Quellen von Polyamid durch Feuchtigkeitsaufnahme

Das Quellen von Polyamid wird durch Wasseraufnahme hervorgerufen. Verantwortlich dafür ist die stark polare Amidgruppe.Das aufgenommene Wasser wirkt dabei wie ein äußerer Weichmacher und verbessert die Zähigkeit des Kunststoffs. Aufgrund ihrer makromolekularen Struktur weisen Kunststoffe ein freies Volumen auf. Obwohl das Molekül Wasser vergleichsweise klein ist, quillt Polyamid durch Feuchtigkeitsaufnahme auf.

Dieses Quellverhalten von Formteilen aus Polyamid stellt überdies eine Herausforderung bei der Auslegung von Baugruppen dar, beispielsweise bei der Auslegung von Zahnradgetrieben aus Polyamid in der Feinwerktechnik.

Phänomen der Feuchtigkeitsaufnahme von PA6 und PA66

Im Folgenden werden nur die Polyamide PA6 und PA66 betrachtet. Für andere Polyamide, mit Ausnahme von PA46, gilt dasselbe, wenn auch in abgeschwächter Form. PA6 und PA66 können hingegen bei mehrtägiger Lagerung in Wasser bei 80 °C Feuchtigkeitsgehalte von über 8 Gew.-% aufnehmen. Unter feuchten Umgebungsbedingungen, auch Normklima, liegt die Feuchtigkeitsaufnahme bei unverstärktem PA6 und PA66 unter 3 Gew.-%. In der Praxis begnügt man sich in der Regel mit dem Feuchtesättigungszustand des Normklimas.

Glasfasergehalte PA6 PA66
nicht verstärkt ~3% 2,5%
15 Gew.-% 2,6% 2,2%
25 Gew.-% 2,2% 1,9%
30 Gew.-% 2,1% 1,7%
35 Gew.-% 1,9% 1,6%
50 Gew.-% 1,5% 1,4%
60 Gew.-% 1,1%  

Tabelle: Feuchtesättigung von PA6 und PA66 mit unterschiedlichen Glasfasergehalten bei Normklima (23 °C, 50 % relative Luftfeuchtigkeit) – Werte aus Materialdatenblättern

Bei Formteilen aus PA6 und PA66 verändern sich die Längenmaße je nach aufgenommenem Feuchtigkeitsanteil. Bei glasfaserverstärkten Typen ist die Längenänderung in Faserrichtung deutlich geringer als quer zur Faserrichtung. Abb. 1 zeigt einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Längenänderung und Feuchtigkeitszunahme.

Quellen von Polyamid 6-GF30
(C) IKET

Abb. 1: Lineare Längenänderung über Feuchtigkeitsaufnahme für PA6-GF30 – Durethan BKV 30 (längs und quer zur Glasfaserorientierung), gemessen an Normprüfplatten 60 x 60 x 2 mm (Messwerte aus /1/)

Die Längenänderung von Polyamiden bei unterschiedlichen Glasfasergehalten wurde an Normprüfplatten mit den Maßen 60 x 60 mm und einer Wandstärke von 2 mm untersucht. Die Glasfasern waren infolge des einseitigen Filmangusses nahezu exakt in Fließrichtung orientiert. Das Konditionieren der Prüfplatten fand bei 80 °C und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit im Klimaschrank statt. Vermessen wurden jeweils die Längenänderungen längs und quer zur Faserorientierung. Diese integralen Mittelwerte sind abhängig von der Dicke der Prüfplatten, der Temperatur und der Partialdruckdifferenz für die Feuchtigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchung, die linearen Längenänderungskoeffizienten für unterschiedliche Fasergehalte, sind deshalb nur als Richtwerte zu verstehen. Sie sind in Abb. 2 für PA6 und in Abb. 3 für PA66 dargestellt.

Quellen von Polyamid 6
(C) IKET

Abb. 2: Lineare Längenänderungskoeffizienten für PA6 (Durethan B 30 S, BKV 15, BKV 30 und BKV 50) mit unterschiedlichen Glasfasergehalten, gemessen an Normprüfplatten 60 x 60 x 2 mm (Messwerte aus /1/)

Quellen von Polyamid 66
(C) IKET

Abb. 3: Lineare Längenänderungskoeffizienten für PA66 (Durethan A 30 S, AKV 15, AKV 30 und AKV 50) mit unterschiedlichen Glasfasergehalten, gemessen an Normprüfplatten 60 x 60 x 2 mm (Messwerte aus /1/)

Quantitative Abschätzung des Quellverhaltens von Polyamid

Die linearen Längenänderungskoeffizienten af liegen für PA6 und PA66 im jeweils nicht verstärkten Zustand sowie quer zur Faserausrichtung im Bereich von 0,2 bis 0,3. Da Glasfasern das Quellen von Polyamiden behindern, liegen die Werte in Faserrichtung bei etwa 0,1 oder darunter.
Es gilt folgender Zusammenhang:

ΔL = L · af · Δf 

Hierbei ist:

ΔL: Längenänderung [mm]

L: Ausgangslänge des Formteils [mm]

af: linearer Längenänderungskoeffizient [ ]; Werte entnommen aus Abb. 2 und Abb. 3.

Δf: Feuchtigkeitsaufnahme [Gew.-%]; hier integraler Mittelwert für 2 mm Wandstärke

Längenänderung von Polyamid durch Wasseraufnahme – Anwendungsbeispiel

Ein Rohr aus nicht verstärktem Polyamid PA6 (DN200 mit einem Außendurchmesser von Dtrocken = 225 mm) wird trocken extrudiert. Wie groß ist der Außendurchmesser bei einem integralen Feuchtigkeitsgehalt von 3 Gew.-%?

Ergebnis: ΔD = 225 mm · 0,28 · 3 Gew.-% = 225 mm · 0,28 · 3 / 100 = 1,89 mm. Der Außendurchmesser des Rohres beträgt bei einer Feuchtigkeitsaufnahme von 3 Gew.-%: Dfeucht= 225 mm + 1,89 mm = 226,89 mm

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Weitere Informationen zum Thema „Quellen von Polyamid“ sind in der „Technischen Information: Konditionieren von Fertigteilen aus Ultramid“ von BASF zu finden.

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[1] Vater, P.: Ermittlung des Einflusses der Feuchte auf die Maßhaltigkeit von Polyamiden, Studienarbeit, DHBW Stuttgart Campus Horb, 2016.