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01 Die Essenz der Wirkungsleistung

Viele Menschen denken bei dem Begriff „Schlagfestigkeit“ sofort an „Zähigkeit“. Doch was genau ist Zähigkeit? Einfach ausgedrückt: Es beschreibt, ob ein Material bei einem Aufprall Energie effektiv ableiten kann.

Lässt sich die Energie gleichmäßig verteilen, ist das Material „zäh“; konzentriert sich die Energie auf einen einzigen Punkt, ist es „spröde“.

Wie dissipieren Polymere also Energie? Hauptsächlich über drei Wege:

• Bewegung der Kettensegmente: Wenn eine äußere Kraft auf die Molekülketten einwirkt, dissipieren diese Energie durch innere Rotation, Biegung und Gleiten. Die Molekülketten können ausweichen, sich biegen und gleiten;

• Mikrobereichsverformung: Ähnlich wie Gummi erzeugen Gummipartikel Risse in der Matrix und absorbieren so die Aufprallenergie. Die innere Phasenstruktur kann sich verformen und anschließend wieder erholen; 

• Rissablenkung und Energieabsorptionsmechanismen: Die innere Struktur des Materials (z. B. Phasengrenzen und Füllstoffe) führt zu einem gewundenen Rissausbreitungspfad und verzögert so den Bruch. Vereinfacht ausgedrückt: Der Riss verläuft nicht geradlinig, sondern wird durch die innere Struktur unterbrochen, abgelenkt und passiv neutralisiert.

Sehen Sie, Schlagfestigkeit ist eigentlich nicht „Festigkeit, die einem Bruch widersteht“, sondern vielmehr „die Fähigkeit, Energie durch Umleitung zu dissipieren“.

Dies erklärt auch ein häufig auftretendes Phänomen: Manche Materialien besitzen eine unglaublich hohe Zugfestigkeit und zerbrechen leicht beim Aufprall; beispielsweise technische Kunststoffe wie PS, PMMA und PLA.

Andere Materialien, die zwar eine mäßige Festigkeit aufweisen, können Stößen standhalten. Der Grund dafür ist, dass erstere keine Möglichkeit haben, Energie abzubauen, während letztere Energie abbauen können. Beispiele hierfür sind PA-Platten und -Stäbe,PPund ABS-Materialien.

Aus mikroskopischer Sicht erfährt das System bei einem plötzlichen Einwirken einer äußeren Kraft eine extrem hohe Dehnungsrate, die so kurz ist, dass selbst die Moleküle nicht rechtzeitig "reagieren" können.

An diesem Punkt verteilen Metalle die Energie durch Gleiten, Keramiken setzen Energie durch Rissbildung frei, während Polymere den Aufprall durch Kettensegmentbewegung, dynamisches Brechen von Wasserstoffbrücken und koordinierte Verformung von kristallinen und amorphen Bereichen absorbieren.

Besitzen die Molekülketten ausreichende Beweglichkeit, um ihre Position anzupassen und sich rechtzeitig neu anzuordnen und so die Energie effektiv zu verteilen, ist die Stoßfestigkeit gut. Ist das System hingegen zu starr – die Bewegung der Kettensegmente eingeschränkt, die Kristallinität zu hoch und die Glasübergangstemperatur zu hoch –, konzentriert sich bei Einwirkung einer äußeren Kraft die gesamte Energie auf einen einzigen Punkt, und der Riss breitet sich direkt aus.

Daher liegt das Wesen der Stoßfestigkeit nicht in der "Härte" oder "Festigkeit", sondern vielmehr in der Fähigkeit des Materials, Energie in kürzester Zeit umzuverteilen und abzubauen.

 

02 Gekerbt vs. ungekerbt: Nicht ein Test, sondern zwei Versagensmechanismen

Die „Schlagfestigkeit“, von der wir üblicherweise sprechen, lässt sich eigentlich in zwei Typen unterteilen: 

• Unkerbte Aufprallprüfung: Untersucht die „Gesamtenergieabsorptionsfähigkeit“ des Materials; 

• Kerbschlagprüfung: Untersucht den "Widerstand der Rissspitze".

Der Kerbschlagzähigkeitstest misst die Fähigkeit eines Materials, Aufprallenergie zu absorbieren und zu verteilen. Er misst, ob das Material Energie durch Molekülkettengleiten, Kristallisation und Verformung der Gummiphase vom Zeitpunkt der Krafteinwirkung bis zum Bruch absorbieren kann. Ein hoher Kerbschlagzähigkeitstestwert deutet daher häufig auf ein flexibles, kompatibles System mit guter Energieverteilung hin.

Kerbschlagbiegeversuche messen den Widerstand eines Materials gegen Rissausbreitung unter Spannungskonzentrationsbedingungen. Man kann sich das als die „Toleranz des Systems gegenüber Rissausbreitung“ vorstellen. Sind die intermolekularen Wechselwirkungen stark und können sich Kettensegmente schnell neu anordnen, wird die Rissausbreitung verlangsamt oder passiviert.

Daher weisen Werkstoffe mit hoher Kerbschlagzähigkeit oft starke Grenzflächenwechselwirkungen oder Energiedissipationsmechanismen auf, wie beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Esterbindungen in Polycarbonat oder Grenzflächenablösung und Faltenbildung in Gummi-Verstärkungssystemen. 

Dies ist auch der Grund, warum einige Werkstoffe (wie PP, PA, ABS und PC) bei ungekerbten Schlagprüfungen gut abschneiden, aber eine deutliche Abnahme der Kerbschlagzähigkeit aufweisen, was darauf hindeutet, dass ihre mikroskopischen Energiedissipationsmechanismen unter Spannungskonzentrationsbedingungen nicht effektiv funktionieren.

 

03 Warum sind manche Materialien schlagfest?

Um dies zu verstehen, müssen wir die molekulare Ebene betrachten. Die Schlagfestigkeit eines Polymermaterials beruht auf drei grundlegenden Faktoren:

1. Kettenglieder besitzen Freiheitsgrade:

Zum Beispiel in PE (UHMWPEBei Polymeren wie HDPE, TPU und bestimmten flexiblen Polycarbonaten können Kettensegmente unter Belastung Energie durch Konformationsänderungen dissipieren. Dies beruht im Wesentlichen auf der Energieabsorption durch intramolekulare Bewegungen wie Dehnung, Biegung und Verdrehung chemischer Bindungen.

2. Die Phasenstruktur verfügt über einen Puffermechanismus: Systeme wie HIPS, ABS und PA/EPDM enthalten weiche Phasen oder Grenzflächen. Beim Aufprall absorbieren die Grenzflächen zunächst Energie, lösen sich voneinander und verbinden sich anschließend wieder.Ähnlich wie bei Boxhandschuhen – die Handschuhe erhöhen nicht die Kraft, sondern verlängern die Belastungsdauer und reduzieren die Spitzenbelastung. 

3. Intermolekulare „Klebrigkeit“: Manche Systeme enthalten Wasserstoffbrückenbindungen, π-π-Wechselwirkungen und sogar Dipol-Wechselwirkungen. Diese schwachen Wechselwirkungen „opfern“ sich beim Aufprall, um Energie zu absorbieren und sich dann langsam zu erholen.

Daher werden Sie feststellen, dass einige Polymere mit polaren Gruppen (wie PA und PC) nach einem Aufprall erhebliche Wärme erzeugen – dies ist auf die „Reibungswärme“ zurückzuführen, die durch Elektronen und Moleküle entsteht. 

Vereinfacht gesagt, besteht die gemeinsame Eigenschaft schlagfester Materialien darin, dass sie die Energie schnell genug umverteilen und nicht auf einmal zusammenbrechen.

 

DARÜBER HINAUS's UHMWPE undHDPE-PlatteEs handelt sich um technische Kunststoffprodukte mit ausgezeichneter Schlagfestigkeit. Als Hauptwerkstoff im Bergbaumaschinen- und Transportwesen haben sie Kohlenstoffstahl ersetzt und sind zur bevorzugten Wahl für LKW- und Kohlebunkerauskleidungen geworden. 

Ihre extrem hohe Schlagfestigkeit schützt sie vor Stößen durch harte Materialien wie Kohle und schont so die Transportausrüstung. Dadurch werden die Austauschzyklen der Ausrüstung verkürzt, was die Produktionseffizienz steigert und die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet.