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Mechanische Eigenschaften von Polystyrol

Spannungsrissbildung

Spannungsrisse entstehen bei Kunststoffen durch andauernde Belastungen mit Zugspannungen weit unterhalb der Streckspannung des Werkstoffes. Zugspannungen können Bauteile z.B. bei Montage oder Gebrauch ausgesetzt sein. Doch es müssen nicht unbedingt solche äußeren Spannungen sein, die zur Spannungsrissbildung führen. Innere, im Material verborgene Spannungen bewirken das Gleiche. Solche Eigenspannungen können sich aufbauen, wenn der Werkstoff nach einer Wärmebehandlung (Extrusion, Spritzgießen, Warmformen, Schweißen, ...) schrumpft.

Spannungsrisse entstehen aus so genannten Crazes. Crazes sind rissähnliche Schädigungszonen, in denen anders als beim Riss keine vollständige Werkstofftrennung erfolgt ist. Sie besitzen folgende Eigenschaften:

  • Crazes sind Mikrohohlräume, die durch Fibrillen aus stark plastisch verstecktem Polymer verbrückt sind.
  • Sie sind schmal, länglich und gegen die plastisch nicht verformte Umgebung scharf abgegrenzt.
  • Sie können Lasten tragen, da die Trennung nicht vollständig ist.

Die Entstehung von Crazes und Spannungsrissen wird durch Orientierungsvorgänge begünstigt. Zum Beispiel haben die hohen Fließgeschwindigkeiten beim Extrudieren und Spritzgießen Scherkräfte zur Folge, die die Polymermoleküle strecken. Durch diese Streckung sind die Polymermoleküle weniger stark miteinander verknäult. Damit wird das Material senkrecht zur Fließrichtung spannungsrissempfindlich.

Häufig führt der Kontakt mit einem anderen Medium zur Bildung von Crazes oder Spannungsrissen. Eindiffundierendes Medium erhöht die Beweglichkeit von Kettensegmenten und beschleunigt so die Entschlaufung der Polymerketten. Solche Spannungsrisskorrosion ist auch Ursache für die Crazebildung in dem abgebildeten Messbecher aus Polystyrol.

Abb.1
Abb.2
Bodenansicht
Abb.3
Seitenansicht

Oberhalb einer bestimmten Füllhöhe sind keine Crazes mehr sichtbar. Bis zu dieser Höhe muss das korrodierend wirkende Medium in dem Messbecher gestanden haben. Die Längsrichtung der Crazes ist durch die Orientierung der Polymermoleküle bestimmt. Da die Streckung der Polymermoleküle in Fließrichtung der Schmelze erfolgt ist, folgen auch die Crazes der Fließrichtung.

In der Nähe des Angusskanals haben sich keine Crazes gebildet. Hier war die Temperatur während des Spritzgießens so hoch, dass die Polymermoleküle teilweise relaxieren konnten. Sie konnten teilweise wieder verknäulen, bevor sich die Polymerschmelze verfestigte.

Die Sprünge sind Folge eines Stoßes und damit keine Spannungsrisse. Auch im Fall dieser Bruchlinien zeigt sich der Einfluss der Orientierung der Polymermoleküle; die Bruchlinien folgen in der Regel der Fließrichtung der Polymerschmelze, weil in dieser Richtung die Brucharbeit (Oberflächenarbeit) am niedrigsten ist.

Standard-Polystyrol neigt stark zur Spannungsrissbildung und auch zur Spannungsrisskorrosion. Korrodierend wirkende Medien sind u.a. Fette, Öle und viele organische Lösemittel.

SAN und ABS sind weniger spannungsrissempfindlich als Standard-PS. Außerdem gibt es spannungsrissbeständige PS-I-Typen mit besonders großen Polybutadien-Teilchen.

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