Folienprüfung

Folienprüfung

Für die Bewertung der mechanischen und bruchmechanischen Eigenschaften von Kunststoff-Folien können folgende experimentelle Methoden der Kunststoffprüfung und -diagnostik angewendet werden:

• Zugversuch nach DIN EN ISO 527-3
• Instrumentierter Kerbschlagzug-versuch
• Weiterreißversuch
• Peeltests

Ausgewählte Methoden sollen kurz dargestellt werden.

Konventioneller Schlag- und Kerbschlagzugversuch

Das Ziel des konventionellen Schlagzugversuches nach DIN EN ISO 8256 „Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit“ besteht darin, das Verhalten von Prüfkörpern unter verhältnismäßig hoher Schlaggeschwindigkeit zu untersuchen und die Zähigkeit bzw. Sprödigkeit von Folien zu bewerten.

Prinzipiell eignen sich der Schlagzugversuch (Verwendung ungekerbter Prüfkörper) und Kerbschlagzugversuch (Verwendung gekerbter Prüfkörper) besonders für die Untersuchung solcher Werkstoffe, für die die Durchführung von Schlag- und Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy (3-Punkt-Biegeanordnung) aufgrund der Prüfkörperbeschaffenheit (Dicke, Flexibilität) ungeeignet ist. Sehr dünne, z.B. aus Folien hergestellte oder sehr flexible Prüfkörper (Elastomerwerkstoffe), können demzufolge einer Schlagbeanspruchung unterworfen und somit ihre Zähigkeitseigenschaften unter schlagartigen Beanspruchungsbedingungen bewertet werden.

Die Prüfung erfolgt beim Schlag- und Kerbschlagzugversuch mit verhältnismäßig hoher Verformungsgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme von speziell ausgelegten Pendelschlagwerken. Das Verfahren eignet sich für Prüfkörper, die aus Formmassen, Halbzeugen oder Formteilen hergestellt sind und wird u.A. zur Produktions- und Qualitätskontrolle genutzt. Mit dem konventionellen Schlag- und Kerbschlagzugversuch ist es außerdem möglich, das mechanische Anisotropieverhalten zu erfassen, indem Prüfkörper unterschiedlicher Richtungen aus Prüfplatten oder Bauteilen entnommen und geprüft werden.

Für die Durchführung derartiger Experimente stehen bei der PSM GmbH zwei Pendelschlagwerke (Zwick 5102 und Ceast Resil Impactor Junior) mit den für Schlagzugversuche notwendigen Zusatzausrüstungen wie Pendelhämmer verschiedener Massen und Einspannvorrichtungen zur Verfügung. Die Abmessungen der Prüfkörper zur Bestimmung der Kerbschlagzugzähigkeit a_tN betragen: Länge L = 80 mm, Breite W = 10 mm, Kerbtiefe a der beidseitigen Kerben je 2 mm. Die Prüfkörper zur Bestimmung der Schlagzugzähigkeit a_tU sind vorzugsweise Schulterstäbe der Länge L = 80 mm, Messlänge l0 = 10 mm, Stegbreite 10 mm und Schulterbreite 15 mm.

Für die Durchführung von Schlag- und Kerbschlagzugversuchen werden die Prüfkörper mittels fester Klemmvorrichtung auf der einen Seite und Querjocheinspannung auf der anderen Seite innerhalb der Prüfeinrichtung fixiert (siehe Bild). Nach dem Auslösen des Pendelhammers aus seiner Auslenkungsposition werden die Prüfkörper in Längsrichtung bis zum Bruch belastet. Im Ergebnis des Experimentes wird die Schlagarbeit E_c ermittelt und nachfolgend die konventionelle Kerbschlagzugzähigkeit a_tN oder Schlagzugzähigkeit a_tU bestimmt.

Bild: Schematische Darstellung der Prüfanordnung für den Schlag- und Kerbschlagzugversuch mit gabelförmigem Pendelhammer

Instrumentierter Durchstoßversuch

Der instrumentierte Durchstoßversuch nach ISO 7765-2 wird zur Bestimmung des mehrachsigen Stoßverhaltens von Folien genutzt. Zur experimentellen Durchführung werden Fallwerke mit entsprechender Ausrüstung zur Messung des Kraft-Zeit-Signals verwendet. Für das bei der PSM GmbH verfügbare Gerät vom Typ Fractovis der Fa. Ceast steht eine Auswahl an Stoßkörpern sowie eine Temperierkammer zur Verfügung. Das bedeutet, es können Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur auf das Stoßverhalten unter mehrachsiger Beanspruchung durchgeführt werden.

Der instrumentierte Durchstoßversuch stellt eine messtechnische Erweiterung des konventionellen Durchstoßversuches dar und wird angewendet, wenn für die Werkstoffcharakterisierung ein Kraft-Verformungs-Diagramm bzw. Messgrößen aus diesem Diagramm erforderlich sind. Die Aufzeichnung der Kraft-Verformungs-Diagramme wird durch die Instrumentierung des Stoßkörpers ermöglicht.

Während der Prüfung wird eine Folie oder ein plattenförmiger Prüfkörper (quadratisch 60 mm x 60 mm oder rund, Durchmesser 6 cm) senkrecht zu seiner Oberfläche bei praktisch konstanter Geschwindigkeit von 4,4 m/s mit dem Stoßkörper durchstoßen und gleichzeitig das Kraft-Verformungs-Diagramm aufgezeichnet. Dieses Diagramm kann nachfolgend herangezogen werden, um das Werkstoffverhalten unter Stoßbeanspruchung zu bewerten. Es können z.B. anhand der Diagrammform (siehe Bild) spröde, zähe oder sehr zähe Brüche voneinander unterschieden werden.

BIld: Schematische Darstellung verschiedener Typen von Kraft-Verformungs-Diagrammen aus dem instrumentierten Durchstoßversuch: (a) Werkstoff mit nahezu linear-elastischem Verformungsverhalten und instabilem Risswachstum beim Durchstoß und (b) Werkstoff mit elastisch-plastischem Verformungsverhalten und stabilem Risswachstum während des Durchstoßes; charakteristische Größen: F_M – Maximalkraft, l_M – Verformung bei der Maximalkraft, E_M – Energie bis zur Maximalkraft, E_p – Durchstoßenergie mit F_p = F_M/2 und l_P – Verformung bei F_p

Vergleiche zwischen einzelnen Werkstoffen können bei diesem Verfahren nur gemacht werden, wenn die Prüfkörperherstellung, Prüfkörperabmessungen, Oberflächenbeschaffenheit und die Prüfbedingungen vergleichbar sind. Insbesondere die Folien- bzw. Prüfkörperdicke spielt hier eine sehr wichtige Rolle. Im Ergebnis des Durchstoßversuches können neben der qualitativen Bewertung der Kraft-Verformungs-Diagramme sowie des Bruchaussehens der Prüfkörper als wichtige Ergebnisse die Mittelwerte folgender Messgrößen angegeben werden:

• Maximalkraft F_M,
• Maximalverformung l_M,
• Energie bis zur Maximalkraft E_M.

Weiterreißversuch

Eine in der Praxis bewährte Methode zur Charakterisierung des Reißverhaltens von Folien stellt der Weiterreißversuch zur Bestimmung des Weiterreißwiderstandes T_s unter quasistatischen Versuchsbedingungen dar. Bei den für diese Prüfung zu verwendenden Prüfmaschinen handelt es sich um Universalprüfmaschinen.

Zur Ermittlung des Weiterreißwiderstandes können nach DIN 53363 Trapezprüfkörper verwendet werden (siehe Bild), die mittig über einen Einschnitt verfügen, von dem aus durch die wirkende Kerbspannung der Reißprozess initiiert wird. Die Länge L dieser Trapezprüfkörper an der langen Seite beträgt 120 mm, die Breite W 50 mm.

Bild: Trapezprüfkörper zur Bestimmung des Weiterreißwiderstandes von Kunststoff-Folien

Während der Beanspruchung des Prüfkörpers wird das Kraft-Weg-Diagramm (Beispiel siehe folgendes Bild) aufgezeichnet. Der Weiterreißwiderstand T_S wird nach folgender Gleichung berechnet:

$T_{s}={\frac {F_{M}}{B}}$

mit F_M – Maximalkraft bzw. Median der Kraft und B – Prüfkörperdicke

Bild: Typisches Kraft-Verlängerungs-Diagramm einer PA-Folie (a) und eingespannter Trapezprüfkörper (b)

In Abhängigkeit vom Werkstoffverhalten wird für F_M das Maximum der Kraft (wie im Bild gezeigt) oder der Median der Kraft aus dem Kraft-Zeit- bzw. Kraft-Weg-Diagramm verwendet. Der mit dieser Prüfmethode ermittelte Kennwert lässt jedoch nur relative Vergleiche zwischen verschiedenen Werkstoffen zu. Er ist bei Kunststoffen insbesondere abhängig von:

• der Werkstoffgüte und dem Behandlungszustand,
• der Vorzugsrichtung infolge des Verarbei-tungsprozesses bei Thermoplasten,
• der Vulkanisations-dauer bei Elastomeren und
• der Prüftemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit.