Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomeren: Unterschied zwischen den Versionen
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| − | Bei einer Beständigkeitsuntersuchung wird einer oder werden mehrere Werkstoffe über einen definierten Zeitraum praxisnahen Bedingungen ausgesetzt. Diese Bedingungen der künstlichen [[Alterung]] können sehr vielfältig sein und reichen von thermo-oxidativer, thermischer und thermisch-medialer Beanspruchung über die künstliche Bewitterung bis hin zu einer Kombination dieser Beanspruchungen mit einer [[Beanspruchung#Mechanische Beanspruchung|mechanischen Beanspruchung]] und/oder einer Wechselbelastung zwischen den verschiedenen Beanspruchungsarten. Die Reaktion des bzw. der Werkstoffe auf die gewählte, praxisnahe Beanspruchung soll quantitativ erfasst werden, um die Beständigkeit bewerten zu können. Deshalb werden üblicherweise zu unterschiedlichen Zeiten Proben entnommen und Untersuchungen durchgeführt. Für [[Polymer]]werkstoffe allgemein steht hierfür eine Auswahl an direkten und indirekten Methoden zur Verfügung. | + | Bei einer Beständigkeitsuntersuchung wird einer oder werden mehrere Werkstoffe über einen definierten Zeitraum praxisnahen Bedingungen ausgesetzt. Diese Bedingungen der künstlichen [[Alterung]] können sehr vielfältig sein und reichen von thermo-oxidativer, thermischer und thermisch-medialer Beanspruchung über die künstliche Bewitterung bis hin zu einer Kombination dieser Beanspruchungen mit einer [[Beanspruchung#Mechanische Beanspruchung|mechanischen Beanspruchung]] und/oder einer Wechselbelastung zwischen den verschiedenen Beanspruchungsarten. Die Reaktion des bzw. der Werkstoffe auf die gewählte, praxisnahe Beanspruchung soll quantitativ erfasst werden, um die Beständigkeit bewerten zu können. Deshalb werden üblicherweise zu unterschiedlichen Zeiten Proben entnommen und Untersuchungen durchgeführt. Für [[Polymer]]werkstoffe allgemein steht hierfür eine Auswahl an direkten und indirekten Methoden zur Verfügung [1]. |
==Indirekter Nachweis der Beständigkeit== | ==Indirekter Nachweis der Beständigkeit== | ||
| − | Der indirekte Nachweis alterungsbedingter Werkstoffveränderungen wird meistens anhand mechanischer Prüfungen geführt. Sehr häufig wird in der Literatur für [[Elastomere]] die Durchführung von [[Zugversuch]]en und/oder die Anwendung der [[Härteprüfung]] beschrieben, um Alterungseffekte quantitativ zu erfassen und damit die Alterung indirekt nachzuweisen. Weniger häufig werden z. B. [[Weiterreißversuch]]e, Untersuchungen mittels [[Elastizitätsmodul#Dynamisch-Mechanische_Analyse_.28DMA.29|dynamisch-mechanischer Analyse (DMA)]] oder spezielle Prüfungen wie Spannungsrelaxationsuntersuchungen oder Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Auch die Anwendung [[bruchmechanische Prüfung|bruchmechanischer Untersuchungen]] sollte im Rahmen von Beständigkeitsuntersuchungen aufgrund ihrer hohen Struktursensitivität in Betracht gezogen werden. | + | Der indirekte Nachweis alterungsbedingter Werkstoffveränderungen wird meistens anhand mechanischer Prüfungen geführt. Sehr häufig wird in der Literatur für [[Elastomere]] die Durchführung von [[Zugversuch]]en und/oder die Anwendung der [[Härteprüfung]] beschrieben, um Alterungseffekte quantitativ zu erfassen und damit die Alterung indirekt nachzuweisen. Weniger häufig werden z. B. [[Weiterreißversuch]]e, Untersuchungen mittels [[Elastizitätsmodul#Dynamisch-Mechanische_Analyse_.28DMA.29|dynamisch-mechanischer Analyse (DMA)]] oder spezielle Prüfungen wie Spannungsrelaxationsuntersuchungen oder Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Auch die Anwendung [[bruchmechanische Prüfung|bruchmechanischer Untersuchungen]] sollte im Rahmen von Beständigkeitsuntersuchungen aufgrund ihrer hohen Struktursensitivität in Betracht gezogen werden [2]. |
Auch die Bewertung der Charakteristik einer [[Oberfläche]] wie z. B. der Rauheit oder der spezifischen [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächenspannung]] im Vergleich vorher/nachher kann hilfreich sein bei der Bewertung der Beständigkeit und zur Aufklärung der Alterungsmechanismen. | Auch die Bewertung der Charakteristik einer [[Oberfläche]] wie z. B. der Rauheit oder der spezifischen [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächenspannung]] im Vergleich vorher/nachher kann hilfreich sein bei der Bewertung der Beständigkeit und zur Aufklärung der Alterungsmechanismen. | ||
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==Direkte Nachweismethoden der Beständigkeit== | ==Direkte Nachweismethoden der Beständigkeit== | ||
| − | Mit den direkten Methoden wie der [[FTIR|Infrarotspektroskopie]] (IR-Spektroskopie), der Nuclear | + | Mit den direkten Methoden wie der [[FTIR|Infrarotspektroskopie]] (IR-Spektroskopie), der Nuclear Magnetic Resonance ([[NMR-Spektroskopie]], Kernspinresonanzspektroskopie), der X-ray photoelectron Spectroscopy (XPS, Röntgen-Photonen-Spektroskopie), der [[Differential Scanning Calorimetry|Differential Scanning Calorimetry (DSC)]], der Chemilumineszenz, der Gel-Permeations-Chromatografie (GPC) oder auch der Ramanspektroskopie können alterungsbedingte Veränderungen wie (Nach-)[[Vernetzung Elastomere|Vernetzung]], Kettenspaltung, Auf- und Abbau von funktionellen Gruppen prinzipiell direkt nachgewiesen werden. |
Im Rahmen von Studien zur Beständigkeit von [[Elastomere|elastomeren Werkstoffen]] wird die IR-Spektroskopie eingesetzt, um strukturelle Änderungen z. B. in Form der alterungsbedingten Oxidation von Kettensegmenten mit der Bildung z. B. von Carbonyl- oder Hydroxylgruppen nachzuweisen, wobei oftmals Einschränkungen der Anwendbarkeit aufgrund der Rußverstärkung hingenommen werden müssen. Eine Kombination der [[Thermogravimetrische Analyse|thermogravimetrischen Analyse (TGA)]] mit der [[FTIR|FTIR-Spektroskopie]], für die kommerzielle Geräte verfügbar sind, erlaubt darüber hinaus die temperaturaufgelöste Bewertung von Zersetzungs- und Abbauprozessen. Untersuchungen zum Quellungsverhalten können ebenfalls einen Beitrag zur Aufklärung der Veränderung der Vernetzungsdichte aufgrund von Alterung leisten. Mittels der [[NMR-Spektroskopie]] können ebenfalls Informationen über das polymere Netzwerk gewonnen werden, d. h., alterungsbedingte Veränderungen können über die zu bestimmenden Relaxationszeiten nachgewiesen werden. | Im Rahmen von Studien zur Beständigkeit von [[Elastomere|elastomeren Werkstoffen]] wird die IR-Spektroskopie eingesetzt, um strukturelle Änderungen z. B. in Form der alterungsbedingten Oxidation von Kettensegmenten mit der Bildung z. B. von Carbonyl- oder Hydroxylgruppen nachzuweisen, wobei oftmals Einschränkungen der Anwendbarkeit aufgrund der Rußverstärkung hingenommen werden müssen. Eine Kombination der [[Thermogravimetrische Analyse|thermogravimetrischen Analyse (TGA)]] mit der [[FTIR|FTIR-Spektroskopie]], für die kommerzielle Geräte verfügbar sind, erlaubt darüber hinaus die temperaturaufgelöste Bewertung von Zersetzungs- und Abbauprozessen. Untersuchungen zum Quellungsverhalten können ebenfalls einen Beitrag zur Aufklärung der Veränderung der Vernetzungsdichte aufgrund von Alterung leisten. Mittels der [[NMR-Spektroskopie]] können ebenfalls Informationen über das polymere Netzwerk gewonnen werden, d. h., alterungsbedingte Veränderungen können über die zu bestimmenden Relaxationszeiten nachgewiesen werden. | ||
| − | Viele in der Literatur dokumentierte Studien zum [[Alterung | + | Viele in der Literatur dokumentierte Studien zum [[Alterung Elastomere|Alterungsverhalten von elastomeren Werkstoffen]] befassen sich oftmals entweder nur mit den direkten oder den indirekten Methoden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine Kombination der Ergebnisse verschiedener direkter und indirekter Methoden und Prüfverfahren die aussagekräftigsten Ergebnisse hinsichtlich der Aufklärung der alterungsbedingten Strukturveränderungen liefert. |
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| + | ==Siehe auch== | ||
| + | *[[Alterung]] | ||
| + | *[[Alterung Elastomere]] | ||
| + | *[[Vernetzung Elastomere]] | ||
| + | *[[Vernetzungsgrad Elastomere]] | ||
'''Literaturhinweise''' | '''Literaturhinweise''' | ||
| − | [1] Reincke, K., Langer, B., Grellmann, W., Döhler. S., Heuert, U.: Alterung und Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomerwerkstoffen. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 67 (2014) 10, S. 60–67 | + | [1] Ehrenstein, G. W., Pongratz, S.: Beständigkeit von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag, München Wien (2007), ISBN 978-3-446-21851-2; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 31) |
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| + | [2] [[Reincke,_Katrin|Reincke, K.]], Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], Döhler. S., Heuert, U.: Alterung und Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomerwerkstoffen. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 67 (2014) 10, S. 60–67 DOI: [https://www.kgk-rubberpoint.de/wp-content/uploads/migrated/paid_content/artikel/3324.pdf https://www.kgk-rubberpoint.de/wp-content/uploads/migrated/paid_content/artikel/3324.pdf] | ||
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Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomeren
Allgemeines
Bei einer Beständigkeitsuntersuchung wird einer oder werden mehrere Werkstoffe über einen definierten Zeitraum praxisnahen Bedingungen ausgesetzt. Diese Bedingungen der künstlichen Alterung können sehr vielfältig sein und reichen von thermo-oxidativer, thermischer und thermisch-medialer Beanspruchung über die künstliche Bewitterung bis hin zu einer Kombination dieser Beanspruchungen mit einer mechanischen Beanspruchung und/oder einer Wechselbelastung zwischen den verschiedenen Beanspruchungsarten. Die Reaktion des bzw. der Werkstoffe auf die gewählte, praxisnahe Beanspruchung soll quantitativ erfasst werden, um die Beständigkeit bewerten zu können. Deshalb werden üblicherweise zu unterschiedlichen Zeiten Proben entnommen und Untersuchungen durchgeführt. Für Polymerwerkstoffe allgemein steht hierfür eine Auswahl an direkten und indirekten Methoden zur Verfügung [1].
Indirekter Nachweis der Beständigkeit
Der indirekte Nachweis alterungsbedingter Werkstoffveränderungen wird meistens anhand mechanischer Prüfungen geführt. Sehr häufig wird in der Literatur für Elastomere die Durchführung von Zugversuchen und/oder die Anwendung der Härteprüfung beschrieben, um Alterungseffekte quantitativ zu erfassen und damit die Alterung indirekt nachzuweisen. Weniger häufig werden z. B. Weiterreißversuche, Untersuchungen mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) oder spezielle Prüfungen wie Spannungsrelaxationsuntersuchungen oder Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Auch die Anwendung bruchmechanischer Untersuchungen sollte im Rahmen von Beständigkeitsuntersuchungen aufgrund ihrer hohen Struktursensitivität in Betracht gezogen werden [2].
Auch die Bewertung der Charakteristik einer Oberfläche wie z. B. der Rauheit oder der spezifischen Oberflächenspannung im Vergleich vorher/nachher kann hilfreich sein bei der Bewertung der Beständigkeit und zur Aufklärung der Alterungsmechanismen.
Direkte Nachweismethoden der Beständigkeit
Mit den direkten Methoden wie der Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie), der Nuclear Magnetic Resonance (NMR-Spektroskopie, Kernspinresonanzspektroskopie), der X-ray photoelectron Spectroscopy (XPS, Röntgen-Photonen-Spektroskopie), der Differential Scanning Calorimetry (DSC), der Chemilumineszenz, der Gel-Permeations-Chromatografie (GPC) oder auch der Ramanspektroskopie können alterungsbedingte Veränderungen wie (Nach-)Vernetzung, Kettenspaltung, Auf- und Abbau von funktionellen Gruppen prinzipiell direkt nachgewiesen werden.
Im Rahmen von Studien zur Beständigkeit von elastomeren Werkstoffen wird die IR-Spektroskopie eingesetzt, um strukturelle Änderungen z. B. in Form der alterungsbedingten Oxidation von Kettensegmenten mit der Bildung z. B. von Carbonyl- oder Hydroxylgruppen nachzuweisen, wobei oftmals Einschränkungen der Anwendbarkeit aufgrund der Rußverstärkung hingenommen werden müssen. Eine Kombination der thermogravimetrischen Analyse (TGA) mit der FTIR-Spektroskopie, für die kommerzielle Geräte verfügbar sind, erlaubt darüber hinaus die temperaturaufgelöste Bewertung von Zersetzungs- und Abbauprozessen. Untersuchungen zum Quellungsverhalten können ebenfalls einen Beitrag zur Aufklärung der Veränderung der Vernetzungsdichte aufgrund von Alterung leisten. Mittels der NMR-Spektroskopie können ebenfalls Informationen über das polymere Netzwerk gewonnen werden, d. h., alterungsbedingte Veränderungen können über die zu bestimmenden Relaxationszeiten nachgewiesen werden.
Viele in der Literatur dokumentierte Studien zum Alterungsverhalten von elastomeren Werkstoffen befassen sich oftmals entweder nur mit den direkten oder den indirekten Methoden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine Kombination der Ergebnisse verschiedener direkter und indirekter Methoden und Prüfverfahren die aussagekräftigsten Ergebnisse hinsichtlich der Aufklärung der alterungsbedingten Strukturveränderungen liefert.
Siehe auch
Literaturhinweise
[1] Ehrenstein, G. W., Pongratz, S.: Beständigkeit von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag, München Wien (2007), ISBN 978-3-446-21851-2; siehe AMK-Büchersammlung unter G 31)
[2] Reincke, K., Langer, B., Grellmann, W., Döhler. S., Heuert, U.: Alterung und Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomerwerkstoffen. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 67 (2014) 10, S. 60–67 DOI: https://www.kgk-rubberpoint.de/wp-content/uploads/migrated/paid_content/artikel/3324.pdf