Prozessinduzierte Morphologie und Ermüdungseigenschaften von PEEK: 3D-Charakterisierung und Korrelation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Georg Herrmann; Professor Dr.-Ing. Markus Stommel
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536525135

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein teilkristalliner Thermoplast, dessen Bedeutung als Struktur- und Funktionswerkstoff in biomedizinischen und Leichtbau-Anwendungen wächst. Die Morphologie in teilkristallinen Thermoplasten besitzt einen signifikanten Einfluss auf das Ermüdungsverhalten. Im Spritzgießprozess kann die Morphologie gezielt durch die Prozessparameter Druck und Temperatur beeinflusst werden. Scherinduzierte und thermisch induzierte Kristallisation finden dabei konkurrierend statt und bildet geometrisch verschiedene Strukturen aus. In PEEK entstehen bereits in der Schmelze scherbedingte uniaxial nematische Strukturen (Flüssigkristall). Scherinduzierte Kristalle weisen, im Gegensatz zu thermisch induzierten, stark anisotrope Eigenschaften auf. Aufgrund des steifen Verhaltens in Kettenrichtung bei PEEK ist diese scherinduzierte Anisotropie vermutlich besonders ausgeprägt. Der Stand der Forschung weist darauf hin, dass bei Ermüdungsbelastung der Schädigungsmechanismus bei anderen teilkristallinen Polymeren in der Morphologie begründet ist. Zudem bestimmt das Verhältnis und die Veränderung des Verhältnisses aus elastischer zu dissipierter Energie die Lebensdauer. Daher verfolgt das Projekt das Ziel, die spritzgießinduzierte Morphologie von PEEK mit dem Ermüdungsverhalten zu korrelieren. Die damit erzielten Erkenntnisse tragen zum Verständnis des Morphologieeinflusses auf die Schädigungsmechanismen und zur gezielten Beeinflussung der Ermüdungseigenschaften bei. Zur Charakterisierung kommen zur Zeit Verfahren mit zerstörenden Präparationsschritten zum Einsatz mit denen Kristallstrukturen im Probeninneren auflösbar sind. Aufgrund der Zerstörung der Probe ist hierbei die Schädigungsentwicklung nur eingeschränkt untersuchbar. Einen erheblichen Mehrwert bietet dagegen die hochfrequente Ultraschallprüfung (HF-US), die aufgrund vielversprechender Voruntersuchungen zur dreidimensionalen Charakterisierung der Polymermorphologie (Fließlinien und Eigenschaftsgradienten) befähigt werden soll. Während der Ermüdung erfolgt die Untersuchung der Morphologie durch eine Kombination des HF-US mit in situ Lock-In Thermografie. Dabei steht einerseits die Korrelation der Messsignale mit den Polymereigenschaften und andererseits die Korrelation der spritzgießinduzierten Morphologie mit dem Ermüdungsverhalten im Fokus. Es erfolgen Ermüdungsversuche, in denen der Einfluss der elastischen und dissipativen Eigenschaften und der scher- bzw. thermisch induzierten Morphologie auf das Ermüdungsverhalten untersucht wird. Diese Untersuchungen befähigen die Messmethodik zur Charakterisierung der lokalen Morphologie und zeitgleich bietet das zerstörungsfreie in-situ Verfahren einen Mehrwert bei der Ermüdungsprüfung. Abschließend wird eine Übertragung der Erkenntnisse auf Polypropylen untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen