Wasseraufnahme

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Wasseraufnahme

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

In Kunststoffen, die eine mediale Beanspruchung durch Wasser erfahren, treten mehrere unterschiedliche Effekte auf z. B.:

  • Maßänderungen (Quellungen), hervorgerufen durch Wasseraufnahme,
  • Extraktion wasserlöslicher Bestandteile und
  • Änderungen verschiedener Eigenschaften.

Aus physikalischer Sicht handelt es sich bei der Wasseraufnahme um Diffusionsvorgänge.

Experimentelle Methoden

Die Verfahren zur Bestimmung der Wasseraufnahme werden in der DIN EN ISO 62 [1] beschrieben:

  • Verfahren 1: Bestimmung der Wasseraufnahme in Wasser von 23 °C
  • Verfahren 2: Bestimmung der Wasseraufnahme in siedendem Wasser
  • Verfahren 3: Bestimmung wasserlöslicher Bestandteile
  • Verfahren 4: Bestimmung der Wasseraufnahme nach Lagerung bei 50 % relativer Luftfeuchte (siehe: Normklimate)

Nach der Norm können Beanspruchungen durch Luftfeuchtigkeit, durch Eintauchen in Wasser von 23 °C und in siedendes Wasser ein völlig unterschiedliches Materialverhalten hervorrufen. Das Einlegen in Wasser bei 23 °C und Lagern bei 100 % Luftfeuchtigkeit sind in den Auswirkungen praktisch nahezu gleichwertig [2]. Zum Vergleich unterschiedlicher Kunststoffe kann die bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes aufgenommene Wassermenge herangezogen werden. Die sorgfältig geregelte, nicht im Gleichgewicht befindliche Beanspruchung von Prüfkörpern aus Kunststoffen mit genau festgelegten Maßen kann zum Vergleich unterschiedlicher Chargen des gleichen Materials und zur Bestimmung der Diffusionskonstante des zu prüfenden Materials angewendet werden [1].

Physikalisch-Chemische Vorgänge

Die Möglichkeit einer Kettenspaltung durch die Reaktion mit Wasser (Hydrolyse) besteht bei Polymeren, die Ester-, Amid- oder ähnliche funktionelle Gruppen in der Hauptkette enthalten. Säuren und Laugen können hierbei als Katalysator wirken und speziell in heißem Wasser die Kettenspaltung begünstigen, was somit die Umkehrreaktion der Polymersynthese darstellt. Aromatische Polyester nehmen auf Grund ihrer hydrophoben Phenylgruppen nur sehr wenig wässrige Lösungsmittel auf, so dass eine Hydrolyse erst bei erhöhter Temperatur beobachtet wird und i. A. eine gute Kaltwasserbeständigkeit vorliegt [3].

Physikalisch-chemische Vorgänge in Verbindung mit der Hydrolyse können z. B. die lokale Änderung der Kristallinität, die Herauslösung von Additiven oder die Erweichung bei Wasseraufnahme sein.

Typische mechanische Vorgänge sind z. B. die Entstehung von Eigenspannungen infolge lokal unterschiedlicher Quellvorgänge oder die abrasive Schädigung von Kunststoffoberflächen bei Anwesenheit von wässrigen Lösungen mit hoher Fließgeschwindigkeit, z. B. beim Transport von Flüssigkeiten oder bei natürlicher Bewitterung.

Ermittlung von Kennwerten

Das Prinzip der quantitativen Beschreibung der Wasseraufnahme besteht darin, Prüfkörper in destilliertes Wasser von 23 °C oder in siedendes destilliertes Wasser einzutauchen oder in Klimaten mit 50 % relativer Feuchte bei festgelegten Temperaturen und für einen bestimmten Zeitraum zu beanspruchen [1]. Über die Bestimmung von Massenänderungen mit handelsüblichen Waagen (Fehlergrenze ± 0,1 mg) erfolgt die Berechnung der absorbierten Wassermenge.

Als Prüfkörper werden quadratische oder runde Platten, röhren- oder stabförmige Prüfkörper oder Prüfkörper aus Fertigprofilen, Strangpressteilen, Platten und Laminaten verwendet.

Die Beschreibung der Wasseraufnahme c erfolgt als Differenzangabe zwischen der Masse des Prüfkörpers nach dem Eintauchen m2 (gequollener Prüfkörper) und der Masse des Prüfkörpers nach der Trocknung m1 (extrahierter Prüfkörper)

c\,=\,m_2-m_1 \ \left[mg\right]

oder als relative Masseänderung in Prozentanteilen (%)

c\,=\,\frac{m_2-m_1}{m_1}\cdot 100 \ \left[%\right]

bzw.

c\,=\,\frac{m_2-m_3}{m_1}\cdot 100 \ \left[%\right]

Dabei sind:

m1 Masse des Prüfkörpers nach der ersten Trocknung und vor dem Eintauchen in mg
m2 Masse des Prüfkörpers nach dem Eintauchen in mg
m3 Masse nach dem Eintauchen und endgültigen Trocknen in mg


Tabelle: Wasseraufnahme von verschiedenen Kunststoffen in kaltem Wasser [2]
Material Wasseraufnahme nach 4 d (mg)
CA 100–250
PA 50–800
PC 5–10
PE ca. 0
PF , Typ 31 100–180
PF, fülllstofffrei 10–20
PMMA 30–40
POM 20
PS 2–5
PVC-Copolymerisat 5–20
UF, Typ 131 200–300
Vulkanfiber 1500


Literaturhinweise

[1] DIN EN ISO 62 (2008-05): Kunststoffe – Bestimmung der Wasseraufnahme
[2] Stoeckhert, K., Woebcken, W. (Hrsg.): Kunststoff-Lexikon. Carl Hanser Verlag, München Wien (1998) 9. Auflage, S. 605, (ISBN 3-446-17969-0) (siehe AMK-Büchersammlung unter G 3)
[3] Franck, A.: Kunststoff-Kompendium. Vogel Buchverlag, Würzburg (2000) 5. Auflage, S. 258, (ISBN 3-8023-1855-2)
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