Die Wasseraufnahme von Polymeren: Vom Zustand des Wassers zur Leistungskontrolle

Eine scheinbar trockene Charge von Kunststoffpellets kann bei der Verarbeitung bei hohen Temperaturen Blasen bilden und einen Festigkeitsverlust erleiden.

Diese Phänomene hängen alle mit den wasserabsorbierenden Eigenschaften von Polymeren zusammen, es kommt jedoch nicht nur darauf an, „wie viel Wasser absorbiert wurde“.

01 | Die drei Zustände des Wassers Sobald Wasser in ein Polymermaterial eindringt, liegt es in drei verschiedenen Formen vor.

1. Freies Wasser: Freies Wasser verbleibt in den Poren, Rissen oder auf der Oberfläche des Materials, ohne eine wesentliche Bindung mit den Molekülketten einzugehen.

(1) Es zieht leicht ein und lässt sich leicht entfernen (durch Erhitzen oder Anlegen eines Vakuums).

(2) Es bewirkt in erster Linie eine Volumenausdehnung oder Oberflächenbenetzung.

(3) Seine Auswirkungen sind begrenzt und der Prozess ist reversibel.

2. Physikalisch gebundenes Wasser: Physikalisch gebundenes Wasser bildet Wasserstoffbrücken mit polaren Gruppen an Polymerketten (wie Hydroxyl-, Amid- und Carboxylgruppen).

(1) Die Haftfestigkeit ist mäßig und ein Teil des Wassers kann entfernt werden

(2) Es senkt die Glasübergangstemperatur (Tg) und erhöht die Segmentmobilität

(3) Das Material wird weicher und duktiler, aber Festigkeit und Modul nehmen ab

(4) Der Hauptgrund für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Materialien wie Nylon und PVA nach der Wasseraufnahme

3. Chemisch gebundenes Wasser: Unter chemisch gebundenem Wasser versteht man Wassermoleküle, die direkt an den chemischen Reaktionen von Polymeren beteiligt sind; Das häufigste Beispiel ist die Hydrolyse.

(1) Irreversibel; Molekülketten brechen

(2) Dauerhafte Verschlechterung der Materialeigenschaften; kann durch Trocknen nicht wiederhergestellt werden

Freies Wasser hat den geringsten Einfluss; physikalisch gebundenes Wasser verändert Eigenschaften; chemisch gebundenes Wasser zerstört die Struktur.

02 | Die technische Bedeutung der Wasserabsorptionsrate In Materialdatenblättern wird häufig die „Wasserabsorptionsrate“ aufgeführt. Beispielsweise beträgt der Anteil von PA6 etwa 2 %, während der Anteil von PP nahezu 0 % beträgt. Der bloße Vergleich dieser Zahlen kann jedoch dazu führen, dass wichtige Informationen verloren gehen.

Nylon: Hohe Festigkeit im trockenen Zustand; Nach der Wasseraufnahme nimmt die Festigkeit ab und die Zähigkeit zu. Ingenieure müssen ein Gleichgewicht zwischen Stärke und Zähigkeit finden.

Polyolefine (PP, PE): Absorbieren praktisch kein Wasser und weisen eine gute Umweltstabilität auf, ihnen fehlt jedoch die härtende Wirkung von Wassermolekülen, wodurch sie bei niedrigen Temperaturen spröder werden.

Die Wasseraufnahme spiegelt die Fähigkeit der Polymerstruktur wider, auf externe Moleküle zu reagieren. Je mehr polare Gruppen vorhanden sind und je lockerer die Molekülkettenanordnung ist, desto größer ist die Wasseraufnahme. Dies ist kein Nachteil, sondern eine Eigenschaft des Materials. Bei der Auswahl der Materialien sollte berücksichtigt werden, wie viel Wasser das Material in der Betriebsumgebung aufnimmt, in welcher Form das absorbierte Wasser vorliegt und ob die Auswirkungen auf die Leistung akzeptabel sind.

03 | Gängige Testmethoden

Nur durch die Kombination dieser Methoden können wir über die bloße „Wasserabsorptionsrate“ hinausgehen und die „Form, in der Wasser existiert, und seine Wirkungen“ erforschen.

04 | Der Einfluss der Wasseraufnahme auf die Leistung

Dimensionsveränderungen: Durch Wasseraufnahme kommt es zu einer Volumenausdehnung, die erhebliche Auswirkungen auf Präzisionsbauteile, optische Folien, Dichtungen und Ähnliches hat.

Mechanische Eigenschaften: Die Festigkeit nimmt ab und der Elastizitätsmodul nimmt ab, während Bruchdehnung und Zähigkeit zunehmen.

Elektrische Eigenschaften: Da Wasser ein polares Molekül ist, führt die Wasseraufnahme zu einer Verringerung des spezifischen Widerstands und einer Verschlechterung der Isoliereigenschaften.

Chemischer Abbau: Chemisch gebundenes Wasser löst eine Hydrolyse aus, was zum Aufbrechen von Molekülketten und einem dauerhaften Leistungsverlust führt. Darüber hinaus variiert die Reversibilität von Wasser je nach Form:

Freies Wasser: Vollständig reversibel

Physikalisch gebundenes Wasser: Teilweise reversibel

Chemisch gebundenes Wasser: Irreversibel

Um festzustellen, ob ein Materialversagen reversibel ist, muss zunächst die Form identifiziert werden, in der das Wasser vorliegt.

05 | Methoden zur Kontrolle der Feuchtigkeitsaufnahme

1. Materialauswahl

Für geringe Feuchtigkeitsaufnahme: Unpolare Materialien wie PP, PE und PTFE wählen

Für Materialien, die zur Feuchtigkeitsaufnahme neigen, wie Nylon und PBT: Reduzieren Sie die Polarität durch Copolymerisation durch Einführung hydrophober Monomere

2. Verarbeitungskontrolle

Hygroskopische Materialien (PA66, PET, PC usw.) müssen vor dem Spritzgießen oder Extrudieren gründlich getrocknet werden

Gängige Ausstattung: Vakuumtrockenöfen, Entfeuchtungstrockner

Verarbeitung ohne Trocknung: Feuchtigkeit bei hohen Temperaturen löst Hydrolyse aus, was zu einem verringerten Molekulargewicht und einer stark beeinträchtigten Produktfestigkeit führt

3. Anpassung an Anwendungsumgebungen

Elektrische Isolierkomponenten: Tragen Sie eine feuchtigkeitsbeständige Beschichtung auf oder mischen Sie sie mit Polyolefinen

Strukturbauteile: Der durch die Wasseraufnahme entstehende Zähigkeitseffekt kann zur Konstruktion schlagfester Bauteile genutzt werden

Die Feuchtigkeitsaufnahme ist eine Materialeigenschaft, die verstanden, vorhergesagt und genutzt werden kann und nicht nur ein Nachteil.

Die Wasseraufnahme ist nicht nur ein Zahlenwert, sondern eine Eigenschaft polymerer Materialien auf molekularer Ebene.

Um festzustellen, ob ein Material „Wasser aufnimmt“, muss festgestellt werden, in welcher Form das Wasser vorliegt, welche Eigenschaften es beeinflusst und ob das Anwendungsszenario solche Änderungen zulässt.