Polyethylen (PE) prüfen und charakterisieren

Polyethylen (PE) gehört zu den am häufigsten eingesetzten thermoplastischen Kunststoffen. Je nach Molekülstruktur und Dichte unterscheiden sich PE-Typen deutlich in ihren mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften.

Wir bei der Polymer Service GmbH Merseburg untersuchen PE-Werkstoffe, -Halbzeuge, -Folien und -Bauteile mit verschiedensten Prüfverfahren. Typische Fragestellungen sind die Bestimmung von mechanischen Kennwerten, der Vergleich von Werkstoffen oder Chargen, die Untersuchung von Verarbeitungs- und Alterungseinflüssen sowie die Analyse von Schadensfällen.

 

PE Kunststoff

Eigenschaften von Polyethylen

Polyethylen ist ein teilkristalliner Thermoplast. Seine Eigenschaften werden unter anderem durch Molmasse, Molmassenverteilung, Verzweigungsgrad und Kristallinität bestimmt.

Zu den gebräuchlichen PE-Typen gehören:

 

  • PE-HD (Polyethylen hoher Dichte): vergleichsweise hohe Kristallinität und Steifigkeit; eingesetzt beispielsweise für Rohre, Behälter und technische Formteile.
  • PE-LD (Polyethylen niedriger Dichte): stärker verzweigte Molekülstruktur und hohe Flexibilität; häufig eingesetzt für Folien.
  • PE-LLD (lineares Polyethylen niedriger Dichte): weitgehend lineare Molekülstruktur mit Kurzkettenverzweigungen; ebenfalls von großer Bedeutung für Folienanwendungen.

PE besitzt eine geringe Wasseraufnahme und ist gegenüber vielen Chemikalien beständig. Mechanische Eigenschaften und zeitabhängiges Verformungsverhalten hängen jedoch deutlich von Werkstofftyp, Temperatur und Belastungsdauer ab. Auch Verarbeitung und Abkühlbedingungen beeinflussen über die teilkristalline Struktur die Eigenschaften des fertigen Bauteils.

 

Prüfung und Analyse von Polyethylen

Je nach technischer Fragestellung können mechanische Prüfungen mit thermischen, rheologischen oder spektroskopischen Untersuchungen kombiniert werden. Damit lassen sich Werkstoffe charakterisieren, Proben miteinander vergleichen und Veränderungen des Materials untersuchen.

Thermische Analyse mittels DSC

Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) dient bei Polyethylen insbesondere zur Untersuchung von Schmelz- und Kristallisationsvorgängen.

Bestimmt werden können charakteristische Temperaturen und Enthalpien. Die Messungen ermöglichen beispielsweise den Vergleich verschiedener PE-Typen oder Materialchargen und geben Hinweise auf Unterschiede in Kristallinität und in Bezug auf die thermische Vorgeschichte.

 

Oxidations-Induktionszeit (OIT)

Die Oxidations-Induktionszeit ist eine Kenngröße zur Beurteilung der thermooxidativen Stabilität von Polyethylen.

Bei der isothermen OIT-Bestimmung wird die Probe zunächst unter inerter Atmosphäre auf die Prüftemperatur gebracht. Nach dem Umschalten auf eine oxidative Atmosphäre wird die Zeit bis zum Beginn der exothermen Oxidation bestimmt. Die OIT eignet sich unter anderem für vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher Materialzustände und Stabilisierungen.

 

Fließverhalten: MFR und MVR

Die Schmelze-Massefließrate (MFR) und die Schmelze-Volumenfließrate (MVR) beschreiben das Fließverhalten einer thermoplastischen Kunststoffschmelze unter festgelegten Prüfbedingungen.

Bei PE werden diese Kennwerte unter anderem zum Vergleich von Werkstoffen und Materialchargen eingesetzt. Veränderungen können auf Unterschiede oder Veränderungen der molekularen Struktur hinweisen. Für die Bewertung müssen Prüftemperatur, Belastung und PE-Typ berücksichtigt werden.

 

Mechanische Eigenschaften

Mechanische Prüfungen liefern Kennwerte zum Verhalten von PE unter definierten Belastungen. Im Zugversuch können beispielsweise Zugmodul, Streckspannung, Zugfestigkeit und Dehnungseigenschaften bestimmt werden.

Für Folien aus PE-LD oder PE-LLD kommen abhängig von der Fragestellung weitere Prüfungen infrage, beispielsweise zur Bestimmung der Weiterreiß- oder Durchstoßeigenschaften oder auch der Siegelfähigkeit für Verpackugnsfolien. Aufgrund des Herstellungsprozesses können sich die Eigenschaften in Maschinen- und Querrichtung unterscheiden.

 

Identifikation und Vergleich von PE-Werkstoffen

Bei unbekannten Proben, Materialwechseln, Chargenabweichungen oder Schadensfällen kann eine Kombination verschiedener Analyseverfahren sinnvoll sein.

Die Infrarotspektroskopie (FTIR) liefert Informationen zur chemischen Struktur des Polymers. DSC ergänzt diese Informationen durch die Charakterisierung des thermischen Verhaltens. Weitere Verfahren können abhängig von der Fragestellung hinzukommen.

Durch den Vergleich mit Referenzmaterial lassen sich Unterschiede zwischen Werkstoffen oder Materialzuständen gezielt untersuchen.

 

PE Kunststoff

Verarbeitungs- und Alterungseinflüsse

Verarbeitung, Temperaturbelastung und Einsatzbedingungen können den Zustand eines PE-Werkstoffs verändern. Zur Untersuchung können beispielsweise Neuware und verarbeitetes Material, verschiedene Produktionschargen oder beanspruchte und unbeanspruchte Bauteilbereiche miteinander verglichen werden.

Thermische, rheologische, spektroskopische und mechanische Untersuchungen erfassen dabei unterschiedliche Aspekte des Materialzustands.

 

Schadensanalyse an PE-Bauteilen

Bei der Schadensanalyse werden Werkstoff, Verarbeitung, Bauteilgeometrie, Belastung und Umgebungsbedingungen gemeinsam betrachtet.

Abhängig vom Schadensbild können beispielsweise mikroskopische, spektroskopische, thermische und mechanische Untersuchungen eingesetzt werden. Der Vergleich geschädigter Bereiche mit Referenzmaterial kann helfen, Veränderungen des Werkstoffs zu erkennen und mögliche Schadensursachen einzugrenzen.

 

Welche Untersuchung ist für meine Fragestellung geeignet?

Die Auswahl der Prüfverfahren hängt von der technischen Aufgabenstellung ab. Für eine Werkstoffidentifikation sind andere Untersuchungen erforderlich als für einen Chargenvergleich, die Bestimmung mechanischer Kennwerte oder eine Schadensanalyse.

Für die Auswahl geeigneter Verfahren sind insbesondere Angaben zum Werkstoff, zur Anwendung, zur verfügbaren Probe und zur konkreten Fragestellung hilfreich. Auch vorhandene Referenzproben, Werkstoffspezifikationen oder anzuwendende Prüfnormen sollten berücksichtigt werden.

Unsere Experten finden gemeinsam mit Ihnen die beste Vorgehensweise zur Beantwortung Ihrer Fragen. 

 

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Häufige Fragen zur Prüfung von Polyethylen

Wie lassen sich PE-HD, PE-LD und PE-LLD unterscheiden?

Die PE-Typen unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich Molekülstruktur, Verzweigung, Dichte und Kristallinität. Zur analytischen Unterscheidung können mehrere Verfahren kombiniert werden. DSC liefert beispielsweise Informationen über das Schmelzverhalten, während spektroskopische und weitere analytische Verfahren ergänzende Informationen liefern können.

 

Was kann mit DSC an Polyethylen untersucht werden?

Mit DSC werden insbesondere Schmelz- und Kristallisationsvorgänge untersucht. Charakteristische Temperaturen und Enthalpien können zur Materialcharakterisierung und zum Vergleich verschiedener PE-Proben oder Materialzustände herangezogen werden. Auch der Stabilisierungszustand kann mit DSC untersucht werden, genauer gesagt mit DSC-OIT. Die Oxidations-Induktionszeit (OIT) ist eine unter definierten Bedingungen bestimmte Kenngröße für die thermooxidative Stabilität. 

 

Was sagen MFR und MVR über Polyethylen aus?

MFR und MVR kennzeichnen das Fließverhalten der Polymerschmelze unter definierten Prüfbedingungen. Sie werden unter anderem für Material- und Chargenvergleiche eingesetzt. Messergebnisse sind nur unter Berücksichtigung der jeweiligen Prüftemperatur und Prüflast vergleichbar.

Können auch PE-Bauteile untersucht werden?

Ja. Welche Untersuchungen an einem Bauteil möglich und sinnvoll sind, hängt von der Bauteilgeometrie, der verfügbaren Probenmenge und der technischen Fragestellung ab. Bei Schadensfällen sollte die Probenentnahme möglichst auf den geplanten Untersuchungsumfang abgestimmt werden.