ASTM D792: Messung der Dichte von Kunststoffen und Polymeren

Die Norm ASTM D792 beschreibt ein präzises Verfahren zur Bestimmung der Dichte und des spezifischen Gewichts eines Kunststoffs durch seinen Auftrieb in einer Flüssigkeit - in der Regel Wasser. Was sich einfach anhört, kann viel über das Innere des Materials, die Homogenität und sogar die Rezeptur aussagen.

Warum Dichte und spezifisches Gewicht wichtig sind

Die Dichte gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist, während das spezifische Gewicht die gleiche Dichte als Verhältnis zur Dichte von Wasser bei einer bestimmten Standardtemperatur angibt. Die Dichte gibt also an, wie "schwer" ein Material im Verhältnis zu seiner Größe ist, und das spezifische Gewicht bietet eine bequeme Möglichkeit, Materialien zu vergleichen, ohne dass man sich mit Einheiten herumschlagen muss.

In der Fertigung und in der Materialwissenschaft sind diese Zahlen mehr als nur abstrakte Werte auf einem Datenblatt - sie sind auch ein Indikator für die Reinheit, Qualität und Leistung eines Produkts. Eine falsche Dichte in einem Polymer kann zum Beispiel auf Hohlräume, Verunreinigungen oder falsche Füllstoffmischungen zurückzuführen sein. Für einen Ingenieur kann dies Abweichungen bei den thermischen Eigenschaften, der Steifigkeit oder der Festigkeit bedeuten.

Das Prinzip hinter ASTM D792

Die ASTM D792-Prüfung beruht auf dem archimedischen Prinzip, wonach das untergetauchte Objekt einer Auftriebskraft ausgesetzt ist, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht. Dieses einfache Gesetz liegt einer der am häufigsten verwendeten Methoden in der Materialprüfung zugrunde.

In der Praxis bedeutet dies, dass eine feste Probe zweimal gewogen wird: einmal an der Luft und einmal in Wasser getaucht. Durch Abzug des einen Messwerts vom anderen kann dann sowohl die Dichte als auch das spezifische Gewicht ermittelt werden. Die verwendeten Gleichungen lauten:

Spezifisches Gewicht (SG) = Wₐ/(Wₐ - Ww)

Dichte = SG × Dichte des Wassers bei Prüftemperatur

wobei (Wₐ) das Gewicht des Probekörpers in Luft und (Ww) sein Gewicht bei teilweisem Eintauchen in Wasser ist. Bei 23°C beträgt die Wasserdichte ca. 0,9975 g/cm³, ein Wert, der bei den meisten Prüfungen verwendet wird, sofern nicht anders angegeben.

Prüfverfahren und Variationen

ASTM D792 hat mehrere unterschiedliche Verfahren, die mit A bis D bezeichnet sind, um Proben unterschiedlicher Art zu berücksichtigen. Verfahren A gilt für feste Kunststoffe, die schwerer sind als Wasser, während bei Verfahren B ein Drahtsenkkörper zur Prüfung schwimmender Proben verwendet wird. Die Verfahren C und D gelten für komplexere Situationen, z. B. für kleine Kügelchen, dünne Filme oder Pulver, bei denen typischerweise ein Pyknometer oder eine Dichtegradientensäule anstelle des direkten Eintauchens verwendet wird.

Die Temperaturkontrolle ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Geringfügige Temperaturschwankungen führen zu einer relativ geringen Änderung der Wasser- und Probendichte, daher werden die Versuche in der Regel bei 23 ± 2 °C durchgeführt, um eine gewisse Konsistenz zu gewährleisten.

Interpretation der Ergebnisse der ASTM D792

Die Werte für Dichte und spezifisches Gewicht nach ASTM D792 können je nach Formulierung, Materialtyp und Verarbeitung eine sehr große Bandbreite aufweisen. Um ein paar Beispiele zu nennen: Polyethylen (PE) hat im Allgemeinen eine Dichte zwischen 0,91 und 0,96 g/cm³, während Polycarbonat (PC) mit etwa 1,20 g/cm³ eine höhere Dichte aufweist. Im oberen Bereich weist PTFE (Teflon) eine Dichte von über 2,15 g/cm³ auf, was seiner dicht gepackten Molekularstruktur entspricht.

Eine abrupte Abweichung der gemessenen Dichte von den festgelegten Referenzwerten kann ein Hinweis auf Herstellungsprobleme sein. Sehr niedrige Werte können ein Anzeichen für innere Hohlräume oder Gaseinschlüsse sein, und hohe Werte können auf überschüssige Füllstoffe oder Verunreinigungen hinweisen. Daher verwenden die meisten Qualitätskontrolllabors die ASTM D792 als schnelle Screening-Methode, um Anomalien zu erkennen, bevor sie Tests in großem Maßstab durchführen.

Anwendungen der ASTM D792 in der Industrie

Die durch die ASTM D792-Prüfung gewonnenen Informationen sind nicht nur von akademischem Interesse. Bei der Herstellung von Polymeren können die Hersteller damit die Konsistenz von Harzchargen überprüfen und Rezepturabweichungen feststellen. Im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrt hilft die Kenntnis der Dichte von Polymer-Verbundwerkstoffen zu überprüfen, ob die Teile die genauen Gewichts- und Leistungsspezifikationen erfüllen. Sogar bei der Herstellung medizinischer Geräte helfen präzise Dichtemessungen sicherzustellen, dass die Polymertypen den Anforderungen an Biokompatibilität und Haltbarkeit entsprechen.

Typische Materialdichten

Um diese Werte in die richtige Perspektive zu rücken, sind hier einige repräsentative Werte aufgeführt:

- Polyethylen (PE): 0,91-0,96 g/cm³

- Polycarbonat (PC): 1,19-1,22 g/cm³

- Nylon (PA): 1,13-1,15 g/cm³

- Polytetrafluorethylen (PTFE): 2,15-2,20 g/cm³

- Aluminium: 2,70 g/cm³

- Rostfreier Stahl: 7,90-8,05 g/cm³

- Wolfram: 19,25 g/cm³

Wie diese Beispiele zeigen, befinden sich Kunststoffe und Leichtmetalllegierungen am unteren Ende der Dichteskala, während Metalle - insbesondere Schwermetalle wie Wolfram oder Blei - am anderen Ende liegen.

Typische Werte für Dichte und spezifisches Gewicht (Referenz ASTM D792)

Schlussfolgerung

ASTM D792 ist ein einfaches, aber wirkungsvolles Verfahren zur Bestimmung der Dichte und des spezifischen Gewichts von Kunststoffen und anderen Materialien. Sie ist weit mehr als nur ein Standardverfahren für das Labor. Sie ist eine wertvolle Ressource für Ingenieure, Hersteller und Forscher, die wissen müssen, wie sich die Struktur, die Formulierung und die Verarbeitung eines Materials auf seine endgültige Leistung auswirken.