Alterung

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Alterung

Begriffsbestimmung

Unter Alterung versteht man die Gesamtheit aller im Laufe der Zeit in einem Material irreversibel ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgänge. Die Alterung läuft unter natürlichen Umweltbedingungen ab, die in speziellen Fällen jedoch besondere Merkmale aufweisen kann, wie erhöhte Temperaturen, Chemikalienangriff und mechanische Beanspruchung. Für Prüfzwecke kann eine verstärkte Einwirkung eines Faktors erwünscht sein, um eine Zeitraffung zu erreichen (siehe: Stepped Isothermal Methode, Makroeindringprüfung). Diese Zeitraffung lässt allerdings normalerweise keine direkte Extrapolation auf ein Langzeitverhalten unter entsprechend geringerem Angriff zu, es sei denn, es handelt sich um relativ einfach überschaubare Vorgänge, wie das Zeitstandverhalten oder die thermische Alterung. Da in den meisten Fällen jedoch die natürlichen Alterungsbedingungen nicht differenziert vorhersehbar sind und in ihrer Komplexität auch nicht gerafft werden können, ist die Aussage für langzeitige Anwendung aufgrund irgendwelcher Kurzzeitversuche problematisch.

Innere und äußere Alterung

Generell wird zwischen einer inneren und einer äußeren Alterung unterschieden. Die innere Alterung, Abbau von Eigenspannungen, Nachkristallisation, Phasentrennung bei Mehrstoffsystemen, Weichmacherwanderung oder ähnliches, ist auf thermodynamisch instabile Zustände des polymeren Werkstoffs zurückzuführen. Die äußere Alterung, wie Spannungsrissbildung, Ermüdungsrisse, thermooxydativer Abbau, Quellung oder etwas ähnliches, beruht auf physikalischen oder chemischen Einwirkungen der Umgebung auf den polymeren Werkstoff. Die Unterscheidung nach chemischen und physikalischen Alterungsvorgängen ist nicht immer eindeutig möglich, da normalerweise komplexe Wirkungen vorliegen.

Einfluss der Alterung auf das Kennwertniveau

Versteht man unter Alterung nur die zeitabhängigen, irreversibel ablaufenden Vorgänge, so müsste korrekterweise auch eine Verbesserung des Gebrauchswertes des Werkstoffs darunter verstanden werden, wenn z. B. eine Nachkondensation, Nachkristallisation oder Strahlungsvernetzung zu einer Vergütung im Sinne einer Verbesserung bestimmter gewünschter Eigenschaften führt.

So kann z. B. für ein medial beanspruchtes (Waschlauge, 95 °C) mit Teilchen gefülltes (z. B. Talkum) Polypropylen (Kurzzeichen: PP) in Abhängigkeit von der Auslagerungszeit (bis 2000 h) der Elastizitätsmodul E_t deutlich sinken, die Zugfestigkeit σ_M geringfügig ansteigen, die Bruchdehnung ε_tB und die technische bedeutsamere Dehnung an der Streckgrenze ε_tM keine Veränderungen zeigen sowie die Kerbschlagzähigkeit a_cN merklich ansteigen. Diese strukturabhängigen Eigenschaftsänderungen der mechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Auslagerungszeit können sich in anderen Beispielen auch ganz anders gestalten. Aus diesem Grunde ist eine mehrparametrige Eigenschaftsbewertung bei der Rezepturoptimierung von komplexen Polymerwerkstoffsystemen (siehe: Polymerblends) besonders wichtig.

Gegen eine Reihe besonders kritischer Umwelteinflüsse sind sogar Stabilisatoren entwickelt worden, welche die unerwünschten Veränderungen der Material- und Gebrauchseigenschaften während der Verarbeitung oder des Gebrauchs soweit verzögern, dass das Kunststoffbauteil während der Gebrauchsdauer darunter nicht leidet. Die wichtigsten Stabilisatoren sind neben den Verarbeitungsstabilisatoren die Wärme- und Lichtstabilisatoren, UV-Absorber, Antioxidanten und Hydrolyseschutzmittel.

Literaturhinweise

• Ehrenstein, G. W.: Polymerwerkstoffe. Struktur und mechanisches Verhalten. Grundlage für das technische Konstruieren mit Kunststoffen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1978) S. 173 (ISBN 3-446-12478-0; siehe AMK-Büchersammlung unter G 28)
• Lechner, M. D., Gehrke, K., Nordmeier, E. M.: Makromolekulare Chemie – Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler. Birkhäuser Verlag, Basel Boston Berlin (2010) 4. überarbeitete und erweiterte Auflage, S. 488 ff, (ISBN 978-3-7643-8890-4; siehe AMK-Büchersammlung unter N 11)
• Grellmann, W., Schoßig, M., Reincke, K., Kirbs, J.: Bewertung der Alterungsbeständigkeit von Folien durch künstiche Bewitterung. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderung an die Kennwertermittlung. Tagung "Werkstoffprüfung 2011", 1. und 2. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 173–178 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe AMK-Büchersammlung unter A 13)
• Langer, B., Schoßig, M., Reincke, K., Grellmann, W.: Charakterisierung des Alterungsverhaltens von Polymerwerkstoffen. In: Borsutzki, M. und Moginger, G. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Tagung Werkstoffprüfung 2012, 06. bis 07. Dezember 2012, Bad Neuenahr, Tagungsband S. 145–152 (ISBN 978-3-514-00794-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 24) Download als pdf