Versetzungen in teilkristallinen Polymeren

Obwohl teilkristalline Polymere in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung für technologische Anwendungen gewonnen haben, werden die - bei plastischer Verformung auf atomarer Ebene auftretenden - mikromechanischen Prozesse immer noch diskutiert. Dies betrifft zum Beispiel die Frage, ob Versetzungen in der kristallinen Phase eine Rolle für die Festigkeit spielen oder nicht. Aufgrund der Verfügbarkeit einer neuen, besonderen Röntgendiffraktions-Methode (Linienprofilanalyse, Multiple X-ray Line Profile Analysis, MXPA), die den Nachweis und die Quantifizierung von Versetzungen in teilkristallinen Polymeren ermöglicht, sollen nunmehr folgende Fragestellungen geklärt werden: a) Haben Versetzungen einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften? b) Wenn Versetzungen eine Rolle spielen, was sind die Mechanismen der Versetzungs-Erzeugung und/oder deren Wechselwirkung und was sind die konkreten Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und die zugehörige Mikrostruktur? c) Falls Versetzungen keine Rolle für die Plastizität des Polymers spielen, welche alternativen Mechanismen (z. B. adiabatisches Erschmelzen- und/oder Scherbandbildung) sind entscheidend? Zur Beantwortung dieser Fragen wird ein systematisches experimentelles Programm vorgeschlagen, welches den Nachweis der Versetzungen und die quantitative Bestimmung von deren Dichte und Anordnung von Versetzungen für verschiedene Typen teilkristalliner Polymere vorsieht sowie die Untersuchung der anderen mikrostrukturellen Parameter als Funktion der plastischen Verformung mit einschliesst. Neben anderen Untersuchungsmethoden soll der Einsatz der MXPA-Messmethodik insbesondere während der plastischen Verformung (in-situ) direkt Aufschluss über den Zusammenhang der Entwicklung der Versetzungs- und Mikrostruktur mit der makroskopischen Festigkeit geben. Mit diesen experimentellen Befunden soll ein theoretischer Rahmen für die Beschreibung der Verformung und der Festigkeit von teilkristallinen Polymeren auf Basis bestehender Modelle erweitert um versetzungskompatible Aktivierungsparameter entwickelt werden. Diese Modelle müssen nun anhand der experimentellen Resultate getestet und mit analogen Tests von Modellen mit inhärenten Verformungsmechanismen wie adiabatischem Erschmelzen und / oder Scherbandbildung verglichen werden.

Das Ziel des vorliegenden Projektes war es, die Mikromechanik der plastischen Verformung für mehrere teilkristalline Polymere zu klären. Es konnte erstmals quantitativ gezeigt werden, dass sogenannte Versetzungen also linienhafte Fehler in der kristallinen Phase - dabei eine entscheidende Rolle spielen und auch einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit haben. Dafür wurde insbesondere die Methode der Röntgenlinien-Profilanalyse angewendet, weil diese gemäß neuester Forschungen nicht nur die Messung von Versetzungsdichten, sondern insbesondere auch den Nachweis der Versetzungen selbst ermöglicht. Polymere sind Materialien, die aus langen Kettenmolekülen aufgebaut sind. Teilkristalline Polymere bestehen aus einem kristallinen und einem amorphen glasartigen Teil. Die wichtigsten Kunststoffe für die Anwendung, wie beispielsweise Polyethylen (PE) und Polypropylen, fallen in diese Kategorie. Da die kristalline Phase meist viel fester ist als die amorphe, dominiert sie die Festigkeit des gesamten Materials. Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten systematischen Studien zeigten, dass in vielen der untersuchten Materialien während der plastischen Verformung Versetzungen gebildet werden, jedoch in unterschiedlichem Ausmaß; jedenfalls spielen sie für die Festigkeit der teilkristallinen Materialien eine wesentliche Rolle. Die Fähigkeit, Versetzungen zu erzeugen und zu mobilisieren, hängt nämlich von dem Polymer, seinem chemischen Aufbau und der Anordnung der Polymerketten in den Kristallen ab. Polypropylen zeigt z.B. eine Kristallphase mit gekreuzten Ketten, die sogenannte gamma-Phase, die die Bildung von verformungsinduzierten Versetzungen verhindert, aber die Bildung von geometrisch notwendigen Versetzungen zum Abbau innerer Spannungen begünstigt. Für das wichtige Polymer Polypropylen konnte die Erzeugung und Vernichtung von Versetzungen einem bestimmten Relaxationsmechanismus der makromolekularen Ketten zugeordnet werden. Somit dürften Konformationsänderungen der Ketten im Kristall die Versetzungsbildung stark beeinflussen. Andererseits hat auch die Steifigkeit der amorphen Phase einen Einfluss auf die Bildung von Versetzungen, was im vorliegenden Projekt durch ein kritisches Experiment erstmalig gezeigt werden konnte. Ein versetzungs-inspiriertes Modell wurde entwickelt, um die Festigkeit eines teilkristallinen Polymers als Funktion der Verformungsgeschwindigkeit, der Temperatur und der Mikrostruktur des Materials zu simulieren bzw. vorauszusagen. Die sich ergebende gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten für mehrere verschiedene teilkristalline Polymer-Typen rechtfertigt die Relevanz des Modells in Bezug auf die Zahl und Bewegung von Versetzungen.