Polypropylen (PP) prüfen und charakterisieren

Die Struktur und die Eigenschaften von Polypropylen (PP) lassen sich durch Copolymerisation, Additivierung oder durch die Zugabe von Füll- und Verstärkungsstoffen äußerst variabel einstellen. Entsprechend unterschiedlich verhalten sich PP-Werkstoffe hinsichtlich Steifigkeit, Zähigkeit, Temperaturverhalten und Alterungsbeständigkeit. Für die Prüfung ist deshalb nicht allein die Werkstoffbezeichnung „PP“ entscheidend. Die Polymer Service GmbH Merseburg untersucht die für eine konkrete Aufgabenstellung relevanten mechanischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften und vergleicht bei Bedarf unterschiedliche Materialien, Chargen oder Bauteilzustände.

 

 

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PP-H, PP-B und PP-R: unterschiedliche Struktur, unterschiedliche Eigenschaften

Bei Polypropylen werden unter anderem Homopolymere und verschiedene Copolymere unterschieden. Die Bezeichnungen sind folgende: 

 

  • PP-H = Polypropylen-Homopolymer (Homo-PP)
  • PP-B = Polypropylen-Blockcopolymer bzw. heterophasisches PP-Copolymer
  • PP-R = Polypropylen-Random-Copolymer

PP-H weist typischerweise eine vergleichsweise hohe Steifigkeit auf.
Bei PP-B wird durch die Copolymerstruktur insbesondere das Zähigkeitsverhalten verändert.
PP-R besitzt durch statistisch eingebaute Comonomere ein gegenüber PP-H verändertes Kristallisations- und Eigenschaftsverhalten. Diese Unterschiede lassen sich mit verschiedenen Prüfmethoden erfassen. Mechanische Prüfungen charakterisieren beispielsweise Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit. Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) liefert Informationen über Schmelz- und Kristallisationsverhalten. Für Material- oder Chargenvergleiche ist häufig die Kombination dieser Ergebnisse aussagekräftiger als ein einzelner Kennwert.

 

 

Steifigkeit und Zähigkeit von Polypropylen

Eine wichtige Besonderheit von PP ist die starke Abhängigkeit des mechanischen Verhaltens von Temperatur und Werkstoffmodifikation. Besonders das Zähigkeitsverhalten kann sich bei niedriger Temperatur deutlich verändern. Im Zugversuch nach DIN EN ISO 527 können unter anderem auch bei unterschiedlichen Temperaturen der Elastizitätsmodul, die Streckspannung, die Zugfestigkeit und Dehnungskennwerte bestimmt werden. Schlag- und Kerbschlagversuche ergänzen die Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte um Informationen zum Zähigkeitsverhalten. Für weiterführende Fragestellungen z. B. im Zuge einer Werkstoffentwicklung kann das Rissinitiierungs- und Rissausbreitungsverhalten mit bruchmechanischen Methoden untersucht werden. Solche Untersuchungen sind beispielsweise dann relevant, wenn sich Werkstoffvarianten in klassischen Festigkeitskennwerten nur wenig unterscheiden, ihr Verhalten gegenüber vorhandenen Rissen oder Kerben jedoch bewertet werden soll.

 

Kristallisation und Verarbeitungseinfluss

Als teilkristalliner Thermoplast wird das Eigenschaftsprofil von PP wesentlich durch seine kristalline Struktur beeinflusst. Copolymerisation, Abkühlbedingungen und Verarbeitung können sich auf den Kristallisationszustand des Kunststoffs auswirken. Mittels DSC werden Schmelz- und Kristallisationsvorgänge untersucht. Charakteristische Temperaturen und Enthalpien können zum Vergleich verschiedener PP-Typen, Materialchargen oder Verarbeitungszustände herangezogen werden. Damit lässt sich beispielsweise prüfen, ob sich auffällige und unauffällige Proben auch in ihrem thermischen Verhalten unterscheiden.

 

Stabilisierung und oxidative Alterung

Polypropylen kann unter Einwirkung von Wärme und Sauerstoff oxidativ altern. Zur Einstellung der erforderlichen Alterungsbeständigkeit werden PP-Werkstoffe deshalb in der Regel entsprechend stabilisiert. Eine Möglichkeit zur vergleichenden Beurteilung der Oxidationsstabilität ist die Bestimmung der Oxidations-Induktionszeit (OIT) mittels DSC. Sie liefert eine unter festgelegten Bedingungen ermittelte Kenngröße und kann beispielsweise zum Vergleich unterschiedlicher Materialzustände oder Stabilisierungen eingesetzt werden. Die OIT ist jedoch keine direkte Messung der verbleibenden Lebensdauer eines Bauteils.

 

 

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Gefüllte und verstärkte PP-Werkstoffe

Technische PP-Werkstoffe enthalten häufig mineralische Füllstoffe oder Verstärkungsfasern wie Talkum, Kreide oder Glasfasern, welche  unter anderem Steifigkeit, Festigkeit, Dimensionsstabilität und Bruchverhalten verändern. Bei solchen modifizierten PP-Werkstoffen ist deshalb neben den Eigenschaften der Polymermatrix auch die Zusammensetzung relevant. Je nach Fragestellung können mikroskopische, thermische Analysen, Mikroskopie und mechanische Prüfungen miteinander kombiniert werden. Insbesondere bei glasfaserverstärktem PP können Fasergehalt, Faserorientierung und die und/oder die Faser-Matrix-Anbindung das mechanische Verhalten wesentlich beeinflussen.

 

 

Wenn ein PP-Bauteil versagt

Bei einem gebrochenen oder gerissenen Bauteil reicht die Bestimmung einzelner Werkstoffkennwerte häufig nicht aus. Werkstoffzustand, Konstruktion, Verarbeitung und tatsächliche Beanspruchung müssen gemeinsam betrachtet werden. Bei der Schadensanalyse können Bruchflächen mikroskopisch untersucht und mit Ergebnissen aus Werkstoffanalytik und mechanischer Prüfung verknüpft werden. Vergleichsproben aus ungeschädigten Bauteilbereichen oder Referenzmaterial sind dabei besonders hilfreich. Die bei der Polymer Service GmbH Merseburg angebotenen systematischen Schadensanalysen erfolgen meist nach den  Grundsätzen der VDI 3822. Ziel ist es, die Entstehung des Schadens anhand der verfügbaren Befunde technisch nachzuvollziehen und mögliche Schadensursachen einzugrenzen.

 

 

Untersuchung von Polypropylen bei PSM

Welche Untersuchungen sinnvoll sind, richtet sich nach der konkreten Aufgabenstellung. Bei einem Materialvergleich kann beispielsweise das mechanische und thermische Verhalten im Vordergrund stehen, während bei einem Bauteilschaden zusätzliche mikroskopische oder bruchmechanische Untersuchungen erforderlich sein können. Für die Planung der Untersuchung sind Angaben zum verwendeten PP-Typ, zur Verarbeitung und zur Beanspruchung des Bauteils sowie Referenz- oder Vergleichsproben hilfreich. Sind zusätzliche Verfahren erforderlich, die nicht bei Polymer Service GmbH Merseburg durchgeführt werden, können spezialisierte Partner einbezogen und deren Ergebnisse in die Bewertung aufgenommen werden.

 

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Häufige Fragen zu Polypropylen

Warum kann sich PP bei niedrigen Temperaturen anders verhalten?

Das mechanische Verhalten von Polypropylen ist temperaturabhängig. Insbesondere die Zähigkeit kann mit abnehmender Temperatur deutlich abnehmen. Wie ausgeprägt dieser Effekt ist, hängt unter anderem vom PP-Typ, Copolymerstruktur, Additivierung und Verarbeitung ab.

 

 

Warum brechen PP-Bauteile manchmal, obwohl die Zugfestigkeit den Vorgaben entspricht?

Die Zugfestigkeit beschreibt nur einen Teil des mechanischen Werkstoffverhaltens. Ein Bauteil kann die geforderten Festigkeit aufweisen und dennoch brechen. Ursache können Kerben, Spannungskonzentrationen in konstruktiv ungünstig ausgelegten Bereichen und/ oder schlagartige Belastungen sein.Bei länger andauernder mechanischer Belastung kommt das zeitabhängige Verhalten von PP hinzu. Durch Kriechen können Verformungen über die Belastungsdauer zunehmen und sich Spannungszustände im Bauteil verändern. Für die umfassende Bewertung eines Bauteils kann deshalb neben Kurzzeitkennwerten auch die Charakterisierung der Risszähigkeit und des Bruchverhaltens und der Langzeiteigenschaften relevant sein.

 

 

Wie kann man feststellen, warum sich zwei PP-Chargen unterschiedlich verhalten?

Unterschiede zwischen PP-Chargen können verschiedene Ursachen haben, beispielsweise Unterschiede in Werkstoffzusammensetzung, Additivierung oder Verarbeitung. Welches Prüfverfahren sinnvoll ist, richtet sich deshalb nach der beobachteten Abweichung. Besonders hilfreich ist ein direkter Vergleich der auffälligen Charge mit einer Referenz unter identischen Prüfbedingungen.

 

Warum ist das Langzeitverhalten von PP nicht aus einem Zugversuch ableitbar?

Polypropylen zeigt ein zeitabhängiges Verformungsverhalten. Unter konstanter mechanischer Belastung kann die Verformung mit der Zeit zunehmen. Dieses Kriechen hängt unter anderem von Spannung, Temperatur, Belastungsdauer und Werkstofftyp ab. Kennwerte aus einem Kurzzeit-Zugversuch reichen daher nicht aus, um das Verhalten eines über längere Zeit belasteten PP-Bauteils zu beschreiben. Für solche Fragestellungen können Zeitstandversuche beziehungsweise Untersuchungen des viskoelastischen Langzeitverhaltens erforderlich sein.