihre ursprüngliche Form. Diese Bauteile werden mechanisch beansprucht und sind der Hitze des Sonnenlichts ausgesetzt, was unschön aussieht und die Funktion beeinträchtigt. Automobilkonstrukteure versuchen, dies durch hitzebeständige Materialien, Verstärkungen oder Möglichkeiten zur Veränderung der Belastungsschwerpunkte zu vermeiden.

Kriechen ist ein komplizierter Faktor bei medizinischen Geräten, da Sicherheit und Zuverlässigkeit entscheidend sind. Bei Prothesen beispielsweise müssen leichte Polymermaterialien für die leichte Struktur verwendet werden. Diese Materialien müssen ihre Struktur und Leistung auch nach jahrelangem Gebrauch stabil halten. Die zyklische Belastung durch das Gewicht des Patienten und die Bewegungen können zu einer allmählichen Verformung führen, wenn das Material nicht über eine hohe Kriechfestigkeit verfügt. Um diesem Risiko zu begegnen, verwenden die Hersteller Hochleistungspolymere wie Polyetheretherketon (PEEK) zur Herstellung der Geräte. Außerdem werden Verbundwerkstoffe in das Design der Geräte integriert, um sie widerstandsfähiger und über einen längeren Zeitraum funktionsfähig zu machen.

Konstruktionsstrategien zur Minimierung von Kriechvorgängen

Maßnahmen zur Verringerung des Kriechverhaltens bei den vorgestellten Kunststoffen beginnen mit der Verbesserung des Materials, wie sie bei verstärkten Kunststoffen zu beobachten ist. Das Hinzufügen von Fasern wie Glas oder Kohlenstoff zum Polymer verändert dessen mechanische Eigenschaften. Diese Elemente verbessern die Fähigkeit des Materials, Belastungen standzuhalten. Diese Verstärkungen erschweren es den Polymerketten, sich zu bewegen, so dass sie auf Dauer aneinander vorbeigleiten können. So wird beispielsweise glasfaserverstärktes Nylon hauptsächlich in der Automobilindustrie und bei einigen Industrieprodukten verwendet. Diese Teile sind mechanisch stark beansprucht. 

Die andere Managementtechnik ist die Verringerung der Spannung an einem bestimmten Punkt in einem Bauteil durch einen Lastverteilungsansatz. Spannungserhöhungen - Bereiche mit einer hohen Dichte einer einwirkenden Kraft - verschlimmern das Kriechen in Kunststoffen. Ingenieure umgehen dies, indem sie scharfe Ecken vermeiden und allmähliche Übergänge zwischen Geometrien schaffen. Ingenieure bauen auch Konstruktionsmerkmale wie Rippen oder Flansche in die Lastpfade ein, um die belastete Fläche zu vergrößern. Bei Rohrleitungssystemen aus Kunststoff beispielsweise werden die Stützen so angebracht, dass sie sich nur minimal durchbiegen. Schließlich ist die Wahl von Polymeren mit hoher Leistungsfähigkeit notwendig, um das Kriechen zu reduzieren. Materialien mit hohem Glasübergang, wie PEEK, Polycarbonat und PTFE, weisen eine ausgezeichnete Verformungsbeständigkeit auf. Diese Polymere der neuen Generation werden in der Regel unter schwierigen Bedingungen eingesetzt, z. B. in der Luft- und Raumfahrt oder in medizinischen Anwendungen. Bei diesen Anwendungen muss die langfristige Zuverlässigkeit unter Druck und Hitze nicht beeinträchtigt werden.

Kriechverhalten unter variierenden Bedingungen

Kunststoffe verhalten sich nicht immer auf dieselbe Weise. In der nachstehenden Tabelle werden verschiedene Umgebungen in Bezug auf die Kriechraten betrachtet.

Vergleich des Kriechverhaltens von gängigen Kunststoffen

Das nachstehende Diagramm zeigt die Kriechraten verschiedener Kunststoffe bei einer konstanten Spannung von 2 MPa bei 25°C. PTFE hat den niedrigsten Wert für die Kriechrate, was zeigt, dass es sich mit der Zeit kaum verformen kann. PS besitzt den höchsten Wert für die Kriechrate, was auf seine hohe Tendenz zur Verformung im Laufe der Zeit hinweist.

Die Stärke von anderen Kunststoffen wie HDPE UND LDPE, PP, PVC, Nylon und PC unterscheiden sich in ihrer Kriechbeständigkeit und unter den Kunststoffen. Sowohl HDPE als auch Nylon sind kriechfester als LDPE und PS.

Schlussfolgerung

Die Einsicht in die Ursachen des Kriechens, die Methoden zur Minimierung seines Ausmaßes und seine Auswirkungen auf die Strukturen geben Ingenieuren Aufschluss über die Auswahl von Kunststoffmaterialien. Sie können die Verwendung von Kunststoffen in industriellen Anwendungen zur Herstellung von Bauteilen auf Polymerbasis verstehen. Durch die richtige Verstärkung von Kunststoffen, eine angemessene Verteilung der Lasten und die korrekte Anwendung von Hochleistungspolymeren können Ingenieure die Auswirkungen des Kriechens in ihren Produkten erheblich reduzieren.

Selbst wenn es sich um Anwendungen im Sanitärbereich, in der Automobilindustrie oder sogar in der Medizintechnik handelt, zeigt dieses Papier, dass Ingenieure und Konstrukteure durch richtige Entscheidungen geeignete Konstruktionen entwickeln können. Die Leistung der Kunststoffbauteile kann mit geringen Kompromissen beim Kriechen erhöht werden, selbst unter den Bedingungen einer längeren zeitabhängigen Belastung.