7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
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Slow crack growth (SCG) under the influence of external fluid media, usually termed environmental stress cracking (ESC), is still one of the most frequent origins of severe damage and failure of polymeric materials. For polyethylene (PE) this is relevant for mass products, like bottles for consumer products, but also for high-performance materials for pipes or industrial packaging, including containers for chemicals and other dangerous goods. Especially for high-density polyethylene (PE-HD) the susceptibility to SGC and ESC is depending on the complex interplay between molecular weight and architecture and the resulting semicrystalline morphology, especially the formation of tie-molecules.
A reliable assessment of the resistance against this damage phenomenon is essential for demanding as well as safety-critical applications and has to take into account suitable testing methodologies and conditions in combination with environmental media reflecting the properties representative for typical fillings and relevant components causing ESC. In this context a better understanding of different influencing factors, such as sorption, swelling or surface activity is necessary together with a detailed characterization of different stages of crack propagation and underlying mechanisms. Therefor well-established testing methods, such as the Full Notch Creep Test (FNCT), were complemented by detailed fracture surface analysis using e.g. LSM and SEM in combination with a time-dependent optical monitoring of the progressing crack growth.
For the crack growth also the ratio of fibrillated craze zone to crack opening is important for the deeper understanding of crack propagation and related material parameters which can be additionally addressed by X-ray computed tomography.
Das langsame Risswachstum (slow crack growth, SCG) sowie der umgebungsbedingte Spannungsriss (environmental stress cracking, ESC) sind relevante Schädigungsmechanismen für teilkristalline Werkstoffe auf Basis von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD).
Der Vortrag gibt einerseits einen Überblick über die grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in diesem Kontext, andererseits werden auch verschiedene praxisorientierte Prüfverfahren vorgestellt. Letztere wurden in gemeinsamen Forschungsprojekten von BAM und LBF mit dem Schwerpunkt Gefahrgutbehälter bzw. Pflanzenschutzmittel vergleichend untersucht und durch weitergehende Analytik ergänzt.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
Currently, the Full Notch Creep Test (FNCT) [1] method is used by material suppliers and end users in industry for the approval of container and pipe materials based on high-density polyethylene (PE-HD). The resistance to environmental stress cracking (ESC) of the material is evaluated using the time to failure of the specimen in an aqueous solution of a detergent [2, 3]. Usually specimens made of sheets with isotropic material properties, manufactured by hot pressing, are employed in order to obtain intrinsic properties of the material in terms of ESC failure. In contrast, the processes used in manufacturing to form containers and pipes, such as extrusion blow molding or extrusion, impose anisotropic properties to the material. These are mostly due to a microstructural orientation (polymer chains or crystallites) [4]. Furthermore, the different cooling conditions significantly affect the size distribution of crystallites as well as the overall morphology. It is therefore essential to understand the influence of process-induced material characteristics on failure due to ESC.
A large number of studies on material properties as a function of microstructural preferential orientation have already been conducted [5-7]. However, effects on ESC as the major failure mechanism of containers and pipes are still rather unexplored [8, 9]. The most important factor is whether primarily intramolecular high-strength covalent bonds or the substantially weaker intermolecular van der Waals forces are predominantly loaded.
In addition to the widely established classification by time to failure, the strain or crack opening displacement (COD) provides valuable information about the evolution and progression of damage as a function of time [10, 11]. Optical strain measurement using digital image correlation allows the differences in COD for isotropic and different angles of orientation of anisotropic specimens to be discussed. Also, a post-fracture surface analysis provides clarification on the craze-crack mechanism of the ESC. These different ESC-related properties of extruded and hot-pressed specimens have been investigated at different environmental medium temperatures and different initial stresses to provide a broad characterization of the fracture behavior of PE-HD.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
PE-HD as a polymeric fuel storage tank material: Photooxidation, fuel sorption and long-term storage
(2018)
High-density polyethylene (PE-HD) is a commodity thermoplastic polymer which is typically used for packing of dangerous goods. Its good resistance against photooxidation, fuels, chemicals and other environmental factors in addition to low production costs makes PE-HD attractive for fuel storage applications. Typical engine fuels stored in polymer tanks are petrol, diesel and biodiesel that receives increasing attention as proper alternative to fossil fuels. One of the major problems with biodiesel is its susceptibility to oxidize due to its chemical composition of unsaturated fatty acids which also can cause polymer degradation.
The aim of this study is to investigate the influence of different environmental factors, UV radiation and commonly stored fuels, on the mechanical, physical and chemical properties of two types of PE-HD polymers (stabilized and non-stabilized). The influence on the mechanical properties was tested by Charpy and tensile tests, chemical and physical properties were evaluated by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and by dynamical mechanical analysis (DMA) tests. Samples were characterized after varying exposure time of UV radiation and after fully and partially immersion in biodiesel. In addition, similar experiments were conducted using diesel for comparison.
The first documentation of fuel biodeterioration dates back to the late 19th century. However, extensive studies concerning the microbial fuel contamination started in 1980’s. Polymeric fuel storage tanks containing diesel and biodiesel provide environmental conditions for microbial growth. Several studies demonstrated that bacteria, which were found in contaminated fuel systems, can use fuels as macronutrient; but such bacteria can also cause microbiologically influenced corrosion and fouling.
The aim of this study is to investigate the initial attachment behavior of bacteria, isolated from a diesel contamination, on neat and photooxidized high-density polyethylene (PE-HD). Two common PE-HD’s, less- and biodiesel-stabilized, were radiated to UV light representing a tank exposed to sunlight. The effect of photooxidiation on PE-HD’s surface were characterized chemically by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The attached bacteria Pseudomonas aeruginosa and Bacillus subtilis on the polymer surface were evaluated by fluorescence microscopy and colony-forming unit tests (CFU).
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Ressortforschungseinrichtung, die zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgüter, forscht, prüft und berät. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Schwerpunkt des Vortrages sind multimodale Polymeranalytik, nanoskalige Sensormaterialien und die Charakterisierung von technischen Eigenschaften von Polymeren sowie ihre Alterung und Umweltrelevanz.