Thermische und hygrische Längenänderung

Kunststoffe verändern mit der Temperatur ihre Abmessungen. Ursache für die thermische Ausdehnung sind die mit der Temperatur im Mittel steigenden Abstände der Atome zueinander. Neben der bekannten thermischen Ausdehnung spielt für Kunststoffe auch die hygrische (feuchteinduzierte) Ausdehnung eine wichtige Rolle. Der Kontakt von Kunststoffen mit Feuchtigkeit (z.B. durch wechselnde Luftfeuchtigkeit oder Wasserkontakt) führt zu einer Quellung und damit zu einer meist reversiblen Dehnung sowie oft einer Weichmachung.

Mit Hilfe von Weiterentwicklungen von Messgeräten und speziellen Software-Algorithmen können am Fraunhofer LBF thermische und hygrische Längenausdehnungskoeffizienten bestimmt werden, die zu einer klimatischen Längenausdehnungsfunktion zusammengeführt werden können.

Hierfür steht ein Messgerät mit einer klimatisierbaren Probenkammer zur Verfügung. Die thermische Längenänderung kann von -140°C bis zur Erweichung des Probekörpers untersucht werden. Klimatische Untersuchungen sind zwischen 10°C und etwa 100°C mit relativen Luftfeuchtigkeiten zwischen 10% und etwa 90% möglich.

 

Die Bestimmung des Dehnverhaltens von Kunststoffen in Abhängigkeit von Temperatur und Feuchtigkeit oder anderen organischen Lösungsmitteln ist für alle Kunststoffanwendungen, die eine hohe Maßhaltigkeit erfordern, von Interesse. Bestimmt werden dazu der thermische Längenausdehnungskoeffizient (isohume Messung) sowie der hygrische Längenausdehnungskoeffizient (isotherme Messung). Mit diesen temperatur- und feuchteabhängigen Kennwerten kann eine klimatische Längenausdehnungsfunktion bestimmt werden. Die Stoffdaten und Materialfunktionen finden beispielsweise Eingang in FEM-Simulationen und sind notwendig für die Spannungsberechnung.

Typische Anwendungsgebiete für Kunststoffe mit hoher Maßhaltigkeit sind zum Beispiel die

  • Auslegung von Membranen (Wassertechnik, Brennstoffzellen für Elektromobilität)
  • Auslegung von Dehnungsfugen
  • Entwicklung von dichtenden Kunststoffgehäusen

Die obere Abbildung zeigt schematisch die thermische Längenausdehnung, wie sie für eine hydrophile Polymerfolie für unterschiedliche isohume Messungen erwartet wird. Die thermische Ausdehnung zeigt in diesem Schema eine schwache Temperaturabhängigkeit, wobei die absolute Dehnung mit steigender relativer Luftfeuchtigkeit zunimmt. Die mittlere Abbildung zeigt schematisch den Verlauf der hygrischen Längenausdehnung.

Die Kombination beider Analysen - die klimatische Längenausdehnung - ist exemplarisch in der unteren Abbildung dargestellt. Der Anwender erhält mit einer entsprechenden temperatur- und feuchteabhängigen Analyse umfassende Informationen über die Ausdehnungen, die ein Produkt bei verschiedenen klimatischen Bedingungen erfährt. Aus Messdaten erstellte Materialfunktionen können als Eingangsparameter für Simulationen und Berechnungen dienen.