Ist es glasgefüllt oder glasverstärkt?

Vor einigen Monaten habe ich einen Artikel geschrieben, in dem die Eigenschaften von Acetalhomopolymer und -copolymer verglichen wurden. In diesem Artikel erwähnte ich, dass Glasfasern an Acetalcopolymer, aber nicht an Homopolymere „gekoppelt“ (gebunden) werden können; und als Ergebnis waren die Vorteile des Einbringens von Glasfasern in das Copolymer größer. Nun, wie sich herausstellte, führte einer der größten Anbieter von Acetal-Homopolymeren, obwohl ich nicht aufpasste, ein paar echte glasfaserverstärkte Acetal-Homopolymere ein.

GEFÜLLT VS. VERSTÄRKTES ACETAL

Tabelle 1 zeigt das Eigenschaftsprofil von ungefülltem Acetalhomopolymer zusammen mit den typischen 20 % glasgefüllten Typen und neuen Typen, die 10 % und 25 % Glas enthalten, wo die Faser an die Polymermatrix gekoppelt ist. Die Festigkeitsunterschiede sind offensichtlich und dies ist ein hervorragendes Beispiel für den Unterschied zwischen einem glasgefüllten Material und einem glasfaserverstärkten Material. Dies ist eine ausführliche Diskussion wert, da diese Unterscheidung auch für einige andere Polymere existiert.

Es beginnt mit der Faser. Diese bieten größere Leistungsverbesserungen als typische Füllstoffe, da sie ein sogenanntes Seitenverhältnis aufweisen. Bei Fasern ist dies das Verhältnis von Länge zu Durchmesser. Je größer das Seitenverhältnis, desto besser die Eigenschaftsverbesserung. Die Einführung von Langfaserverstärkungen in den 1980er Jahren sollte dieses Prinzip nutzen, indem die Ausgangsfaserlänge in Pellets von 2-3 mm auf 11-12 mm erhöht wurde.

Vor der Einführung der modernen Langglas-Compounds wurden zwar langfaserige Werkstoffe mit Faserlängen bis zu 6 mm (1/4 in.) angeboten, jedoch wurden die neuen Compounds so hergestellt, dass die „Benetzung“ bzw. die Oberfläche maximiert wurde Kontakt zwischen Polymer und einzelnen Glasfasern. Die andere Möglichkeit zur Verbesserung des Aspektverhältnisses besteht darin, Fasern mit typischen Längen, aber kleineren Durchmessern zu verwenden, die als Whisker bezeichnet werden.

Die Oberflächen der beim Polymercompoundieren verwendeten Glasfasern werden typischerweise behandelt oder geschlichtet, um die Haftung des Polymers an dem Glas zu verbessern. Unterschiedliche Schlichten sind für unterschiedliche Polymere optimal. In manchen Fällen reicht aber auch eine gute Schlichte nicht aus, um eine optimale Verbindung zwischen Polymer und Faser herzustellen. Diese Bindung ist wichtig, da Glasfasern die Festigkeit erhöhen, indem sie die Belastung des Materials bewältigen, wenn das Polymer beginnt, einer mechanischen Überlastung ausgesetzt zu sein. Die Fasern sind stärker als die Polymermatrix und erhöhen somit die Festigkeit des gesamten Compounds. Wenn die Bindung zwischen Polymer und Glasfaser jedoch schwach ist, ist die Lastübertragung nicht effizient und die Vorteile des Glases werden nicht genutzt.

Wenn die Glasfaser dem Polymer ohne gute Bindung einfach hinzugefügt wird, wird das Material mit Glas gefüllt. Bei optimaler Bindung zwischen den Phasen wird das Material glasfaserverstärkt. Der Unterschied, wie in Tabelle 1 gezeigt, ist signifikant.

Beachten Sie, dass die Festigkeit des glasgefüllten Acetals zwar geringer ist als die des ungefüllten Materials, die verstärkten Materialien jedoch immer stärker sind. Tatsächlich ist ein 10 % glasfaserverstärkter Typ über 35 % fester und fast so steif wie ein 20 % glasfaserverstärkter Typ bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung um 5 %. Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine effizientere Verwendung derselben Zutaten, um ein besseres Endergebnis zu erzielen.

FORTSCHRITT BEI DER CHEMISCHEN KUPPLUNG

Polypropylen ist ein weiteres Polymer, bei dem der Prozess der Zugabe von Glasfasern eine Weiterentwicklung erfahren hat. Die ursprünglichen Materialien waren nur mit Glas gefüllt. PP ist ein unpolares Polymer, an dem nicht viel haften bleibt, auch nicht an Glasfasern. Aber in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren begannen einige Anbieter mit einem Verfahren zu arbeiten, das als chemische Kupplung bekannt ist. Dies beinhaltete kleine Anpassungen an der Chemie des Polypropylen-Rückgrats, um Polarität einzuführen. Diese Polarität verbesserte die Bindung zwischen dem Polymer und den Glasfasern, wodurch die in Tabelle 2 gezeigte Art der Eigenschaftsverbesserung erzeugt wurde.

Diese Entwicklung schuf einen neuen Markt für PP als Werkstoff, der mit einigen technischen Thermoplasten konkurrieren konnte. Da die Endverbraucher dieses Potenzial an ihre Grenzen trieben, führten Verbesserungen der chemischen Kopplung zu weiteren Verbesserungen. Diese Verbesserungen waren nicht unbedingt auf dem Datenblatt ersichtlich, führten jedoch zu einer besseren Leistung bei Langzeitanwendungen mit Mechanismen wie Ermüdung und Kriechen. Eine Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit um 10 % erregt möglicherweise nicht alle Aufmerksamkeit, aber eine Verbesserung der Kurzzeiteigenschaften dieser Größenordnung kann die Ermüdungslebensdauer eines Produkts verdoppeln.

PVC hat eine ähnliche Reihe von Verbesserungen erfahren, wobei die Kupplungstechnologie die Leistung von glasfaserverstärkten Materialien gegenüber glasfaserverstärkten Materialien erhöht.

Die Langzeitleistung in bestimmten Umgebungen kann auch verbessert werden, indem die Art und Weise geändert wird, in der das Polymer und die Glasfaser gekoppelt sind. PPS-Compounds werden fast immer mit erheblichen Glasfaseranteilen verkauft. Einer der Vorteile von PPS besteht darin, dass es eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit aufweist und eine der Chemikalien, denen es sehr gut standhält, ist heißes Wasser, auch wenn das Wasser gechlort ist. Viele andere technische Materialien wie Acetal, Nylon und thermoplastische Polyester hydrolysieren in heißen, nassen Umgebungen, während PPS sehr gut hält.

In den frühen Jahren des Einsatzes von glasfaserverstärktem PPS in heißen, wässrigen Umgebungen zeigten die Materialien jedoch frühe rätselhafte Ausfälle. Bewertungen der fehlerhaften Teile zeigten, dass das Polymer zwar nicht durch das heiße Wasser beschädigt wurde, die Bindung zwischen dem Polymer und dem Glas jedoch brach. Bei geschwächter Schnittstelle verloren die Teile ihre strukturelle Integrität und versagten. Neue Kupplungstechnologien haben dieses Problem gelöst.

Es gibt andere Variablen, die manipuliert werden können, um die Leistung von Polymeren mit Glasfasern zu verbessern. Die Zusammensetzung der Glasfasern ist eine dieser Variablen. Der überwiegende Teil der in Polymercompounds verwendeten Glasfasern wird als E-Glas bezeichnet. Dies bezeichnet eine bestimmte Chemie im Glas und geht mit einer bestimmten Eigenschaftskombination einher. Es sind jedoch andere Glaschemien erhältlich, die der Polymermatrix andere Eigenschaften verleihen können, jedoch zu Kosten, die normalerweise nicht als die zusätzlichen Kosten angesehen werden.

Eine weitere interessante Variable ist die Geometrie der Glasfaser. Die Querschnittsform der meisten Glasfasern ist kreisförmig. In den 1990er Jahren wurden einige interessante Arbeiten an Glasfasern mit zwei- oder dreilappigen Querschnitten durchgeführt. Dies vergrößerte die Kontaktfläche zwischen den Glasfasern und der Polymermatrix und führte zu einigen interessanten Verbesserungen der mechanischen Leistung. Dies war jedoch auch ein Weg zur Verbesserung der Eigenschaften, bei denen das Preis-Leistungs-Verhältnis als nicht attraktiv angesehen wurde, obwohl diese Konfigurationen in der Teppichindustrie verwendet werden, um die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen und sogar bestimmte optische Effekte zu erzielen.

Aber selbst im Bereich der typischen Materialmischung ist es wichtig zu verstehen, dass die Zusammensetzung der Materialien zwar wichtig ist, aber die Art und Weise, wie die Materialien zusammengesetzt und miteinander verbunden werden, einen erheblichen Einfluss auf die Leistung hat, insbesondere auf die Langzeitleistung. Bei all der Aufmerksamkeit, die in letzter Zeit in der Automobilindustrie der Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Leistung gewidmet wurde, ist dies ein Grundsatz, den man sich unbedingt merken sollte.

Über den Autor

Michael Sepe ist ein unabhängiger Material- und Verarbeitungsberater mit Sitz in Sedona, Arizona, mit Kunden in ganz Nordamerika, Europa und Asien. Er verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, Konstruktion auf Herstellbarkeit, Prozessoptimierung, Fehlersuche und Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 • [email protected].