Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The chemical industry has expressed great interest in using polyethylene terephthalate (PET) as material for packagings for the transport of dangerous goods. Due to the high strength and stiffness of PET, the wall thickness and weight of packagings can be reduced. This is a relevant cost factor. PET is a semi-crystalline thermoplast which is produced by polycondensation of terephthalic acid and ethylene glycol.
According to the European dangerous goods regulations RID and ADR, samples of PET design types of packagings for dangerous goods must be pre-stored with the original filling good for six months at 23°C, before the design type tests can be carried out. For packagings made of polyethylene (PE) tests to prove the stress cracking resistance by using laboratory methods are possible to reduce time and costs. Therefore, standard liquids, simulating the different types of damaging effects on PE are defined in RID and ADR. However, there is no information and research available about the damaging mechanisms on PET in comparison to PE, especially regarding to stress cracking resistance and test methods.
The aim of this work is to compare the stress cracking resistance of PE and PET with the Full Notch Creep Test (FNCT), which was developed by chemical industry and is described in the standards EN ISO 16101 and EN 15507. It was investigated whether testing specimens made of PE and PET with a full coplanar notch around the middle of the specimens show weakening after the impact of a tensile force in a wetting solution (Lutensol® FSA 10) at 50°C in a test device on the basis of the FNCT.
The test results confirmed the suitability of the method for eight PE grades. Unfortunately, this method couldn’t be used for PET because the specimens broke during notching. In addition the molding of the sheets and the following temper process for twelve hours are very time-consuming, and the specimens broke during notching due to the high brittleness of PET.
Another possibility to provide evidence of stress cracking resistance of PE packagings is laid down in BAM’s Dangerous Goods Rule BAM-GGR 015. This test was carried out with PE and PET bottles to compare both materials. Therefore 1l test bottles were filled with a 5% wetting solution and mounted with a clamping tool for 28 days at 40°C. Tensile test specimens were cut out afterwards from the middle of the bottles in the deformed areas. Tensile strength and breaking elongation of PE specimens were determined in comparison to the PET specimens. The tensile properties of the PET specimens couldn’t be determined due to the strength and the stiffness of the material.
In conclusion the only way to provide information about the stress cracking resistance of PET was to perform stacking tests. 1l bottles made of PE and PET were filled with a 5% wetting solution and stored with a stacking load for 28 days at 40°C according to EN ISO 16495. Design types of PE and PET both passed the stacking tests.
Faserverbundwerkstoffe besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Die Anzahl der elastischen Größen und Festigkeiten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ist dadurch größer als zum Beispiel bei isotropen Werkstoffen. Die Festigkeiten und die Steifigkeiten in den verschiedenen Laminatrichtungen unterscheiden sich darüber hinaus um bis zu zwei Größenordnungen. Abhängig von der Belastungsart versagen Faserverbundwerkstoffe spröde oder duktil. Der Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in den verschiedenen Richtungen kommt daher eine grundlegende Rolle zu. Insbesondere die Bestimmung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ist aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Last-Verformungs-Verhaltens schwierig und mit den bestehenden Auswerteroutinen genormter Prüfverfahren teilweise fehlerbehaftet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Analyse der Schubeigenschaften in der Laminatebene durch eine neu entwickelte Schubvorrichtung, die eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Für die Probekörper dieser Schubvorrichtung wird auf der Grundlage von Messergebnissen ein lastabhängiges Modell der Schubspannungsverteilung entwickelt, das die Materialnichtlinearität berücksichtigt und bei der Analyse der Versuchsergebnisse zur Anwendung kommt. In vergleichenden Untersuchungen der Interaktion benachbarter Schichten an glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten mit ein- und zweiachsiger Orientierung kann gezeigt werden, dass bei identischem Schubspannungszustand in den Einzelschichten bis zu 60% größere Schubfestigkeiten der zweiachsig verstärkten Verbunde vorliegen. Die orthogonal verstärkten Laminate sind schadenstoleranter, da sich Zwischenfaserbruche nicht ungehindert ausbreiten können, sondern an den um 90° gedrehten Fasern gestoppt werden. In Laminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung führt dagegen der erste Riss unmittelbar zum Trennbruch. Die Verifizierung dieser Beobachtung erfolgt mittels des Verfahrens der Röntgenrefraktions- topographie. In Schubzugversuchen erfolgt die Korrelation der mechanischen Belastungssituation mit der mikrostrukturellen Analyse der inneren Schädigungsentwicklung des Werkstoffs. An zweiachsig verstärkten Kohlenstofffaserlaminaten unter Zwischenfaserbruchbeanspruchung kann gezeigt werden, dass die Degradation der intralaminaren Schubsteifigkeit mit der Zunahme an inneren Oberflachen als Maß für die Zwischenfaserbruchdichte einhergeht. Einachsig verstärkte Verbunde versagen dagegen relativ spröde bereits durch den ersten Zwischenfaserbruch und damit ohne Zunahme der Mikrorissdichte. Die Zusammenfassung der Erkenntnisse spiegelt sich in der Verbesserung des Auswerteverfahrens des in DIN EN ISO 14129 genormten Schubzugversuchs wider. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitat des Schubmoduls und der Faserrotation infolge der großen Verformungen während des Schubzugversuchs erfolgt in einem Iterationsprozess die stuckweise Anwendung der Klassischen Laminattheorie zur Bestimmung der Einzelschichtspannungen. Die Bewertung der Ergebnisse des Schubzugversuchs mit diesem Analyseverfahren hinsichtlich der Belastungsgrenzen resultiert in einer guten Übereinstimmung mit dem Festigkeitsmodell nach Puck. Die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der intralaminaren Schubfestigkeit mittels des in der industriellen Anwendung weit verbreiteten Normversuchs.