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Zum Einfluss von Nanofüllstoffen auf die Spannungsrissbeständigkeit amorpher Kunststoffe

Polycarbonat- (PC), Polystyrol- (PS) und Polymethylmethacrylat (PMMA)-Nanokomposite mit verschiedenen Partikelgehalten und –größen wurden auf einem Doppelschneckenextruder compoundiert und anschließend spritzgegossen. Die Zugabe einer geringen Menge von SiO2-Nanopartikeln führte zu einer Verringerung der Transparenz, verbesserte jedoch die Zugeigenschaften, die Zähigkeit sowie die thermischen Eigenschaften der Werkstoffe. Dies war insbesondere bei Verwendung der kleinsten untersuchten Nanopartikel der Fall, welche nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Nanokomposite verbesserten, sondern auch deren optische Qualität erhalten konnten. Interessanterweise führte die Zugabe der SiO2-Nanopartikel zu einer erheblichen Steigerung der Spannungsrissbeständigkeit der Werkstoffe in sämtlichen untersuchten Medien, wobei der Effekt wiederum insbesondere bei den kleineren Nanopartikeln besonders ausgeprägt war. Die Steigerung der Spannungsrissbeständigkeit war in milden Medien und an der Luft besonders ausgeprägt, da die auftretenden Deformationsvorgänge durch die Anwesenheit der Nanopartikel stark verändert wurden. Ein Vergleich der verschiedenen Werkstoffe führte zu folgender Rangfolge hinsichtlich der Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit: PMMA/SiO2 < PS/SiO2 < niedermolekulares PC/SiO2 < hochmolekulares PC/SiO2 . In den meisten Fällen zeigten die Nanokomposite mit 1 Vol.-% SiO2 -Nanopartikeln die größte Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit. Eine Korrelation des kritischen Spannungsintensitätsfaktors mit dem Hansen-Löslichkeitsparameter und dem Molvolumen des Mediums zeigt eine gute Übereinstimmung für verschiedene Flüssigkeiten und erlaubt somit eine Abschätzung des Spannungsrissrisikos in diversen Medien auch ohne aufwendige Versuche. Darüber hinaus wurden beschleunigte Spannungsrissversuche in aggressiven Medien und/oder bei erhöhter Temperatur sowie ein Superpositionsansatz für die Vorhersage langsamer Rissvorgänge entwickelt. Mit diesen Methoden können die Prüfzeiten und –kosten für Spannungsrissversuche deutlich reduziert werden. Zusätzlich kann durch geeignete Modellbildung und Simulation von Diffusionsprozessen in Verbindung mit einem bruchmechanischen Modell ein schnelles Werkstoffscreening erfolgen, welches dazu beiträgt, das Risiko spannungsrissbedingten Bauteilversagens zu vermindern.

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 Jiraporn Nomai

Jiraporn Nomai
Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Technische Universität Kaiserslautern

Informationen

Freie Schlagwörter: Amorphe Polymere, Polymere Nanokomposite, Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, Spannungsrissbeständigkeit, Bruchverhalten
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern
Sprache: Englisch
Fachgutachter: Professor Dr.-Ing. Alois K. Schlarb, Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt
Erscheinungsjahr: 2019
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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