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Im Bereich der Glastemperatur, oder
etwas genauer, für TG > T > 0,75
TG , zeigt die Spannungs - Dehnungskurve bei
"zähen" Polymeren ein neues Phänomen - die Streckung - das so in anderen Materialien nicht
beobachtet wird. |
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Hier ist eine typische Kurve zusammen mit den
Änderungen der Konformation: |
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Das Experiment dazu kann jeder selber
machen; viele Kunststoffe - z.B. Folienhüllen oder Bonbonhüllen -
sind geeignet. |
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Einfach einen langen Streifen herausschneiden,
und kräftig daran ziehen. Mit dem richtigen Material beobachtet man,
daß es sich mit relativ konstanter Kraft sehr lang ziehen
läßt; dabei wird es deutlich schmäler und dünner (und
außerdem oft milchig weiß). |
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Dabei bildet sich zuerst irgendwo eine
Einschnürung - manchmal auch an zwei Stellen gleichzeitig - die sich dann
ausbreitet. |
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Läßt man los, bleibt das Polymer
gedehnt - es ist also ein rundsätzlich anderes Verhalten als bei Elastomeren, die
eine
ähnliche, jedoch vollständig
elastische Spannungs - Dehnungskurve aufweisen. |
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Was strukturell geschieht, ist fast
mit dem bloßen Auge zu sehen: Die im unverformten Zustand mehr oder
weniger regellos verknäuelten (und relativ wenig vernetzten) Ketten werden
alle parallel ausgerichtet. Das Ende der plastischen Verformbarkeit ist
erreicht, wenn die Ketten auf maximale Länge gestreckt sind. |
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Das Material wird dann schnell hart und
reißt. |
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Manche Polymer sind von vornherein gestreckt -
entweder durch geeignete Herstellverfahren oder durch mechanische Streckung bei
erhöhter Temperatur. Dann haben wir die hochfesten
Kunststoffseile und -taue, die sich
größter Beliebtheit erfreuen. Das Spektrum reicht vom
"Nylonfaden", über Angelschnüre bis zu den dicken Tauen,
mit denen große Schiffe vertäut werden. |
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Verwebt man diese Fäden, bekommen wir
hochfeste Stoffe - für Segel, Anoraks, Verpackungsmaterial. |
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Der Mechanismus ist klar: Die
sekundären Bindungen können der wirkenden Spannung nicht standhalten,
die Ketten sind beweglich. |
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Die Zahl der "harten" Knoten ist zu
gering um die Streckung zu verhindern (und gummiartiges Verhalten zu
erzwingen);
Verschlaufungen leisten
zwar Widerstand, aber können die Streckung nicht verhindern. |
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Hat man ein Material das z.B. bei
Raumtemperatur schöne Streckung zeigt, ist klar, was bei Erhöhung der Temperatur passiert. |
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Die Streckung wird bei immer kleineren Spannungen
möglich, gleichzeitig wird das Material zunehmend viskos. |
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Bei Absenken der Temperatur wird das Polymer spröde
- aber zwischen Streckung und vollständiger Sprödigkeit (d.h. keine
plastische Verformung ist möglich) gibt es einen Übergangsbereich, den wir bei vielen Polymeren
des täglichen Gebrauchs beobachten können. |
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Man nennt diesen Bereich gelegentlich "Crazing"; dieses typische Verhalten haben wir
beispielsweise wenn wir versuchen ein Geodreieck oder Plastiklineal zu
biegen. |
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Das Lineal wird zwar schnell brechen, aber zuvor
verformt es sich doch noch ein bißchen plastisch. Die gebogene Stelle
wird dabei milchig weiß und undurchsichtig, außerdem sieht man oft
kurz vor dem Bruch feine Linien senkrecht zur Längsrichtung. |
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Was dabei genau geschieht, machen wir
uns wieder an einem Spannungs - Dehnungsdiagramm mit eingezeichneter Struktur
klar. |
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Wie beim
"gemeinen"
Sprödbruch wachsen Mikrorisse, die im Material latent
vorhanden waren oder sich an Oberflächendefekten bilden. |
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Aber im Übergangsbereich des
"Crazing" werden noch einige Fasern über dem Mikroriss hinweg
gestreckt (links gezeigt), so daß das Wachstum der Mikrorisse erschwert
wird. |
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Erst wenn für hohe Spannungen die
gestreckten Faserbündel reißen (rechts gezeigt), kann der
Mikroriß sich ausdehnen und das Material wird schließlich
brechen. |
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Die damit verbunden Inhomogenitäten streuen
das Licht - das Material wird weißlich-undurchsichtig. |
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Crazing, als eine eigentlich ziemlich
spezielle Verformungsart in einem kleinen Temperaturbereich der Elastomere,
wird deshalb bei Gebrauchspolymeren recht
häufig beobachtet, weil man natürlich das Polymer so
"eingestellt" hat, daß die Glastemperatur nur etwas über
der Raumtemperatur liegt. |
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Damit läßt sich der Thermoplast mit
dem geringstmöglichen Energieaufwand in die gewünschte Form bringen
und ist bei Raumtemperatur stabil. Außerdem ist vollständig
sprödes Verhalten in der Regel auch nicht erwünscht - der Bereich des
"Crazing" ist gerade richtig. |
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© H. Föll
