WKK Kap 10 Langzeitverhalten.txt

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Author:
donkonsti
ID:
197374
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WKK Kap 10 Langzeitverhalten.txt
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2013-02-02 12:35:33
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WKK Kap 10 Langzeitverhalten
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WKK Kap 10 Langzeitverhalten
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  1. Was ist Alterung?
    negative wie positive – irreversibel ablaufende chemische und physikalische Änderung des Eigenschaftsbildes, die ein Material im Laufe der Zeit aus unterschiedlichsten Gründen erfahren kann
  2. Welche Arten der Alterung werden unterschieden?
    • Physikalischen Alterungsvorgänge
    • Chemischen Alterungsvorgänge
  3. Durch welche äußerren Faktoren werden Alterungsfaktoren beeinflusst (6)?
    • Temperatur
    • Sauerstoffkonzentration
    • Atmosphärische Belastungen
    • Strahlung
    • Mechanische Belastungen
    • Biologische Belastungen
  4. Durch welche inneren Faktoren werden Alterungsfaktoren beeinflusst (3)?
    • chemischer Aufbau
    • physikalische Struktur
    • Sonstiges: Verunreinigungen, Stabilisatoren, Katalysatorreste
  5. Wodurch sind physikalische Alterungsvorgänge charakterisiert (5)?
    • Veränderung...
    • des Gefüges
    • des molekularen Ordnungszustands
    • des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten
    • der äußeren Form und Struktur
    • oder der messbaren physikalischen Eigenschaften
    • aber kein chemischer Abbau
  6. Was sind die wichtigsten Erscheinungen physikalischer Alterungsvorgänge (5)?
    • Relaxation von Eigenspannungen und Orientierungen
    • Nachkristallisation
    • Entmischung
    • Weichmacherwanderung
    • Agglomeration (z.B. Ausblühen, Ausschwitzen)
  7. Als was sind Eigenspannung in Kunststoffbauteilen definierbar? Wovon hängen sie häufig ab?
    • lokale mechanische Spannungen, die an beliebigen Punkt im Formteil vorliegen, wenn keinerlei äußere Kräfte wirken
    • oftmals von der Geometrie des Formteils abhängig, können jedoch auch durch Weichmacherwanderung entstehen
  8. Wozu führt eine Relaxation in Kunststoffbauteilen oftmals?
    • Schwindung und Verzug
    • beeinflusst teilweise stark mechanisches Verhalten eines Werkstoffs
  9. Wie tritt durch eine Relaxation eine Schwindung auf?
    Bei welchen Temperaturen findet dies statt?
    • Durch Strömungsgänge bei Verarbeitung werden Makromoleküle und Füllstoffe in Fließrichtung orientiert.
    • Gleichzeitig laufen durch entropieelastische Rückstellung Entorientierungsvorgänge ab.
    • Relaxation der Orientierungen bei erhöhten Temperaturen (T>Tg)
  10. Womit sind Entorientierungen stets verbunden?
    • Schrumpfungserscheinungen
    • => Verzug des Bauteils und Rissbildung
  11. Wie erfolgt eine Nachkristallisation?
    Am Übergang zwischen kristallinen und amorphen Bereichen lagern sich die amorphen Molekülketten an die höher schmelzenden Kristallite an. Durch die Bildung einer dichteren Packung der Moleküle kann es zur Schwindung bzw. zum Verzug kommen
  12. Was sind chemische Alterungsvorgänge?
    • Als chemische Alterungsvorgänge werden Vorgänge bezeichnet, die unter Veränderung
    • - der chemischen Zusammensetzung,
    • - der Molekülstruktur oder der Molekülgröße
    • des Materials einhergehen
  13. Was sind die häufigsten Erscheinungen chemischer Alterungsvorgänge (5)?
    • Oxidation
    • Abbau
    • Hydrolyse
    • Nachkondensation
    • Nachpolymerisation
  14. In welche 3 Gruppen lassen sich die von chem. Alterungsvorgängen bewirkten Änderungen einteilen?
    • Änderung des molekularen Aufbaus:
    • -Molmassenabbau,
    • -Änderung der Molmassenverteilung,
    • -Bildung von Verzweigungen und Vernetzungen
    • Bildung funktioneller Gruppen wie Oxidationsprodukten
    • Abspaltung niedermolekularer Produkte: Depolymerisation, Seitengruppenabspaltung
  15. Was bewirkt die chem. Alterung im hinblick auf die Stoffeigenschaften (4)?
    • mechanischen Eigenschaften wie Zug- und Biegefestigkeit sowie Bruchdehnung und Schlagzähigkeit und die Fließeigenschaften der Schmelze verändert
    • Bildung funktioneller Gruppen kann Farbänderungen verursachen und damit Transparenz und optische Qualität beeinflussen
    • elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt
    • Abspaltungen von niedermolekularen Gruppen können eine Geruchsbildung verursachen
  16. Trage biespielhaft Mechanische und rheologische Eigenschaften von PP in Abhängigkeit von der Molmasse auf (Reißdehnung, Schlagzugzähigkeit, Viskosität, MFR) jeweils mit Einheiten!
  17. Zu was führt thermische Degradation?
    Was ist die Ursache?
    • Thermische Degradation führt zu einer Spaltung der Hauptketten
    • Ursache ist Überbeanspruchung der intramolekularen Bindungen durch zunehmende Molekülschwingungen bei erhöhten Temperaturen
  18. Wie nennt man den thermischen Abbau?
    Welche 3 Abbau-Typen treten auf?
    • Pyrolyse
    • Statistische Kettenspaltung mit Abnahme der Molmasse ohne Bildung von niedermolekularen Verbindungen
    • Depolymerisation mit Monomerbildung ohne wesentliche Änderung der Molmasse
    • Eliminierung mit Abspaltung von Seitengruppen und der Bildung niedermolekularer Verbindungen (z.B. HCl bei PVC)
  19. Rein thermischer Abbau erfolgt erst bei sehr hohen Temperaturen... Warum?
    hohe Aktivierungsenergie thermisch aktivierter Kettenspaltungen
  20. Durch welchen Einfluss wird der Thermische Abbau oft überlagert?
    oxidativer Einfluss von Sauerstoff
  21. Wodurch wird die Oxidation von Kunststoffen beeinflusst (3 Überkategorien und je min 2 Unterpkt)?
    • Oxidantien:
    • Sauerstoff, Luft
    • Ozon
    • Stickoxide
    • Belastungen:
    • thermisch
    • elektrisch
    • mechanisch
    • Strahlung
    • Katalysatoren (externe):
    • Kupfer- bzw. Messinganschlüsse oder -hülle (v.a. bei Polyolefinen)
    • Eisen (Additive)
  22. Welche 3 Mechanismen können beim oxidativen Abbau wirksam werden?
    • Kettenspaltungen
    • Kettenvernetzungen
    • Kettenverzweigungen
  23. Wie findet die oxidative Alterung bei Kunststoffen mit überwiegend gesättigten Makromolekülen statt?
    • Radikalkettenreaktion mit drei elementaren Reaktionen:
    • Initiierungsreaktion
    • Abbau durch Kettenfortpflanzung und –verzweigung
    • Abbruchreaktionen
  24. Wie sieht die Auto-Oxidation an Polymeren schmatisch aus?
  25. Durch welche äußeren Einflüsse wier die oxidative Degradation verstärkt (3)?
    • Temperatur (Thermo-oxidative Alterung)
    • Strahlung (Photo-oxidative Alterung)
    • Chemikalien (Chemo-oxidative Alterung)
  26. Wodurch wird versucht die oxidative Alterung zu verzögern?
    • Geeignete Stabilisatoren (Alterungsschutzmittel) schützen Polymere gegen Zerstörung durch Sauerstoff, Wärme, Sonnenlicht, Scherung und Metallionen.
    • Stabilisatoren greifen hemmend in Alterungsprozess ein und verlängern die Gebrauchsfähigkeit des Werkstoffes wesentlich
  27. Welchen Einfluss hat Wasser auf Kunststoffe?
    • Wasser kann sowohl Kunststoff selbst, als auch enthaltene Zuschlagstoffe beeinflussen
    • Wasser kann oxidative Reaktionen beschleunigen
  28. Wie kommen Kunststoffe mit Wasser in Kontakt?
    • Direkter Wasserkontakt
    • Luftfeuchtigkeit
    • Niederschlag
  29. Nenne 3 Arten auf die Wasser Kunststoffen schaden kann!
    • Chemischer Abbau (Hydrolyse)
    • Spaltung von hydrolysierbaren Gruppen führt zu Molmassenabbau und damit zu Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
    • Physikalische Alterungsvorgänge
    • Physikalische Wirkung von Wasser zeigt sich durch Wasseraufnahme (Weichmacherwirkung) oder Extraktion von Zusatzstoffen
    • Mechanische Wirkung des Wassers
    • abwechselndes Schrumpfen und Quellen, sowie Feuchtigkeitsunterschiede zwischen Oberfläche und Kern eines Bauteils erzeugen Spannungsunterschiede und Rissbildung
  30. Welche Kunststoffe sind besonders anfällig für chemischen Abbau (Hydrolyse)?
    • PET
    • PC
    • PA
    • PUR
  31. Wie können Strahlen an bzw. mit Kunststoffen wechselwirken?
    • an der Oberfläche reflektiert
    • in Masse gestreut
    • vom Kunststoff transmittiert bzw. absorbiert
  32. Aufgrund welcher Wechselwirkungsform von Strahlung mit dem Kunststoff treten photochemische Reaktionen auf?
    Photochemische Reaktionen treten als Ergebnis der Absorption von Lichtenergie durch chemische Strukturen auf
  33. Welche Belastungsarten werden bei der Lebensdauerberechnung unterteilt?
    • zyklische Belastung
    • statische Belastung
  34. Nenne 5 Prüfmethoden zur Lebensdauerberechnung mit zyklischer Belastung!
    • Dauerschwingversuche
    • Dauerbiegeversuche
    • Ermittelung der Lebensdauer unter Betriebsbeanspruchungen
    • Werkstoffermüdung
    • Lineare Schadensakkumulation nach Palmgren/Miner
  35. Was wird aus Dauerschwing- und Dauerbeigeversuchen gewonnen?
    Was aus der Ermittlung der Lebensdauer unter betriebsbeanspruchungen?
    • Dauerschwingversuche ->Wöhlerkurven
    • Dauerbiegeversuche ->Wöhlerkurven
    • Ermittelung der Lebensdauer unter Betriebsbeanspruchungen ->Gassnerlinie
  36. Nenne drei Prüfmethoden zur Lebensdauerberechnung unter statischer Belastung!
    Was wird jeweils ermittelt?
    • Zeitstandversuche ->Zeitstandkurven
    • Kriechversuche ->Kriechkurven
    • Zeitstand-Innendruckversuche ->Zeitstandkurven
  37. Wozu dienen Schwingversuche?
    Dauerschwingversuche dienen Nachweis der Dauerfestigkeit und Ermittlung von Wöhlerkurven
  38. Welche mechanischen Versuche lassen sich als Schwellversuche durchführen?
    Zug-, Druck-, Biegeversuche
  39. Welche Versuche lassen sich als Schwell/Wechselbeanspruchung durchführen?
    Schub-, Torsion-, Biegeversuche
  40. Trage in einem Diagramm Schwell und Wechselbereche ein!
  41. Trage folgendes ein!

  42. Wann gelten Kunststoffbauteile als Dauerfest?
    ab 107 Lastspielen
  43. Wie werden Schwingversuche nach der Erzeugung der Schwingung eingeteilt?
    • Freie gedämpfte Schwingung:
    • zerstörungsfreie Prüfung
    • Erzwungene Schwingung:
    • Spannungsgesteuert 
    • Dehnungsgesteuert
  44. Welche Antriebe werden für eine spannungsgesteuerte und welche für eine dehnungsgesteuerte (erzwungene) Schwingung genutzt?
    • Spannungsgesteuert => Resonanzantriebe
    • Dehnungsgesteuert => Zwangsantriebe
  45. Bei welchen Schwingversuchen ergeben sich schematisch gleiche Kurven?
    Wie sieht diese i.d.R. aus?
    • Zug/Druck-Versuch
    • Biege-Schwing-Versuch
    • Schub-Schwing-Versuch
  46. Nenne Probleme bei der Dauerschwingprüfung!
    • Visko-Elastisches Verhalten:
    • Spannungsrelaxation, Dehnungszunahme…
    • Hohe innere Dämpfung der Kunststoffe:
    • Kunststoffe haben hohe innere Dämpfung bei niedriger Wärmeleitfähigkeit. Werden Schwingfrequenzen zu hoch gewählt, kann die eingebrachte Energie nicht in Form von Wärmeleitung abgeführt werden => Probekörper erhitzen unkontrolliert und können schlagartig/ explosionsartig versagen. (Frequenzen 500 - 3000 min -1)
    • Überlagerte Alterungserscheinungen bzw. Eigenschaftsveränderungen als f(t)
  47. Nenne einige Zeitstandversuche!
    • Bestimmung des Zeitstand-Innendruckverhaltens von thermoplastischen Rohrwerkstoffen
    • Zeitstandzug- und Zeitstandbiegeversuch
    • Zeitstandscherversuche
  48. Wie funktioniert der Zeitstand-Innendruck-Versuch?
    • Rohrabschnitt bei erhöhter Temperatur mit definiertem Innendruck beaufschlagt und bis zum Bruch geprüft
    • in Rohrwand entsteht dabei mehrachsiger Spannungszustand
    • Aufgrund geforderter Lebensdauer bei Trinkwasserrohren von 50 bis 100 Jahren, dem Medieneinfluss, sowie der Druckbelastung im Einsatz zeigen sich bei dieser Prüfung über die Zeit sehr verschiedene Alterungsmechanismen
  49. Wie werden die aus dem Zeitstand-Innendruck-Versuch ermittelten Daten dargestellt?
    für jede Temperatur ermittelte Kurven werden gemeinsam in doppelt-logarithmischer Form aufgetragen und extrapoliert
  50. Zeige den schematischen Verlauf der aus dem Zeitstand-Innendruck-Versuch gewonnenen Kurven!
    Was fällt auf?
    • drei Bereiche mit unterschiedlicher Steigung, in denen sich ebenso unterschiedliche Bruchcharakteristika zeigen
  51. Welche Bruchchrakteristika zeigen sich in welchem Bereich der Kurve aus dem Zeitstand-Innendruck-Versuch?
  52. Was muss für eine Extrpolation des Duktilen bereichs im Zeitstand-Innendruck-Versuchs getan werden?
    Welches Prinzip findet hierbei Anwendung?
    • Verhalten bei hohen Prüftemperaturen muss auf niedrigere Einsatztemperaturen übertragen werden
    • Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip ZTV-Prinzip
  53. Wie funktioniert das Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip?
    Welche Phänomene nutzt es aus?
    • Wenn Polymerkette Position wechseln möchte, muss einerseits Energie eingebracht werden (z.B. durch einwirkende mechanische Spannung)
    • andererseits muss Polymerkette Platz haben
    • erforderliches freies Volumen („Löcher“) – vor allem innerhalb amorpher Bereiche des Materials – vergrößert sich bei hohen Temperaturen
  54. Zeige wie das ZTV-Prinzio funktioniert (Diagramm und Erklärung)!
    • von kurzen Versuchszeiten bei hohen Temperaturen wird auf lange Zeiten bei niedriger Temperatur geschlossen (und umgekehrt)
    • entsprechende Kurven können im log t – log σ-Diagramm einfach verschoben werden
  55. Zeige anhand von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen den Einfluss von Temperatur und Zeit auf das mechan. Werkstoffverhalten!
  56. Was ermöglicht das ZTV-Prinzip?
  57. Durch welchen Bruchmechanismus ist der zweite Bereich der Zeitstandkurve charakterisiert?
    • Rissinitiierung und langsames Risswachstum
    • Besonders Auftreten von Spannungsrissen im Werkstoff ist zu beobachten
  58. Was ist die Spannungsrissbildung?
    • (Quasi-sprödes Versagen)
    • Bei Metallen ist Spannungsrisskorrosion bekannt als Einwirkungbestimmter Medien und Zugspannungen bis zur verformungslosen Trennung des Werkstoffes
    • beim Kunststoff rein physikalische Prozesse, z.B. Benetzung, Diffusion und Quellung
  59. Wie ist der Verlauf der Spannungsrissbildung?
    • Am Beginn von Oberfläche aus Crazes (feine Haarrisse)
    • keine echten Risse, sondern Zonen, in denen Kunststoff in Beanspruchungsrichtung verstreckt ist
    • Haarrisse werden durch verstreckte Molekülstränge überbrückt und sind deshalb in der Lage, Kräfte zu übertragen
    • bei stoßartiger Beanspruchung wirken sie wie echte Kerb- und damit Schwachstellen
    • können sich bei langzeitiger Beanspruchung zu echten, klaffenden Rissen weiterbilden und zum Bruch führen
  60. Was sind Ausgangspunkte für Crazes?
    Medien (Wasser, Handschweiß, Chlor…), die in die Oberfläche eingedrungen sind
  61. Womit steigt die Spannungsrissanfälligkeit (7)?
    • höherer Zugspannung, auch Eigen- und Abkühlungsspannungen
    • Längerer Einwirkdauer des Mediums
    • Höherer Temperatur
    • Höherer Kristallinität
    • Geringerer Molmasse
    • Höherer Orientierung quer zur Zugspannungsrichtung
    • Geringere Vernetzung
  62. Benenne!
    Was passiert im roten Kreis?
    • 1: Nukleierungszone
    • 2: Crazing-Zone
    • 3: Riss
    • 4: Fibrillen Verstreckung
    • 5: Versagen der Craze-Fibrillen
  63. Anschauen und verstehen!
  64. Welche Prüfungen dienen der Ermittlung der Spannungsrissempfindlichkeit?
    • Zeitstand-Zugversuch
    • Kugel- oder Stiftdruckverfahren
  65. Gib grob das Vorgehen beim Zeitstand-Zugversuch an!
    • in versch. Medien bei versch. Temperaturen
    • Probekörper wird bis zum Auftreten von Kanten- oder Oberflächenrissen bzw. bis zum Bruch beansprucht
    • Verfahren A: Bestimmung der 100 h Zeitstandfestigkeit durch eine Serie von Prüfspannungen
    • Verfahren B: Ermittlung der Zeitstand-Bruchzeit unter einer einzigen Prüfspannung (max. 1000 h)
  66. Erkläre kurz das Kugel- oder Stiftdruckverfahren!
    • Stift oder Kugeln mit steigendem Übermaß werden in ein in den Probekörper gebohrtes Loch gedrückt und dann mit Medien benetzt
    • Nach bestimmter Kontaktzeit Überprüfung auf Spannungsrisse, dann nächst größerer Eindringkörper
    • Zusätzlich noch Prüfung einer Indikatoreigenschaft zur Ermittlung nicht sichtbarer Schäden
  67. Welches Gesetz ist Grundlage für eine Vielzahl von Lebensdauerprüfungen?
    Arrhenius Gesetz
  68. Welche Prüfverfahren beruhen auf dem Arrheniusgesetz?
    • Lastlose Wärmealterung von Kunststoffen im Wärmeschrank
    • Xenotest
    • Bestrahlungsprüfung
  69. Wie lautet das Arrhenius-Gesetz?
    Zeige es anhand eines Diagramms!
    • Ea = Aktivierungsenergie
    • A = präexponentieller Faktor (Frequenzfaktor)
    • R = Gaskonstante
    • k = Reaktionsgeschwindigkeit
  70. Was besagt das Arrhenius Gesetz?
    • Reaktionsgeschwindigkeit ist gemäß Arrhenius exponentiell abhängig von Temperatur.
    • Alterung von Polymeren (und auch der Abbau von Stabilisatoren) bei höheren Temperaturen schneller als bei niedrigen
    • zeitlicher Ablauf der Alterungsreaktion (und damit z.B. Abbau eines Stabilisators und somit Bruchzeit eines Polymerwerkstoffes) hängt jedoch auch von Anzahl und Konzentrationsverlauf der Reaktionspartner (Reaktanden) ab
  71. Zeige die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration in einem geeignetem Diagramm!
  72. Erkläre die Ermittlung von Langzeitdaten aus dem Arrheniusdiagramm!
  73. Nenne Schwierigkeiten bei der Ermittlung von Langzeitdaten (Arrhenius)!
    • Während Alterung ablaufende Reaktionen sind oftmals sehr vielfältig und in weiten Bereichen noch nicht gründlich erforscht. Es zeigt sich, dass reine Vorstellung nach Arrhenius nicht immer problemlos funktioniert
    • => Punkte liegen nicht auf Gerade
    • => Variation der Geradensteigung möglich
    • => Falsch bestimmte Aktivierungsenergie

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