Kruip in kunststof begrijpen en beheersen

Kunststoffen worden op allerlei manieren gebruikt in de industrie. Ze zijn goedkoop en licht en je kunt ze voor veel verschillende dingen gebruiken. Maar net als elk ander materiaal hebben kunststoffen ook problemen. Een van de grootste problemen is iets dat "kruip" wordt genoemd. Wanneer er een constante kracht of warmte op plastic producten inwerkt, kan kruip ervoor zorgen dat ze falen of slecht werken.

Deze tekst gaat heel gedetailleerd in op kruip. We willen ingenieurs en ontwerpers helpen om het beter te begrijpen zodat ze deze kennis in hun werk kunnen gebruiken. Deze kennis is echt belangrijk om ervoor te zorgen dat producten, zoals auto-onderdelen en medische apparatuur, betrouwbaar en veilig zijn. We zullen kruip ook in verschillende categorieën plaatsen, kijken naar de oorzaken en bespreken hoe we het kunnen oplossen.

Wat is kruip in kunststof materialen?

Kruip in de context van plastische materialen is een vervormingsproces waarvan de snelheid afhankelijk is van de spanning, tijd en temperatuur die op een kunststof wordt uitgeoefend. Inductieve elastische vervorming treedt op in het beginstadium van het gebruik van een belasting en keert onmiddellijk terug bij het opheffen van de belasting. Aan de andere kant gaat kruip zelfs door onder standaardomstandigheden. De situatie is nog duidelijker bij kunststoffen omdat ze gevoeliger zijn voor temperatuurveranderingen en mechanische spanning.

Kruip treedt op in visco-elastisch materiaal, waar in de loop van de tijd voortdurend vervorming kan optreden als gevolg van warmte of spanning. Dit gedrag is vooral duidelijk bij belastingstoepassingen, zoals pijpen, structurele onderdelen of afdichtingselementen onder krachten of temperatuurschommelingen. Het zorgt ervoor dat het materiaal uitrekt, doorhangt of kromtrekt. Kruip moet dus worden begrepen om kunststof onderdelen veilig in deze omgeving te kunnen gebruiken.

Waarom gebeurt kruip in kunststoffen?

Kruip in kunststoffen is het gevolg van hun gedrag en wordt geassocieerd met visco-elastische eigenschappen. Visco-elastische eigenschap betekent dat het materiaal zich tegelijkertijd gedraagt als een elastische vaste stof en een viskeuze vloeistof. Traditionele materialen vertonen de capaciteit voor elastische vervorming onder belasting. Als de belasting gelijk blijft, wordt de capaciteit voor verdere langzame en gelijkmatige vervorming in de tijd als 'vicieus' beschouwd. Dit specifieke gedrag hangt af van veel factoren, zoals de hoeveelheid spanning, de heersende omgevingstemperatuur of het soort kunststof.

Belangrijkste factoren die kruip beïnvloeden

1. Stressniveaus

De mate van spanning in kunststof bepaalt de snelheid waarmee het materiaal kan kruipen. Kunststof onderdelen krijgen op een bepaald moment te maken met hogere spanningen. Deze spanning zorgt ervoor dat de moleculaire ketens gemakkelijker langs elkaar glijden, wat leidt tot geleidelijke vervorming in de loop van de tijd, in plaats van dat de moleculaire bindingen breken. Dit veroorzaakt uiteindelijk een snelle en grotere vervorming. Bijvoorbeeld, een overmatige kracht op plastic beugels of balken zorgt ervoor dat ze veel sneller doorzakken of uitrekken dan wanneer ze een gematigde belasting ondergaan.

Vanwege de eindige vloeigrens neemt het vermogen van het materiaal om kruip tegen te gaan af wanneer de belasting te hoog wordt. Dit scenario leidt tot de noodzaak om de spanning te beheersen.

Spanning beïnvloedt ook de toename in de productie van botsende interne moleculaire ketens en de verdere geleidelijke doorvloeiing van het materiaal. Deze verdeling veroorzaakt een verlies van de structurele sterkte van het kunststofmateriaal, waardoor het na verloop van tijd waarschijnlijk zal bezwijken.

Ingenieurs nemen maatregelen zoals het spreiden van de belasting om spanningsconcentratie te verminderen, het vergroten van de doorsnede van het onderdeel of het kiezen van een bestendiger kunststof. Bewustwording van de effecten van spanning en kruip maakt het mogelijk om in sommige toepassingen kunststoffen te gebruiken die niet snel vervormen, waarbij de nadruk ligt op het structureel falen van onderdelen.

2. Temperatuur

Een van de kritische factoren van kruip is temperatuur. Warmte vermindert over het algemeen de stijfheid van het materiaal, waardoor het vatbaarder wordt voor vervorming onder mechanische spanning. Als de temperatuur stijgt, wordt de moleculaire structuur van de kunststof beweeglijker, waardoor het materiaal gemakkelijker kan vervormen.

Kunststoffen veranderen namelijk van structuur als de temperatuur stijgt. De moleculaire structuur en bindingen worden samengedrukt, waardoor de moleculen gaan schuiven. Deze toegenomen beweeglijkheid vermindert de capaciteit om stress op een gezonde manier te belasten en verkort de tijd dat kruip optreedt. Zo zal een kunststof buis in warmwatersystemen waarschijnlijk meer doorhangen dan een vergelijkbare buis bij kamertemperatuur.

Afhankelijk van de temperatuur kan het niveau van kruip variëren op basis van het type kunststof en de unieke eigenschappen ervan. Bijvoorbeeld, overgangstemperaturen (Tg) en smeltpunten bepalen de mogelijkheid van het optreden van kruip. Polyetheen heeft bijvoorbeeld een lage Tg en is daarom vervormbaar wanneer het wordt blootgesteld aan gematigde temperaturen, zodat er Creep ontstaat.

Hoogwaardige kunststoffen zoals polyetheretherketon zijn beter bestand tegen hitte dan andere kunststoffen.

Er zijn mogelijkheden om de temperatuurstijging te beheersen, zoals het gebruik van hittebestendig materiaal in het productontwerp of het verhogen van de thermische isolatiecomponent. Ingenieurs zorgen er ook voor dat de temperatuur van de bedrijfsomgeving geen kruip veroorzaakt.

3. Type materiaal

Verschillende soorten kunststoffen hebben een verschillende moleculaire structuur. Polymeren zoals polyethyleen (PE) hebben zwakke intermoleculaire krachten en een lage Tg. Deze materialen ondergaan kruip gemakkelijker onder statische belasting bij gematigde temperaturen. Ze hebben lange lineaire moleculen die langs elkaar kunnen schuiven en een geleidelijke vervorming kunnen ondergaan.

Om dezelfde reden hebben technische kunststoffen zoals polycarbonaat (PC) een betere kruipweerstand door hun meer geordende moleculaire structuur en een betere thermische stabiliteit dan standaard kunststoffen. Ze behouden hun mechanische eigenschappen maar stabiliteit en stevigheid onder hoge druk gedurende lange perioden en verhoogde temperaturen. Dergelijke materialen zijn dus geschikt voor toepassingen onder hoge druk.

Gezien de variaties in kruipprocessen bij verschillende soorten kunststof kunnen ingenieurs gemakkelijk de beste kunststoffen kiezen.

Kruip meten

Ingenieurs meten kruip in kruipkrommen. De krommen tonen hoe een materiaal verandert bij een regelmatige belasting. Technici verkrijgen deze krommen tijdens kruiptesten. Bij een kruiptest past een technicus een bepaalde belasting of spanning toe op een materiaal en meet hij de rek met regelmatige tussenpozen over een lange periode. De tijd varieert van uren, dagen tot maanden.

De grafiek die we krijgen toont de drie verschillende stadia van kruip. In het eerste stadium, dat we het primaire stadium noemen, begint het materiaal eerst snel te vervormen, maar daarna wordt de vervorming stabiel. Het tweede stadium, of het secundaire stadium, wordt gekenmerkt door een langzame en gelijkmatige vervorming. En in het laatste stadium, het tertiaire stadium, versnelt de vervorming heel snel en uiteindelijk bezwijkt het materiaal.

Met deze krommen kunnen ingenieurs en onderzoekers begrijpen hoe het materiaal zal presteren na een lange gebruiksperiode. Ze vormen ook een leidraad voor het inschatten van de prestaties van het materiaal onder de werkelijke gebruiksomstandigheden en voor het nemen van de juiste beslissingen over het gebruik van het materiaal in verschillende toepassingen.

Stappen in een typische kruiptest

De kruiptest omvat de volgende processen:

1. Een vaste belasting aanbrengen

De test gebruikt eerst een constante belasting op een testmonster van het materiaal of een spanning als een percentage van de vloeigrens van het materiaal. De technicus past de belasting nauwkeurig toe om een vergelijkbare druk uit te oefenen op het hele monster. Deze belasting vertegenwoordigt de werkelijke belastingsomstandigheden waaraan het materiaal kan worden blootgesteld, zoals het dragen van een statische belasting of het overwinnen van een constante belasting.

2. De spanning in de loop van de tijd controleren

Na het aanbrengen van de belasting controleren technici het vermogen van het materiaal om regelmatig van vorm te veranderen gedurende een bepaalde tijd. Deze controle kan uren, dagen of meerdere weken duren. Technici gebruiken rekstrookjes tijdens de test om net zulke kleine veranderingen als die in de vorm van het materiaal te controleren.

Ze houden de temperatuur constant tijdens de test, omdat warmte de stroom van Kruip in de testomgeving beïnvloedt. In deze fase wordt regelmatig de vervorming van het materiaal in de tijd gemeten om de veranderingen in de drie stadia van kruip vast te leggen.

3. Een kruipcurve maken

De technici verzamelen en presenteren de gegevens als een grafiek met verticale tijd- en rekassen. De resulterende kruipcurve illustreert duidelijk het kruipgedrag van het materiaal onder constante spanning. Ingenieurs kunnen verschillende eigenschappen uit deze curve afleiden, zoals de kruipsnelheid tijdens de tweede fase en de tijd tot breuk in de derde fase. Door dit gedrag te begrijpen, kunnen ingenieurs en onderzoekers bepalen of het materiaal op lange termijn aan de verwachtingen zal voldoen en geschikt is voor bepaalde toepassingen, zoals bouw, ruimtevaart of automobiel.

Voorbeelden van kruip in de praktijk

Het meest bekende geval van kruip is te herkennen in kunststof buizen. Ze ontstaan door kunststof in buizen die water transporteren in leidingen en irrigatiekanalen. Deze buizen ervaren een interne waterdruk die constant is, dus er is een voortdurende belasting van het materiaal. Uiteindelijk komt er druk op de buizen te staan en kunnen ze gaan hangen of van vorm veranderen op plekken waar ze langgerekt zijn zonder versteviging. Hoge temperaturen, bijvoorbeeld in verwarmingssystemen, duwen de leidingen veel sneller naar het punt van uitrekken of falen dan bij gemiddelde temperaturen in huis.

Inzicht in het concept kruip helpt ingenieurs om de juiste materialen te kiezen, zoals vernet polyethyleen (PEX).

Kruip heeft ook invloed op auto-onderdelen, vooral op onderdelen die gevoelig zijn voor hoge hitte en stress. De dashboardpanelen en binnenbekleding van ABS (Acrylonitril Butadieen Styreen) zien er bijvoorbeeld binnen een paar jaar vervaagd uit en verliezen hun oorspronkelijke vorm. Deze onderdelen ondervinden mechanische stress en worden blootgesteld aan zonnewarmte, wat er onaangenaam uitziet en de werking verstoort. Auto-ontwerpers kunnen dit verminderen door gebruik te maken van hittebestendige materialen, versteviging of manieren om de spanningsconcentraties te wijzigen.

Kruip is een gecompliceerde factor in medische hulpmiddelen omdat veiligheid en betrouwbaarheid cruciaal zijn. Prothesen moeten bijvoorbeeld lichtgewicht polymere materialen gebruiken voor de lichtgewicht structuur. Deze materialen moeten hun structuur en prestaties stabiel houden na jarenlang gebruik. Cyclische belasting door het gewicht van de patiënt en de bewegingen kunnen ervoor zorgen dat de belasting geleidelijk vervormt als het materiaal geen hoge kruipweerstand heeft. Om dit risico te beheersen, gebruiken fabrikanten hoogwaardige polymeren zoals polyetheretherketone (PEEK) om de hulpmiddelen te vervaardigen. Ze verwerken ook composieten in het ontwerp van de hulpmiddelen om ze duurzamer en functioneler te maken voor een langere periode.

Ontwerpstrategieën om kruip te minimaliseren

Maatregelen om kruip in de gepresenteerde kunststofmaterialen te verminderen beginnen met materiaalverbetering, zoals bij versterkte kunststoffen. Door vezels zoals glas of koolstof aan het polymeer toe te voegen, veranderen de mechanische eigenschappen. Deze elementen verbeteren het vermogen van het materiaal om stress te weerstaan. Deze versterkingen maken het moeilijk voor dergelijke polymeerketens om te bewegen, zodat ze op de lange termijn langs elkaar kunnen glijden. Met glasvezel versterkt nylon wordt bijvoorbeeld vooral gebruikt in de auto-industrie en sommige industriële producten. Deze onderdelen hebben een hoge mate van mechanische belasting. 

De andere beheerstechniek is het verminderen van spanning op een bepaald punt in een onderdeel door middel van een lastverdelende aanpak. Spanningsverhogingen - gebieden met een hoge dichtheid van een toegepaste kracht - verergeren kruip in kunststoffen. Ingenieurs ondervangen dit door scherpe hoeken te vermijden en geleidelijke overgangen tussen geometrieën te maken. Ingenieurs nemen ook ontwerpkenmerken zoals ribben of flenzen op in de belastingspaden om het belaste oppervlak te vergroten. In kunststof leidingsystemen bijvoorbeeld voorzien ingenieurs de steunen zodanig dat er minimale doorbuiging tussen de steunen optreedt. Tot slot is de keuze van hoogwaardige polymeren noodzakelijk om kruip te verminderen. Materialen met een hoge glasovergang zoals PEEK, polycarbonaat en PTFE hebben een uitstekende weerstand tegen vervorming. Deze nieuwe generatie polymeren wordt meestal toegepast onder zware omstandigheden, zoals in de ruimtevaart of medische toepassingen. Bij deze toepassingen hoeft de betrouwbaarheid op lange termijn onder druk en hitte niet in het gedrang te komen.

Kruipgedrag onder verschillende omstandigheden

Kunststoffen gedragen zich niet altijd op dezelfde manier. De onderstaande tabel beschouwt verschillende omgevingen in termen van kruipsnelheden.

Het vergelijken van kruipgedrag van gewone kunststoffen

De onderstaande grafiek toont de kruipsnelheden van verschillende kunststoffen bij een constante spanning van 2 MPa bij 25°C. PTFE heeft de laagste kruipsnelheidswaarde, wat aantoont dat het nauwelijks kan vervormen met de tijd. PS heeft de hoogste kruipsnelheidswaarde, wat aangeeft dat het de neiging heeft om na verloop van tijd te vervormen.

De sterkte van andere kunststoffen zoals HDPE & LDPE, PP, PVC, nylon en PC verschillen in hun vermogen om weerstand te bieden tegen kruip en tussen de kunststoffen onderling. Zowel HDPE als nylon zijn beter bestand tegen kruip dan LDPE en PS.

Conclusie

Inzicht in de oorzaken van kruip, methoden om de omvang ervan te minimaliseren en de effecten op constructies helpen ingenieurs bij de keuze van kunststofmaterialen. Ze kunnen het gebruik van kunststoffen in industriële toepassingen voor de fabricage van componenten op basis van polymeren begrijpen. Door de juiste versterking van kunststoffen, een goede verdeling van de belasting en de juiste toepassing van hoogwaardige polymeren kunnen ingenieurs het effect van kruip in hun producten aanzienlijk beperken.

Zelfs als het gaat om toepassingen in de loodgieterij, de auto-industrie of zelfs de medische sector, toont dit artikel aan dat ingenieurs en ontwerpers geschikte ontwerpen kunnen ontwikkelen door de juiste keuzes te maken. De prestaties van de kunststofonderdelen kunnen toenemen met weinig kruip, zelfs onder de omstandigheden van langdurige tijdsafhankelijke spanning.