Umgebungsbedingte Spannungsrissbildung

Wird ein Kunststoff an der Luft unterhalb seiner Streckgrenze mechanisch belastet, so können nach einem Zeitraum, der sehr lang sein kann, Spannungsrisse auftreten. Ursache können innere oder äußere Spannungen sein oder eine Kombination von beiden. Die gleichzeitige Beanspruchung durch ein chemisches Medium kann zu einer drastischen Verkürzung der Zeitspanne bis zum Bruch führen. Dieses Phänomen wird als umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (environmental stress cracking = ESC) bezeichnet.

Mechanismus

ESC wird üblicherweise auf folgende Prozesse zurückgeführt:

  1. Bildung von Mikrohohlräumen in Probekörpern durch mikroskopisch kleine Spannungskonzentration nach Aufbringen einer mechanischen Spannung
  2. Bildung und anschließendes Wachstum von Makrohohlräumen, hervorgerufen durch die Aufspaltung intermolekularer Bindungen in benachbarten Hohlräumen, die durch die chemische Umgebung bewirkt wird, und Bildung von Crazes
  3. Wachstum der Haarrisse, verursacht durch Zerreißen der Fibrillen infolge der aufgebrachten Spannung und Kontakt mit der chemischen Umgebung
  4. Schließlich breitet sich an der Spitze des Haarrisses ein Riss aus, der zum Sprödbruch führt. Die Risse können die Dicke des Materials vollständig durchwandern und es in zwei oder mehrere Stücke trennen oder sie können zur Ruhe kommen, sobald sie in Bereiche gelangen, in denen eine geringere Spannung oder unterschiedliche Materialmorphologie herrscht.

Messmethodik

Die Bestimmung der ESC ist kompliziert, weil sie von vielen Parametern beeinflusst wird, u. a. von:

In DIN EN ISO 22088 sind fünf verschiedene Verfahren zur ESC-Bestimmung genormt:

  1. Verfahren, bei dem ein Probekörper, während er bei festgelegter Temperatur in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist, einer konstanten Zugbelastung ausgesetzt wird.
  2. Verfahren, bei dem Kunststoffstreifen unter konstanter Biegezugdehnung angeordnet und für eine zuvor festgelegte Zeitdauer einem Spannungsrisse bewirkenden Medium ausgesetzt sind.
  3. Verfahren, bei dem in den Probekörper ein Loch mit vorgegebenem Durchmesser gebohrt und eine Kugel oder ein Rundstift mit Übermaß in die Bohrung hineingedrückt wird, während der Probekörper mit einem Spannungsrisse bewirkenden Medium in Kontakt gebracht wird.
  4. Verfahren, bei dem auf einen Probekörper eine konstante Zugverformungskraft ausgeübt wird, während dieser bei einer für die Prüfung ausgewählten Temperatur in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist.
  5. Verfahren, bei dem auf einen Probekörper eine niedrige Dehnrate angewendet wird, während dieser in ein Spannungsrisse bewirkendes Medium eingetaucht ist.

Gegenstand ist jeweils die Bestimmung der relativen Auswirkung der Belastung durch chemische Medien (Umgebung) auf Kunststoffe (Probekörper und Fertigteile). Es ist jedoch kaum möglich, einen Zusammenhang zwischen den Ergebnissen von ESC-Kurzzeitmessungen an Probekörpern und dem tatsächlichen Gebrauchsverhalten von Fertigteilen herzustellen.

Full Notch Creep Test

Der Full Notch Creep Test (FNCT) ist eine der Prüfmethoden zur Bestimmung des langsamen Risswachstumsverhaltens von Polyethylen unter Wirkung eines Netzmittels, das zur Beschleunigung des Versuchs eingesetzt wird. Der FNCT ist in der Vorschrift ISO 16770 "Plastics – Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene – Full-notch creep test (FNCT)" international geregelt und auch auf Deutsch verfügbar als Kunststoffe – Bestimmung der Spannungsrissbeständigkeit von Polyethylen unter Medieneinfluss (ESC) – Kriechversuch an Probekörpern mit umlaufender Kerbe (FNCT). Die aktuelle Fassung ist die zweite Ausgabe vom September 2019, die die Ausgabe von 2004 ersetzt hat.

Versuchsprinzip

Als Proben kommen rechteckige gefertigte Muster, vorzugsweise in der Größe 10×10×100 mm³, aus gepressten Platten oder Fertigprodukten (z. B. aus einer Rohrwand) zum Einsatz. Diese werden mit einer umlaufenden Kerbe (full notch) versehen, die zur Rissinitiierung dient. Zur Versuchsbeschleunigung wird bei erhöhter Temperatur (50–95 °C) und unter der Wirkung eines Netzmittels (ARKOPAL N100 bzw. ARKOPAL N110) geprüft. Die Probekörper werden unter diesen Umweltbedingungen einer konstanten Last ausgesetzt und die Zeit bis zum Bruch detektiert. Diese Lasten werden so gewählt, dass üblicherweise Spannungen von 4 bis 5 MPa im gekerbten Restquerschnitt der Probe wirken und langsames Risswachstum – slow crack growth (SCG) stattfindet. Da der Versuch in einem Netzmittel stattfindet, zählt man ihn auch zur umgebungsbedingten Spannungsrissbildung.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. 1 2 Maximilian Thuy, Miquel Pedragosa-Rincón, Ute Niebergall, Harald Oehler, Ingo Alig, Martin Böhning: Environmental Stress Cracking of High-Density Polyethylene Applying Linear Elastic Fracture Mechanics. In: Polymers. Band 14, Nr. 12, 2022, doi:10.3390/polym14122415 (englisch).
  2. ↑ Jeffrey A. Jansen: Environmental Stress Cracking – The Plastic Killer. In: Advanced Materials & Processes. Juni 2004, S. 50–53 (englisch, madisongroup.com [PDF; abgerufen am 9. Oktober 2026]).
  3. 1 2 Internationale Organisation für Normung (Hrsg.): ISO 22088-1:2006. Plastics – Determination of resistance to environmental stress cracking (ESC) – Part 1: General guidance. 2006 (englisch, ansi.org [PDF; abgerufen am 9. Oktober 2026] Vorschau).
  4. 1 2 ISO 16770:2019. Plastics – Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene – Full-notch creep test (FNCT). Internationale Organisation für Normung, abgerufen am 9. Oktober 2026 (englisch).
  5. ↑ Full Notch Creep Test (FNCT). In: wiki.polymerservice-merseburg.de. Polymer Service GmbH Merseburg, abgerufen am 9. Oktober 2026 (englisch).