Citation:
Kratochvilla, T. R. (2008). Morphological considerations on slow crack growth in polyethylenes [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/183616
-
Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Hochschulschrift - Dissertation
de
Language:
English
-
Date (published):
2008
-
Number of Pages:
224
-
Keywords:
Polyethylen; langsames Risswachstum; Morphologie; Struktur; Eigenschaften; Aktivierungsenergie; Netzmittel; Notch Pipe Test
de
polyethylene; slow crack growth; morphology; structure; property; activation energy; wetting agents; notch pipe test
en
Abstract:
Das langsame Risswachstum (slow crack growth, SCG) von Polyethylen (PE) wurde in den letzten Jahren eingehend untersucht. Dies ist verbunden mit der ständigen Weiterentwicklung des Werkstoffes PE mit spezieller makromolekularer Architektur zu immer höheren Zeitstandfestigkeiten und erhöhtem Widerstand gegenüber langsamen Risswachstum, die neue Anwendungsfelder ermöglichen. Dieses langsame Risswachstum, das einen entscheidenden Kennwert zur Beurteilung der Lebensdauer eines Produktes darstellt, wird mit Zeitstandzugversuchen bei erhöhter Temperatur und mit beschleunigenden Substanzen (Netzmittel) untersucht. Bei PE-Typen der letzten Generation kann dies zu Prüfzeiten bis über ein Jahr führen. Beides, die Korrelationen der Morphologie mit dem Bruchverhalten sowie neue Ansätze für Kurzzeit-Laborversuche zur Beurteilung des langsamen Risswachstums wurden in dieser Arbeit näher untersucht.
Auf morphologischer Ebene wurden Parameter wie Kristallinität, kristalline und amorphe Lamellendicke sowie deren Gradienten im Wandaufbau, Eigenspannungen sowie elektronenmikroskopische Strukturuntersuchung der Morphologie untersucht und weiters die Seitenkettenverteilung (short chain branching, SCB), die Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Verbindungsmolekülen (tie molecules) und Lamellendickenverteilungen berechnet. Diese Parameter wurden für extrudierte Rohre unter verschiedenen Produktionsbedingungen sowie gepressten Platten mit normaler und langsamer Kühlung als Modellsysteme für Bauteile untersucht. Um das Bruchverhalten von Mehrschichtrohren zu beurteilen, wurden zwei verschiedene Mehrschichtrohr-Typen untersucht. Als Referenzen zu standard PE100 Typen wurden ausgewählte Versuche an definierten PE80 Materialen mit entsprechend niedrigen Bruchzeiten durchgeführt.
Das Bruchverhalten (Rissinitiierung und -wachstum) wurde mit dem 2-Notch Creep Test (2NCT), dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mit linear-elastischer (LEFM) und elastisch-plastischer bruchmechanischer (EPFM) Auswertung sowie mittels Bauteilprüfungen am Rohr (Notch Pipe Test, NPT) und zwei Prüfmodifikationen, die im Rahmen dieser Arbeit erstmals angewendet wurden, untersucht. Es zeigt sich, dass das makroskopische Verhalten nicht nur stark von den morphologischen Parametern geprägt ist sondern auch von den sich ausbildenden Gradienten in den verschiedenen Systemen (Bauteilen). Dies lässt Prüfergebnisse, ermittelt an Probekörpern von gepressten Platten, nur bedingt für Bewertungen oder Langzeitextrapolationen von extrudierten Rohren zu. Eine Korrelation der Medien-Zeitstandzugversuche (2NCT) mit dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mit linear-elastischer Auswertung ist nicht gegeben. Eine elastisch-plastische Auswertung hingegen führt zu einer anwendbaren Korrelation. Diese Differenzierung ist unter anderem in dem starken plastischen Verhalten von PE begründet, eine Eigenschaft die dem Werkstoff neben seinem Festigkeitsverhalten gleichzeitig auch ein Maß an Verformbarkeit vermittelt. Um das Bruchverhalten von Rohren zu beurteilen, wurden zwei Prüfmodifikationen zum international genormten Notch Pipe Test in dieser Arbeit erstmals untersucht. Diese beiden Methoden, die sich einer Pulsation des Innendrucks oder äußeren Netzmitteln mit statischer Belastung bedienen, führen zu wesentlich kürzeren Prüfzeiten bei langsamen Risswachstum. Mit diesen modifizierten Prüfverfahren lassen sich auch moderne PE-Werkstoffe beurteilen, die unter konventionellen Prüfbedingungen Prüfzeiten größer 15.000h bis zum Bruch benötigen würden.
Aus den Morphologie-Eigenschaftskorrelationen dieser Arbeit lässt sich keine universell gültige Aussage gewinnen. Die morphologischen Parameter und ihre graduellen Ausbildungen lassen jeweils eine Korrelation mit dem mechanischen Parametern und dem Bruchverhalten zu, wobei diese je nach zu Grunde liegendem System (Herstellungsprozess) different sein werden.
Die Auswirkung der Morphologie auf das makroskopische Verhalten hängt somit entscheidend vom jeweiligen System und all seinen Randbedingungen ab. Sind alle diese Faktoren bekannt und lassen sich diese schlüssig formulieren und auch berechnen, kann solch eine Gesamtkorrelation zukünftig gegeben werden.
Auf morphologischer Ebene wurden Parameter wie Kristallinität, kristalline und amorphe Lamellendicke sowie deren Gradienten im Wandaufbau, Eigenspannungen sowie elektronenmikroskopische Strukturuntersuchung der Morphologie untersucht und weiters die Seitenkettenverteilung (short chain branching, SCB), die Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Verbindungsmolekülen (tie molecules) und Lamellendickenverteilungen berechnet. Diese Parameter wurden für extrudierte Rohre unter verschiedenen Produktionsbedingungen sowie gepressten Platten mit normaler und langsamer Kühlung als Modellsysteme für Bauteile untersucht. Um das Bruchverhalten von Mehrschichtrohren zu beurteilen, wurden zwei verschiedene Mehrschichtrohr-Typen untersucht. Als Referenzen zu standard PE100 Typen wurden ausgewählte Versuche an definierten PE80 Materialen mit entsprechend niedrigen Bruchzeiten durchgeführt.
Das Bruchverhalten (Rissinitiierung und -wachstum) wurde mit dem 2-Notch Creep Test (2NCT), dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mit linear-elastischer (LEFM) und elastisch-plastischer bruchmechanischer (EPFM) Auswertung sowie mittels Bauteilprüfungen am Rohr (Notch Pipe Test, NPT) und zwei Prüfmodifikationen, die im Rahmen dieser Arbeit erstmals angewendet wurden, untersucht. Es zeigt sich, dass das makroskopische Verhalten nicht nur stark von den morphologischen Parametern geprägt ist sondern auch von den sich ausbildenden Gradienten in den verschiedenen Systemen (Bauteilen). Dies lässt Prüfergebnisse, ermittelt an Probekörpern von gepressten Platten, nur bedingt für Bewertungen oder Langzeitextrapolationen von extrudierten Rohren zu. Eine Korrelation der Medien-Zeitstandzugversuche (2NCT) mit dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mit linear-elastischer Auswertung ist nicht gegeben. Eine elastisch-plastische Auswertung hingegen führt zu einer anwendbaren Korrelation. Diese Differenzierung ist unter anderem in dem starken plastischen Verhalten von PE begründet, eine Eigenschaft die dem Werkstoff neben seinem Festigkeitsverhalten gleichzeitig auch ein Maß an Verformbarkeit vermittelt. Um das Bruchverhalten von Rohren zu beurteilen, wurden zwei Prüfmodifikationen zum international genormten Notch Pipe Test in dieser Arbeit erstmals untersucht. Diese beiden Methoden, die sich einer Pulsation des Innendrucks oder äußeren Netzmitteln mit statischer Belastung bedienen, führen zu wesentlich kürzeren Prüfzeiten bei langsamen Risswachstum. Mit diesen modifizierten Prüfverfahren lassen sich auch moderne PE-Werkstoffe beurteilen, die unter konventionellen Prüfbedingungen Prüfzeiten größer 15.000h bis zum Bruch benötigen würden.
Aus den Morphologie-Eigenschaftskorrelationen dieser Arbeit lässt sich keine universell gültige Aussage gewinnen. Die morphologischen Parameter und ihre graduellen Ausbildungen lassen jeweils eine Korrelation mit dem mechanischen Parametern und dem Bruchverhalten zu, wobei diese je nach zu Grunde liegendem System (Herstellungsprozess) different sein werden.
Die Auswirkung der Morphologie auf das makroskopische Verhalten hängt somit entscheidend vom jeweiligen System und all seinen Randbedingungen ab. Sind alle diese Faktoren bekannt und lassen sich diese schlüssig formulieren und auch berechnen, kann solch eine Gesamtkorrelation zukünftig gegeben werden.
Different in this work used extrusion parameters (output, cooling) only slightly influence the supermolecular morphology of polyethylene due to its high nucleation and crystallisation rates. The mainly affected quantity with higher output is the E-modulus, which increases. This causes a lowering in the notch-creep test results which is also based on an increased lamellar thickness. Morphological the outer pipe wall shows a significant different behaviour compared to the middle and inner pipe wall regions. This gradient mainly explains the differences between physical characteristics measured on compression moulded sheet specimens and extruded pipe wall ones. This can be seen by many morphological parameters as well as in their different correlations. Based on the results obtained in this work one can conclude, that material properties, especially for long term estimations, derived from measurements on compression moulded sheet specimens can not be directly used to predict the ones on extruded pipe samples. Because of that fact, tests on whole pipe specimens are of major importance when quantifying long term characteristics like slow crack growth behaviour. Therefore the international standardized notch pipe test was modified in this work in different ways, to generate slow crack growth values on pipe specimens in shorter times. Test conditions with pulsation in water and static pressure in wetting agents as outer media were used and slow crack growth failures generated. These results correlate very well with the 2NCT and conventional notch pipe test results in water for both materials tested. The time dependent diffusion behaviour of ARKOPAL N100 was investigated with FT-IR microscopy for polyethylene and the diffusion based theory (plasticisation hypothesis) confirmed. Tie molecule probabilities P were calculated using molecular parameters.
It was shown, that both materials PE1 and PE2 show nearly the same behaviour in probabilities to build tie molecules. Interesting seems the fact, that the compression moulded sheets show higher failure times in 2NCT although the tie molecule probabilities P are lower than the ones calculated for the extruded pipes with lower failure times in 2NCT. One would conclude that higher failure times in slow crack growth are based on higher probabilities to build tie molecules. This fact confirms that the failure behaviour of extruded pipes can not only be based on a small number of microscopic quantities like tie molecule probabilities P and is a superposition of different factors taking place during processing (e.g. crystallisation under shearing, formed residual stresses in the finished product). It has to be noted that the calculated parameter probability to build tie molecules P does not give an indication of the real tie molecule content.
Based on same morphological values measured on different finished parts (pipes, sheets) resulting in different macroscopic behaviour (e.g.
fracture behaviour) the system morphology - macroscopic behaviour can be described as an emergence one with the known physical concepts up to now. Correlations between the status of morphology and macroscopic behaviour can only be given for a specific technological system. One system can be defined as a finished part with the same morphological gradient, e.g. same production conditions. Different systems show different correlations between microscopic and macroscopic appearance.
This emergence behaviour has to be taken into account when considering macroscopic characteristics based on test results of other systems or samples made of one system. With the knowledge of the main morphological parameters and all the boundary conditions influencing the system as well as the ability to solve multi particle models we would be able to describe the macroscopic behaviour only based on the morphology for each system in a general way.
There are some essential microscopic parameters which are known to be necessary but not all are sufficiently determined to guarantee an optimal macroscopic behaviour of the finished product. The kinetic of the ensemble of these parameters has to be studied in a more detailed way in the different systems, to find a more general concluding remark.
It was shown, that both materials PE1 and PE2 show nearly the same behaviour in probabilities to build tie molecules. Interesting seems the fact, that the compression moulded sheets show higher failure times in 2NCT although the tie molecule probabilities P are lower than the ones calculated for the extruded pipes with lower failure times in 2NCT. One would conclude that higher failure times in slow crack growth are based on higher probabilities to build tie molecules. This fact confirms that the failure behaviour of extruded pipes can not only be based on a small number of microscopic quantities like tie molecule probabilities P and is a superposition of different factors taking place during processing (e.g. crystallisation under shearing, formed residual stresses in the finished product). It has to be noted that the calculated parameter probability to build tie molecules P does not give an indication of the real tie molecule content.
Based on same morphological values measured on different finished parts (pipes, sheets) resulting in different macroscopic behaviour (e.g.
fracture behaviour) the system morphology - macroscopic behaviour can be described as an emergence one with the known physical concepts up to now. Correlations between the status of morphology and macroscopic behaviour can only be given for a specific technological system. One system can be defined as a finished part with the same morphological gradient, e.g. same production conditions. Different systems show different correlations between microscopic and macroscopic appearance.
This emergence behaviour has to be taken into account when considering macroscopic characteristics based on test results of other systems or samples made of one system. With the knowledge of the main morphological parameters and all the boundary conditions influencing the system as well as the ability to solve multi particle models we would be able to describe the macroscopic behaviour only based on the morphology for each system in a general way.
There are some essential microscopic parameters which are known to be necessary but not all are sufficiently determined to guarantee an optimal macroscopic behaviour of the finished product. The kinetic of the ensemble of these parameters has to be studied in a more detailed way in the different systems, to find a more general concluding remark.
en
Additional information:
Zsfasssung in dt. Sprache
-
Appears in Collections:
Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
