Entwicklung einer wirtschaftlichen Methode zur zeitraffenden Bewertung des Kriechverhaltens von Kunststoffen auf Basis der registrierenden Makroeindringprüfung mit Prüfkörpertemperierung

Die registrierende Härtemessung im Mikro- und Makrolastbereich sowie die registrierende Shore-Härte und µ-IRHD-Härtemessung können zur Charakterisierung von Kunststoffen und Kunststoffverbunden wie auch die konventionelle Kleinlasthärte und Makrohärte eingesetzt werden. Die verfügbare Härtemesstechnik gestattet ebenso die Untersuchung des Kriech- und Relaxationsverhaltens von Kunststoffen im Mikro- und Makrohärtebereich bei Raumtemperatur. Normalerweise werden derartige Messungen zum Kriechverhalten unter Zug-, Druck- oder Biegebelastung bei unterschiedlichen Laststufen und definierten Temperaturen durchgeführt, wodurch mit den isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und den ermittelten Kriechmodulen Ec(t) Aussagen zum Langzeitverhalten von Kunststoffen ermöglicht werden. Infolge der Standzeiten von mindestens 105 h sind diese Untersuchungen sehr langwierig und infolge der erforderlichen Prüftechnik mit mehreren Temperierkammern sehr kostenintensiv. Einen innovativen Ausweg bietet hier die SIM (stepped isothermal method), welche ebenfalls unter Zugbeanspruchung mit konstanter Belastung und einer stufenweisen Temperaturbeanspruchung die beschleunigte Charakterisierung des Kriechens von Kunststoffen gestattet. Die für Geokunststoffe entwickelte und in der ASTM D 6992 genormte Prüfmethode kann unter Anwendung von Masterkurven und des Boltzmann’ schen Superpositionsprinzip sowie des Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzips das Kriechverhalten analysieren und für Langzeitaussagen extrapolieren. Im Gegensatz zur Zugbeanspruchung mit vorzugsweiser auftretender Normalspannung im Prüfkörper wird bei der Härtemessung z.B. mit einem Vickers-Indenter ein mehrachsiger Spannungszustand im Umfeld des Eindringkörpers erzeugt, der eine zusätzliche Beschleunigung des Kriechens in Kunststoffen hervorruft. Da diese Untersuchungen nur Eindringtiefen < 200 µm erfordern und zur Zugbelastung vergleichsweise schnell realisierbar sind, ist dieses Verfahren quasi-zerstörungsfrei und stellt somit eine alternative Herangehensweise zur SIM nach ASTM D 6992 dar, falls die Möglichkeit der Nutzung einer temperierten Härtemessung gegeben ist.
In enger Zusammenarbeit mit der Fa. ZWICK / ROELL, Ulm, wurde eine Temperierung für das Makrohärtemesssystem ZHU entwickelt und für den Temperaturbereich von -130 bis 100 °C mit kaskadierter Regelung und Direktkontakttemperierung realisiert (Bild 1). Dieses Messsystem erlaubt die Charakterisierung der Härte (Martenshärte, Vickershärte, Kugeldruckhärte u.a.) und weiterer Kennwerte wie z.B. des Eindringmoduls EIT sowie des Kriech- und Spannungsrelaxationsverhaltens (CIT und RIT) in Abhängigkeit von der Prüftemperatur und definierten Prüflasten oder Eindringtiefen im last- oder eindringtiefengeregelten Prüfmodus. Das verfügbare Unikat, welches mit einem zweiten Wegmesskanal zur Erfassung von fehlerhaften Eindringsignalen ausgestattet ist, stellt somit weltweit ein Alleinstellungsmerkmal dar.