Continuum mechanical representation of the process-dependent caloric and thermomechanical behaviour of semicrystalline polymers
Final Report Abstract
Im Rahmen der an den beiden Forschungsstellen in München und in Karlsruhe durchgeführten Arbeiten wurden in enger Kooperation zwei neue modelltheoretische Ansätze entwickelt und an im Projekt entstandene experimentelle Daten angepasst. Die theoretischen Untersuchungen sowie die numerischen Simulationen haben gezeigt, dass beide Ansätze Potential haben und an verschiedenen Stellen deutlich über das vorgeschlagene Konzept hinausgehen, welches Grundlage für den Antrag war. Der Vorteil der mikromechanischen Modellierung liegt darin, dass phasenspezifische Spannungen und Deformationen berechnet werden können. Die kalorischen Eigenschaften können mit dem mikromechanischen Modell sehr gut abgebildet werden. Es kann geschlussfolgert werden, dass der Ansatz einer dissipativen Evolution der Grenzfläche gegenüber der rein thermoelastischen Energieminierung vorzuziehen ist, da dann Prozessabhängigkeiten berücksichtigt werden können. Auf experimenteller Seite hat sich gezeigt, dass sich das kalorische Verhalten des teilkristallinen PET (Polyethylenterephthalat) sehr gut mit der an der UniBw vorhandenen DSC-Messtechnik untersuchen lässt. Der Zugversuch funktioniert unterhalb des Glasübergangs gut. Der Druckversuch mit unterdrückter Querausdehnung, ist auf die geringe Formänderungssteifigkeit der Probe im Temperaturbereich zwischen Glasübergang und Kristallisation angewiesen, damit die elementare Annahme des isostatischen Spannungszustands gewährleistet ist. Bei weiterer Erwärmung in den Kristallisationsbereich und längerer Versuchsdauer steigt die Formänderungssteifigkeit der Probe durch die Kristallisation jedoch signifikant an. In beiden Versuchen ist die Unterscheidung zwischen tatsächlichen materiellen Veränderungen (z.B. Steifigkeit) und volumetrisch bedingten Veränderungen schwierig. So führt z.B. beim Druckversuch der kristallisationsbedingte Volumenschwund dazu, dass die Probe nicht mehr an der Innenwand des Probenzylinders anliegt, weshalb die Querausdehnung nicht mehr unterdrückt wird. Eine Herausforderung ist das wiederholbare Einstellen bestimmter Kristallisationszustände innerhalb der mechanischen Versuche. Die verzögerte Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion mit gasförmigen Medien, dem kommerziell erwerbbaren Stand der Technik, ist dazu kaum geeignet. Im Kristallisationsbereich oberhalb von 140°C kommt erschwerend hinzu, dass die Proben innerhalb 1-2 Minuten den maximalen Kristallisationsgrad erreichen. Der Einsatz von flüssigen Medien zur Temperierung sollte einen präziseren und höheren Wärmestrom zur Probe ermöglichen. Vorversuche mit eigenen Konstruktionen waren vielversprechend. Jedoch reichte die Projektzeit nicht aus, um diese Entwicklung reifen zu lassen. Hinsichtlich der Messung des volumetrischen Ausdehnungsverhaltens konnten auch nach gründlicher Literaturrecherche neben der gescheiterten alternativen Methode keine weiteren Verfahren gefunden werden. Vielversprechend scheint die Untersuchung der Wärmeausdehnung per digitaler Bildkorrelation zu sein. So besteht nach wie vor Entwicklungsbedarf bei volumetrischen sowie mechanischen Versuchen von Thermoplasten in größeren Temperaturbereichen, die insbesondere den Glasübergang und die Schmelztemperatur einschließen. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, die vorhandenen Versuchsaufbauten weiter zu entwickeln oder neue Aufbauten zu entwickeln, die mit den sich stark ändernden mechanischen Materialeigenschaften der Polymere in großen Temperaturbereichen zurechtkommen.
Publications
- 2018: Constitutive modeling of the thermal induced crystallization in semicrystalline polymers, GAMM Conference, Munich, Germany, 19.-23.03.2018
Mittermeier, C.
- 2019: Laminate-based modeling of semicrystalline polymers, GAMM Conference, Vienna, Austria, 18.-22.02.2019
Ruck, J., Kloza, P., Gajek, S., Böhlke, T.
- 2020: Challenges in the experimental investigation of the caloric and thermomechanical behaviour of semi-crystalline polymers: A study on the example of polyethylene terephthalate (PET). Polymer Testing, 81, 106252
Mittermeier, C., & Lion, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.106252) - 2020: On the micromechanics of deep material networks: Journal of the Mechanics and Physics of Solids
Gajek, S., Schneider, M., Böhlke, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.103984)
