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Kunststoffe werden in der Industrie auf unterschiedlichste Weise verwendet. Sie sind billig und leicht, und man kann sie für viele verschiedene Dinge verwenden. Aber wie jedes andere Material haben auch Kunststoffe Probleme. Eines der gr??ten Probleme ist das so genannte "Kriechen". Wenn auf Kunststoffprodukte eine konstante Kraft oder W?rme einwirkt, k?nnen sie durch Kriechen versagen oder schlecht funktionieren.

In diesem Text wird das Thema Kriechen sehr ausführlich behandelt. Wir wollen Ingenieuren und Designern helfen, es besser zu verstehen, damit sie dieses Wissen bei ihrer Arbeit nutzen k?nnen. Dieses Wissen ist sehr wichtig, um sicherzustellen, dass Produkte wie Autoteile und medizinische Ger?te zuverl?ssig und sicher sind. Au?erdem werden wir das Kriechen in verschiedene Kategorien einteilen, seine Ursachen untersuchen und darüber sprechen, wie wir es beheben k?nnen.

Was ist Kriechen in Kunststoffmaterialien?

Kriechen ist im Zusammenhang mit plastischen Materialien ein Verformungsprozess, dessen Geschwindigkeit von der Spannung, der Zeit und der Temperatur abh?ngt, die auf einen Kunststoff einwirken. Die anf?ngliche elastische Verformung tritt in der Anfangsphase der Verwendung einer Last auf und kehrt sofort zurück, wenn die Last aufgehoben wird. Das Kriechen hingegen setzt sich auch unter Standardbedingungen fort. Bei Kunststoffen ist die Situation noch offensichtlicher, da sie empfindlicher auf Temperatur?nderungen und mechanische Belastung reagieren.

Kriechen tritt in viskoelastischen Materialien auf, die sich im Laufe der Zeit aufgrund von W?rme oder Spannung kontinuierlich verformen k?nnen. Dieses Verhalten tritt vor allem bei Belastungsanwendungen auf, z. B. bei Rohren, Strukturteilen oder Dichtungselementen, die Kr?ften oder Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Es führt dazu, dass sich das Material ausdehnt, durchbiegt oder verzieht. Daher muss das Kriechen verstanden werden, um den sicheren Betrieb von Kunststoffteilen in dieser Umgebung zu erm?glichen.

Warum kommt es in Kunststoffen zum Kriechen?

Das Kriechen von Kunststoffen resultiert aus ihrem Verhalten und ist mit viskoelastischen Eigenschaften verbunden. Viskoelastische Eigenschaften bedeuten, dass sich das Material gleichzeitig wie ein elastischer Festk?rper und eine viskose Flüssigkeit verh?lt. Herk?mmliche Werkstoffe weisen die F?higkeit zur elastischen Verformung unter Belastung auf. Wenn die Belastung gleich bleibt, wird die F?higkeit zu weiterer langsamer und gleichm??iger Verformung im Laufe der Zeit als "b?sartig" bezeichnet. Dieses besondere Verhalten h?ngt von vielen Faktoren ab, z. B. von der H?he der Belastung, der vorherrschenden Umgebungstemperatur oder der Art des Kunststoffs.

Schlüsselfaktoren, die das Kriechen beeinflussen

1. Stressniveaus

Das Ausma? der Spannung in einem Kunststoffmaterial bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Material zum Kriechen neigt. Kunststoffteile sind irgendwann h?heren Spannungen ausgesetzt. Diese Spannung bewirkt, dass die Molekülketten leichter aneinander vorbeigleiten, was im Laufe der Zeit zu einer allm?hlichen Verformung führt, anstatt dass die Molekülbindungen aufbrechen. Dies führt schlie?lich zu einer schnellen und st?rkeren Verformung. So führt beispielsweise eine überm??ige Kraft auf Kunststoffklammern oder -tr?ger dazu, dass sie sich viel schneller durchbiegen oder verl?ngern als solche, die nur m??igen Belastungen ausgesetzt sind.

Aufgrund seiner begrenzten Streckgrenze nimmt die F?higkeit des Materials, dem Kriechen entgegenzuwirken, ab, wenn die Belastung auf ein hohes Niveau ansteigt. In diesem Szenario entsteht die Notwendigkeit, die Spannung zu kontrollieren.

Die Spannung beeinflusst auch die Zunahme der Produktion von kollidierten internen Molekülketten und das weitere allm?hliche Durchflie?en des Materials. Diese Verteilung führt zu einem Verlust der strukturellen Festigkeit des Kunststoffs, so dass er nach einiger Zeit versagen kann.

Ingenieure ergreifen Ma?nahmen wie die Verteilung der Last zur Verringerung der Spannungskonzentration, die Vergr??erung des Bauteilquerschnitts oder die Auswahl eines widerstandsf?higeren Kunststoffs. Das Wissen um die Auswirkungen von Spannungen und Kriechen erm?glicht die Verwendung von Kunststoffen, die sich in einigen Anwendungen nicht so schnell verformen, und konzentriert sich auf das strukturelle Versagen von Teilen.

2. Temperatur

Einer der entscheidenden Faktoren für das Kriechen ist die Temperatur. W?rme verringert im Allgemeinen die Steifigkeit des Materials und macht es anf?lliger für Verformungen unter mechanischer Belastung. Mit steigender Temperatur wird die Molekularstruktur des Kunststoffs beweglicher, wodurch sich das Material leichter verformen l?sst.

Kunststoffe ver?ndern ihre Struktur, wenn ihre Temperatur ansteigt. Die Molekülstruktur und die Bindungen werden komprimiert, so dass die Moleküle herumgleiten k?nnen. Diese erh?hte Beweglichkeit verringert die Belastbarkeit und verkürzt die Zeit, in der Kriechvorg?nge stattfinden. Ein Kunststoffrohr in einem Hei?wassersystem beispielsweise wird sich wahrscheinlich st?rker durchbiegen als ein ?hnliches Rohr bei Raumtemperatur.

Das Ausma? des Kriechens in Abh?ngigkeit von der Temperatur kann je nach Art des Kunststoffs und seiner besonderen Eigenschaften variieren. Zum Beispiel, ?bergangstemperaturen (Tg) und Schmelzpunkte bestimmen die M?glichkeit des Auftretens von Kriechvorg?ngen. Polyethen zum Beispiel hat eine niedrige Tg und ist daher verformbar, wenn es moderaten Temperaturen ausgesetzt wird, um Kriechen zu bilden.

Hochleistungskunststoffe wie Polyetheretherketon sind hitzebest?ndiger als andere Kunststoffarten.

Es gibt Optionen zur Beherrschung des Temperaturanstiegs, z. B. die Verwendung von hitzebest?ndigem Material im Produktdesign oder die Erh?hung der W?rmed?mmungskomponente. Die Ingenieure stellen auch sicher, dass die Temperatur der Betriebsumgebung kein Kriechen ausl?st.

3. Material Typ

Die verschiedenen Kunststoffarten unterscheiden sich in ihrer Molekularstruktur. Polymere wie Polyethylen (PE) haben schwache intermolekulare Kr?fte und eine niedrige Tg. Diese Materialien unterliegen bei statischer Belastung und moderaten Temperaturen eher dem Kriechverhalten. Sie haben lange lineare Moleküle, die sich aneinander vorbeischieben k?nnen und sich allm?hlich verformen.

Aus demselben Grund haben technische Kunststoffe wie Polycarbonat (PC) aufgrund ihrer geordneteren Molekularstruktur und ihrer besseren thermischen Stabilit?t eine bessere Kriechfestigkeit als Standardkunststoffe. Sie behalten ihre mechanischen Eigenschaften, aber auch ihre Stabilit?t und Festigkeit unter hohem Druck über lange Zeitr?ume und bei erh?hten Temperaturen. Daher eignen sich solche Materialien für hochkomprimierte Anwendungen.

In Anbetracht der unterschiedlichen Kriechvorg?nge bei den verschiedenen Kunststofftypen k?nnen sich Ingenieure leicht für die besten Kunststoffe entscheiden.

Messung des Kriechverhaltens

Ingenieure messen das Kriechen in Kriechkurven. Die Kurven zeigen, wie sich ein Material bei einer regelm??igen Belastung ver?ndert. Techniker erhalten diese Kurven bei Kriechversuchen. Bei einem Kriechversuch übt ein Techniker eine bestimmte Last oder Spannung auf ein Material aus und misst die Dehnung in regelm??igen Abst?nden über einen langen Zeitraum. Die Zeitspanne reicht von Stunden über Tage bis hin zu Monaten.

Das Diagramm, das wir erhalten, zeigt die drei verschiedenen Stadien des Kriechens. Im ersten Stadium, das wir als prim?res Stadium bezeichnen, beginnt sich das Material zun?chst schnell zu verformen, aber dann wird die Verformung stabil. Das zweite Stadium, das so genannte sekund?re Stadium, ist durch eine langsame und gleichm??ige Verformungsrate gekennzeichnet. In der letzten Phase, der Terti?rphase, beschleunigt sich die Verformung sehr schnell und führt schlie?lich zum Versagen des Materials.

Diese Kurven erm?glichen es Ingenieuren und Forschern zu verstehen, wie sich das Material nach einer langen Betriebsdauer verhalten wird. Sie dienen auch als Richtschnur für die Einsch?tzung der Leistung des Materials unter den tats?chlichen Einsatzbedingungen und erm?glichen es, die richtigen Entscheidungen für den Einsatz des Materials in verschiedenen Anwendungen zu treffen.

Schritte eines typischen Kriechversuchs

Die Kriechprüfung umfasst die folgenden Prozesse:

1. Anbringen einer festen Last

Bei der Prüfung wird zun?chst eine konstante Last auf eine Probe des Materials oder eine Spannung als Prozentsatz der Streckgrenze des Materials ausgeübt. Der Techniker wendet die Last pr?zise an, um auf die gesamte Probe einen ?hnlichen Druck auszuüben. Diese Last stellt die tats?chlichen Belastungsbedingungen dar, denen das Material ausgesetzt sein kann, z. B. das Tragen einer statischen Last oder die ?berwindung einer st?ndigen Belastung.

2. ?berwachung der Beanspruchung im Zeitverlauf

Nach dem Aufbringen der Last überwachen die Techniker die F?higkeit des Materials, seine Form über einen bestimmten Zeitraum hinweg h?ufig zu ver?ndern. Diese ?berwachung kann von Stunden über Tage bis zu mehreren Wochen dauern. Die Techniker verwenden w?hrend der Prüfung Dehnungsmessstreifen, um auch geringfügige Ver?nderungen der Form des Materials zu überwachen.

Sie halten die Temperatur w?hrend der Prüfung konstant, da W?rme den Fluss des Kriechens in der Prüfumgebung beeinflusst. In dieser Phase wird die Verformung des Materials im Laufe der Zeit regelm??ig gemessen, um die Ver?nderungen w?hrend der drei Kriechphasen zu erfassen.

3. Erstellen einer Kriechkurve

Die Techniker sammeln die Daten und stellen sie in Form eines Diagramms mit vertikaler Zeit- und Dehnungsachse dar. Die resultierende Kriechkurve zeigt deutlich das Kriechverhalten des Materials unter konstanter Spannung. Ingenieure k?nnen aus dieser Kurve verschiedene Eigenschaften ableiten, darunter die Kriechrate in der zweiten Phase und die Zeit bis zum Versagen in der dritten Phase. Durch das Verst?ndnis dieses Verhaltens k?nnen Ingenieure und Forscher feststellen, ob das Material langfristig die Erwartungen erfüllt und für bestimmte Anwendungen geeignet ist, z. B. im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Automobilindustrie.

Beispiele für Kriechvorg?nge in der realen Welt

Der bekannteste Fall von Kriechen ist bei Kunststoffrohren zu beobachten. Sie entstehen bei Kunststoffen in wasserführenden Rohren in Kan?len und Bew?sserungsanlagen. In diesen Rohren herrscht ein konstanter Wasserdruck, der das Material st?ndig belastet. Mit der Zeit wird Druck auf die Rohre ausgeübt, und sie k?nnen entweder h?ngen oder ihre Form in Bereichen ?ndern, in denen sie sich ohne Verst?rkung verl?ngern. Hohe Temperaturen, z. B. in Heizungsanlagen, führen dazu, dass sich die Rohre viel schneller dehnen oder versagen als bei durchschnittlichen Temperaturen im Haus.

Das Verst?ndnis des Konzepts des Kriechens hilft Ingenieuren bei der Auswahl der richtigen Materialien, wie z. B. vernetztes Polyethylen (PEX).

Das Kriechen betrifft auch Automobilteile, insbesondere solche, die hoher Hitze und Belastung ausgesetzt sind. So sehen beispielsweise die Armaturenbretter und Innenverkleidungen aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) innerhalb weniger Jahre verblasst aus und verlieren ihre ursprüngliche Form. Diese Bauteile werden mechanisch beansprucht und sind der Hitze des Sonnenlichts ausgesetzt, was unsch?n aussieht und die Funktion beeintr?chtigt. Automobilkonstrukteure versuchen, dies durch hitzebest?ndige Materialien, Verst?rkungen oder M?glichkeiten zur Ver?nderung der Belastungsschwerpunkte zu vermeiden.

Kriechen ist ein komplizierter Faktor bei medizinischen Ger?ten, da Sicherheit und Zuverl?ssigkeit entscheidend sind. Bei Prothesen beispielsweise müssen leichte Polymermaterialien für die leichte Struktur verwendet werden. Diese Materialien müssen ihre Struktur und Leistung auch nach jahrelangem Gebrauch stabil halten. Die zyklische Belastung durch das Gewicht des Patienten und die Bewegungen k?nnen zu einer allm?hlichen Verformung führen, wenn das Material nicht über eine hohe Kriechfestigkeit verfügt. Um diesem Risiko zu begegnen, verwenden die Hersteller Hochleistungspolymere wie Polyetheretherketon (PEEK) zur Herstellung der Ger?te. Au?erdem werden Verbundwerkstoffe in das Design der Ger?te integriert, um sie widerstandsf?higer und über einen l?ngeren Zeitraum funktionsf?hig zu machen.

Konstruktionsstrategien zur Minimierung von Kriechvorg?ngen

Ma?nahmen zur Verringerung des Kriechverhaltens bei den vorgestellten Kunststoffen beginnen mit der Verbesserung des Materials, wie sie bei verst?rkten Kunststoffen zu beobachten ist. Das Hinzufügen von Fasern wie Glas oder Kohlenstoff zum Polymer ver?ndert dessen mechanische Eigenschaften. Diese Elemente verbessern die F?higkeit des Materials, Belastungen standzuhalten. Diese Verst?rkungen erschweren es den Polymerketten, sich zu bewegen, so dass sie auf Dauer aneinander vorbeigleiten k?nnen. So wird beispielsweise glasfaserverst?rktes Nylon haupts?chlich in der Automobilindustrie und bei einigen Industrieprodukten verwendet. Diese Teile sind mechanisch stark beansprucht. 

Die andere Managementtechnik ist die Verringerung der Spannung an einem bestimmten Punkt in einem Bauteil durch einen Lastverteilungsansatz. Spannungserh?hungen - Bereiche mit einer hohen Dichte einer einwirkenden Kraft - verschlimmern das Kriechen in Kunststoffen. Ingenieure umgehen dies, indem sie scharfe Ecken vermeiden und allm?hliche ?berg?nge zwischen Geometrien schaffen. Ingenieure bauen auch Konstruktionsmerkmale wie Rippen oder Flansche in die Lastpfade ein, um die belastete Fl?che zu vergr??ern. Bei Rohrleitungssystemen aus Kunststoff beispielsweise werden die Stützen so angebracht, dass sie sich nur minimal durchbiegen. Schlie?lich ist die Wahl von Polymeren mit hoher Leistungsf?higkeit notwendig, um das Kriechen zu reduzieren. Materialien mit hohem Glasübergang, wie PEEK, Polycarbonat und PTFE, weisen eine ausgezeichnete Verformungsbest?ndigkeit auf. Diese Polymere der neuen Generation werden in der Regel unter schwierigen Bedingungen eingesetzt, z. B. in der Luft- und Raumfahrt oder in medizinischen Anwendungen. Bei diesen Anwendungen muss die langfristige Zuverl?ssigkeit unter Druck und Hitze nicht beeintr?chtigt werden.

Kriechverhalten unter variierenden Bedingungen

Kunststoffe verhalten sich nicht immer auf dieselbe Weise. In der nachstehenden Tabelle werden verschiedene Umgebungen in Bezug auf die Kriechraten betrachtet.

Vergleich des Kriechverhaltens von g?ngigen Kunststoffen

Das nachstehende Diagramm zeigt die Kriechraten verschiedener Kunststoffe bei einer konstanten Spannung von 2 MPa bei 25°C. PTFE hat den niedrigsten Wert für die Kriechrate, was zeigt, dass es sich mit der Zeit kaum verformen kann. PS besitzt den h?chsten Wert für die Kriechrate, was auf seine hohe Tendenz zur Verformung im Laufe der Zeit hinweist.

Die St?rke von anderen Kunststoffen wie HDPE UND LDPE, PP, PVC, Nylon und PC unterscheiden sich in ihrer Kriechbest?ndigkeit und unter den Kunststoffen. Sowohl HDPE als auch Nylon sind kriechfester als LDPE und PS.

Schlussfolgerung

Die Einsicht in die Ursachen des Kriechens, die Methoden zur Minimierung seines Ausma?es und seine Auswirkungen auf die Strukturen geben Ingenieuren Aufschluss über die Auswahl von Kunststoffmaterialien. Sie k?nnen die Verwendung von Kunststoffen in industriellen Anwendungen zur Herstellung von Bauteilen auf Polymerbasis verstehen. Durch die richtige Verst?rkung von Kunststoffen, eine angemessene Verteilung der Lasten und die korrekte Anwendung von Hochleistungspolymeren k?nnen Ingenieure die Auswirkungen des Kriechens in ihren Produkten erheblich reduzieren.

Selbst wenn es sich um Anwendungen im Sanit?rbereich, in der Automobilindustrie oder sogar in der Medizintechnik handelt, zeigt dieses Papier, dass Ingenieure und Konstrukteure durch richtige Entscheidungen geeignete Konstruktionen entwickeln k?nnen. Die Leistung der Kunststoffbauteile kann mit geringen Kompromissen beim Kriechen erh?ht werden, selbst unter den Bedingungen einer l?ngeren zeitabh?ngigen Belastung.