Quellen von Polyamid durch Feuchtigkeitsaufnahme
Dieses Quellverhalten von Formteilen aus Polyamid stellt überdies eine erhebliche Herausforderung bei der Auslegung von Baugruppen dar – wie beispielsweise bei der Konstruktion von Zahnradgetrieben aus Polyamid in der Feinwerktechnik.
Das Phänomen der Feuchtigkeitsaufnahme von PA6 und PA66
Im Folgenden werden allerdings nur die Polyamide PA6 und PA66 betrachtet. Für andere Polyamide gilt jedoch – mit Ausnahme von PA46 – dasselbe, wenn auch in abgeschwächter Form. So können PA6 und PA66 bei einer mehrtägigen Lagerung in Wasser bei 80 °C Feuchtigkeitsgehalte von über 8 Gew.-% aufnehmen. Unter feuchten Umgebungsbedingungen, wie etwa im Normklima, liegt die Feuchtigkeitsaufnahme bei unverstärktem PA6 und PA66 hingegen unter 3 Gew.-%. In der Praxis begnügt man sich daher 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.
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/)
Ermittlung des Quellverhaltens von Polyamid
Die Längenänderung von Polyamiden bei unterschiedlichen Glasfasergehalten wurde an Normprüfplatten mit den Massen 60 x 60 mm und einer Wandstärke von 2 mm untersucht. Dabei waren die Glasfasern infolge des einseitigen Filmangusses nahezu exakt in Fließrichtung orientiert. Das Konditionieren der Prüfplatten fand anschließend bei 80 °C und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit im Klimaschrank statt, wobei jeweils die Längenänderungen längs sowie quer zur Faserorientierung vermessen wurden. Da diese integralen Mittelwerte jedoch maßgeblich von der Dicke der Prüfplatten, der Temperatur sowie der Partialdruckdifferenz für die Feuchtigkeit abhängig sind, sind die Ergebnisse der Untersuchung – sprich die linearen Längenänderungskoeffizienten für unterschiedliche Fasergehalte – deshalb lediglich als Richtwerte zu verstehen. Visualisiert sind sie in Abb. 2 für PA6 und in Abb. 3 für PA66 dargestellt.
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/)
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 für PA6 und PA66 im jeweils unverstärkten Zustand sowie generell quer zur Faserausrichtung im Bereich von 0,2 bis 0,3. Da Glasfasern das Quellen von Polyamiden jedoch maßgeblich behindern, sinken die Werte direkt in Faserrichtung auf etwa 0,1 oder darunter. Für die Berechnung dieses Quellverhaltens gilt folglich der folgende mathematische 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. Es stellt sich nun die Frage, wie groß der Außendurchmesser bei einem integralen Feuchtigkeitsgehalt von 3 Gew.-% ausfällt.
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
Haben Sie Fragen zur präzisen Auslegung Ihrer Bauteile? Wir beraten Sie hierzu sowie zu allen weiteren werkstofftechnischen Herausforderungen sehr gerne!
Weitere Informationen zum Thema „Quellen von Polyamid“ sind in der „Technischen Information: Konditionieren von Fertigteilen aus Ultramid“ von BASF zu finden.
Unser Angebot umfasst eine Reihe von Seminaren, die sich mit den verschiedenen Aspekten der Kunststofftechnik beschäftigen. Im Rahmen unseres zweitägigen Seminars „Konstruieren mit Kunststoffen“ befassen wir uns ausführlich mit dem Thema „Quellen von Polyamid“. Selbstverständlich bieten wir Ihnen auch eine Beratung zu diesem Thema an.
__________________
[1] Vater, P.: Ermittlung des Einflusses der Feuchte auf die Maßhaltigkeit von Polyamiden, Studienarbeit, DHBW Stuttgart Campus Horb, 2016.
(C) IKET
(C) IKET
(C) IKET
(C) IKET
(C) IKET