ASTM D638: Zugprüfung für Kunststoffe

Einführung

Die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind in der Kunststofftechnik und der Polymerwissenschaft von großer Bedeutung. Unter allen Materialeigenschaften ist die Zugfestigkeit die wichtigste, d. h. die Spannung, die ein Material aushalten kann, ohne zu versagen, wenn es auf Zug beansprucht wird. ASTM D638, eine international anerkannte Norm der American Society for Testing and Materials (ASTM), bietet eine Methode zur Prüfung der Zugeigenschaften von Kunststoffen unter Laborbedingungen.

Was ist ASTM D638?

ASTM D638 oder "Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics" (Standardprüfverfahren für die Zugeigenschaften von Kunststoffen) beschreibt die Methode, den Probentyp und die Prüfbedingungen für die Prüfung der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung und des Elastizitätsmoduls von thermoplastischen und duroplastischen Polymeren. Es ist für halbsteife und steife Kunststoffe anwendbar und dient dem Vergleich von Produkten verschiedener Hersteller oder verschiedener Verarbeitungsverfahren.

Das Material ist genormt, um die Wiederholbarkeit von Zugversuchen zu gewährleisten und Abweichungen bei der Prüfgeschwindigkeit, der Art des Spannzeugs und der Probenform zu minimieren. Die ASTM D638 wird in großem Umfang verwendet und bildet die Grundlage für die technische Konstruktion, die Materialauswahl und die Unterstützung durch die Behörden.

Probentypen und Probenvorbereitung

Die ASTM D638-Spezifikation kategorisiert fünf Typen von Prüfkörpern (Typ I bis Typ V) auf der Grundlage ihrer Größe. Die Typen I und IV werden am häufigsten verwendet:

Typ I: 165 mm Gesamtlänge, 13 mm Dünnschliffbreite, 3,2 mm Dicke. Wird am häufigsten für die allgemeine Zugprüfung üblicher Kunststoffe verwendet.

Typ IV: Gesamtlänge von 115 mm, 6 mm Dünnschliffbreite, 3 mm Dicke. Bei eingeschränkter Materialverfügbarkeit oder als Vergleichsgrundlage für eine Studie.

Die Proben können durch Spritzgießen, Formpressen, Strangpressen oder durch Schneiden aus Platten hergestellt werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass die Proben frei von Fehlern sind, d. h. von Hohlräumen, Kratzern oder Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, da auch diese die Zugfestigkeitsergebnisse erheblich beeinflussen können.

Prüfverfahren

Beim Zugversuch wird die Probe in eine Universalprüfmaschine (UTM) eingespannt und mit einer kontrollierten, einachsigen Zugkraft bis zum Versagen belastet. Einige der wichtigsten Faktoren, die bei diesem Verfahren eine Rolle spielen, sind:

1. Die Wahl des Spannzeugs: Die Proben werden mit pneumatischen oder mechanischen Spannzeugen gehalten. Der Probenhalter darf nicht verrutschen und darf keine Spannungskonzentrationen verursachen.

2. Prüfgeschwindigkeit: Die Traversengeschwindigkeit variiert je nach Materialtyp und Probendicke. Für nominale Typ-I-Proben mit einer Dicke von 3,2 mm beträgt die Geschwindigkeit häufig 50 mm/min. Die Geschwindigkeit kann die gemessene Dehnung und bei viskoelastischen Kunststoffen die Zugfestigkeit beeinflussen.

3. Konditionierungsumgebung: Die Proben werden bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % und einer Temperatur von 23 °C für mindestens 40 Stunden gemäß ASTM D618 konditioniert, damit sie hinsichtlich des Feuchtigkeitsgehalts und der Temperatur so stabil wie möglich sind.

Gemessene Schlüsseleigenschaften

Die Prüfung nach ASTM D638 umfasst einige der wichtigsten Materialeigenschaften:

Zugfestigkeit bei Streckung: Die maximale Spannung, die das Material verträgt, bevor es sich dauerhaft verformt. HDPE zum Beispiel gibt normalerweise bei 20-30 MPa nach, während Polycarbonat (PC) bei 60-70 MPa nachgeben kann.

Zugfestigkeit beim Bruch: Die Spannung, bei der die Probe schließlich bricht. Spröde Kunststoffe wie Polystyrol brechen an oder nahe der Streckgrenze, während duktile Kunststoffe wie Polyethylen sich deutlich dehnen, bevor sie brechen.

Dehnung beim Bruch: Dehnung in Bruchlänge in Prozent. HDPE kann eine Dehnung von 400-600% aufweisen, während die Dehnung von Polystyrol weniger als 5% beträgt.

Elastizitätsmodul (Youngscher Modul): Ein Maß für die Steifigkeit, das sich aus der Steigung des ersten linearen Teils der Spannungs-Dehnungs-Kurve ergibt. Polypropylen hat beispielsweise einen Elastizitätsmodul von 1,5-2 GPa und PVC von bis zu 3-3,5 GPa.

Diese Werte werden von Ingenieuren verwendet, um festzustellen, ob ein Material Betriebsbelastungen standhalten kann oder nicht, ohne zu brechen oder sich dauerhaft zu verformen.

Anwendungen der ASTM D638-Prüfung

1. Technische Materialauswahl

Konstrukteure wählen anhand der ASTM D638-Daten Kunststoffe für Strukturbauteile aus. Bei der Auswahl von Materialien für Fahrzeugkomponenten wie Innenverkleidungen bestimmen beispielsweise Zugfestigkeit und Dehnung, ob ein Kunststoff schlagfest und flexibel ist, ohne zu brechen.

2. Qualitätskontrolle bei der Herstellung

Kunststoffhersteller können gelegentlich Chargen testen, um sicherzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften gleichbleibend sind. Unterschiedliche Extrusionstemperaturen, Einspritzdrücke oder Abkühlraten werden auf die Zugeigenschaften übertragen. ASTM D638 ist eine anerkannte Methode, um sicherzustellen, dass die Materialien vor dem Versand den Spezifikationen entsprechen.

3. Forschung und Entwicklung

In der Forschung und Entwicklung wird mit Hilfe von Zugversuchen die Wirkung von Zusatzstoffen, Füllstoffen oder Verstärkungen in den Rohstoffen bestimmt. Zum Beispiel verdoppelt die Zugabe von Glasfasern zu Polypropylen die Zugfestigkeit von 30 MPa auf über 80 MPa und reduziert die Bruchdehnung um die Hälfte. Die ASTM D638 gewährleistet einen effektiven Vergleich zwischen den Formulierungen.

4. Einhaltung von Vorschriften

Medizinische Geräte, Lebensmittelverpackungen und elektronische Komponenten erfordern häufig mechanische Prüfungen nach ASTM D638, um den ISO-, FDA- oder ASTM-Normen zu entsprechen. Polyethylenschläuche, die von der FDA zugelassen sind, sind ein Beispiel dafür, dass die Gleichmäßigkeit der Zugeigenschaften sichergestellt werden muss, um eine sichere Verwendung in medizinischen Geräten zu gewährleisten.

Schlussfolgerung

ASTM D638 ist eine Norm für die Zugprüfung von Kunststoffen auf ihre Eigenschaften. Sie bietet glaubwürdige Verfahren für die Prüfung, Probenvorbereitung und Analyse und ermöglicht es Ingenieuren und Herstellern, fundierte Entscheidungen über Materialauswahl, Produktdesign und Qualitätssicherung zu treffen. Die Norm stellt sicher, dass sich Kunststoffe bei mechanischer Beanspruchung konsistent und sicher verhalten - von Automobilverkleidungen bis hin zu medizinischen Geräten. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).