60 Jahre NETZSCH-Gerätebau: Die Thermowaage im Einsatz am Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth

Erfahren Sie, wie der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth die Thermowaage TG 209 F1 Libra® in Verbindung mit der Software Kinetics Neo zur Vorhersage des Alterungsverhaltens von Kunststoffen nutzt. 

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Auch unser langjähriger Kunde, die Universität Bayreuth, hat eine TG 209 F1 Libra® im Einsatz. Erfahren Sie im folgenden Erfahrungsbericht, wie der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth die TG 209 F1 Libra® in Verbindung mit der Software Kinetics Neo zur Vorhersage des Alterungsverhaltens von Kunststoffen nutzt. 

Ein Anwenderbericht der Universität Bayreuth:

Quelle: uni-bayreuth.de (© Universität Bayreuth)

Dem Zahn der Zeit widerstehen oder diesen voraussagen?

Wie der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth die TG 209 F1 Libra® der Firma NETZSCH in Verbindung mit der Software NETZSCH Thermokinetics Neo zur Vorhersage des Alterungsverhaltens von Kunststoffen nutzt. 

Jeder kennt Dinge, die werden mit der Zeit immer besser. Rotwein kommt so manchem hier vielleicht als Erstes in den Sinn oder ein schöner, gepflegter Oldtimer. In der Regel würde man jedoch keinen Rotwein 60 Jahre lang reifen lassen, denn im Gegensatz zu den Produkten der NETZSCH-Gerätebau sorgt kein beständiges Bestreben nach Perfektion dafür, ein so hohes Maß an Qualität zu erreichen.

Polymerdegradation – Eine Herausforderung für die Konstruktion

Gegenteilig zu NETZSCH oder dem genannten Rotwein werden die Eigenschaften von Polymeren im Laufe der Zeit leider nicht immer besser. Durch die Alterung von Kunststoffen ändern sich deren Eigenschaften oft bis zum Versagen des Materials.  Auf molekularer Ebene brechen hierbei die Atombindungen in den in den Polymerketten, wobei sich Seitengruppen lösen können oder sich ein Versagen der Hauptkette ereignet. Aber auch Nachkristallisation, Weichmacherwanderung und Spannungsrissbildung sind hier als Alterungseffekte zu nennen.


Allen gemein ist, dass sie als Funktion von Temperatur und Zeit stattfinden und dabei jeweils unterschiedlichen kinetischen Reaktionsmodelle besitzen. Ein Vorteil der stattfindenden Reaktionen ist jedoch, dass diese oft mit einer Änderung der Masse einhergehen. Weichmacher, welche das Volumen verlassen, so wie gasförmige Produkte der Polymerdegradation sorgen für eine Gewichtsabnahme. Dieser Gesetzmäßigkeit folgend werden durch dynamische TGA-Messungen der Zusammenhang zwischen Temperatur und Abbau aufgeklärt und basierend auf den ermittelten Daten ein kinetisches Modell erstellt, welches für Simulationen unter isothermen Bedingungen genutzt werden kann.  

Abbildung 1 Epoxidharz zu unterschiedlichen Alterungszuständen

Im aktuellen Fall werden neuartige Epoxidharzsysteme für den Einsatz in hochtemperaturbeanspruchten Flugzeugbauteilen untersucht. Diese müssen unter den gegebenen Bedingungen mindestens die Standzeit der Baugruppe, oder besser noch die des gesamten Flugzeuges, ohne Versagen standhalten. Echte Auslagerungsversuche unter den Einsatzbedingungen sind aber bei einem Zeitraum von bis zu 15 Jahren jedoch nicht praktikabel. Somit wird in die Trickkiste gegriffen und eine Alternative gesucht, um das Materialverhalten vorherzusagen.

Thermogravimetrie als Basis für Simulationen

Foto: Gebäudeansicht der Fakultät für Ingenieurswissenschaften der Universität Bayreuth (© Universität Bayreuth; © Polymer Engineering)

Am Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth wird für derartige Messungen eine NETZSCH TG 209 F1 Libra® verwendet. Die direkte Temperaturmessung des Gerätes lässt selbst bei endo- und exothermen Reaktionen ein genauestes Einstellen der Ist-Temperatur zu. Gerade Eingangsdaten zur Erstellung von Simulationen benötigen ein hohes Maß an Genauigkeit für ihre Datensätze, da sich sonst durch Fehlerfortpflanzung die Abweichungen vervielfältigen würden. Zusammen mit dem Innenleben der TGA aus Keramik lassen sich selbst Polymere mit hochkorrosiven Abbauprodukten charakterisieren.

Abbildung 2 Messkurven dynamischer TGA Messungen mit unterschiedlichen Heizraten

Modellerstellung und Vorhersagen mit Kinetics Neo

Die meisten chemischen Reaktionen laufen nicht einstufig ab, ebenso ist es bei den Abbaureaktionen von Polymeren. Je nach Kunststoff ist es eine Kombination aus parallelen und seriellen Schritten möglich. Mittels Kinetics Neo können Modelle der Gesamtreaktion durch eine Kombination dieser Einzelreaktionen erstellt werden. Jedem Schritt können spezifische Parameter zugewiesen werden. Das Programm bietet sowohl eine automatische Optimierung dieser an, lässt aber auch eine manuelle Anpassung jedes Wertes zu. Hierdurch genießt der Nutzer ein Höchstmaß an Möglichkeiten. Das Modell wird erstellt, indem es an die tatsächlichen Messdaten angefittet wird. Eine Beurteilung erfolgt durch Ausgabe des R² Wertes oder des F-Tests.

Abbildung 3 Messkurven der TGA sowie gefittete Kurven des Modells

Für den Fall, dass das Modell einen geringen Fehler gegenüber den Messdaten aufweist, lassen sich Vorhersagen basierend auf der mathematischen Funktion des Modells berechnen. Hier wird deutlich, warum ein gutes Messequipment, wie die TG 209 F1 Libra® notwendig ist. Nur durch genaue Messdaten lässt sich eine präzise Simulation erstellen, welche die Realität treffsicher abbildet.

Abbildung 4 Isotherme Vorhersagen der Polymerdegradation basierend auf dem erstellten Modell

Weitere Anwendungen der TG 209 F1 Libra® am Lehrstuhl Polymere Werkstoffe

Neben dem beschriebenen Anwendungsfall wird die TG 209 F1 Libra® für viele weitere Materialcharakterisierungen verwendet. Hierbei werden industrierelevante Eigenschaften untersucht wie Füllstoffgehalt von Thermoplasten oder Faservolumengehalt von Verbundwerkstoffen. Auch wissenschaftliche Fragestellungen wie die thermische Beständigkeit unter unterschiedlichen Atmosphären von neu entwickelten Duromeren lassen sich beantworten. Diese Vielseitigkeit macht die TG 209 F1 Libra® zu einem am Lehrstuhl ständig genutzten Gerät.

Wir gratulieren der Firma NETZSCH-Gerätebau zum 60sten Geburtstag. Wenn sie, wie bisher, mit Innovationskraft und Perfektionsstreben voranschreiten, freuen wir uns auf viele weitere erfolgreiche Jahre der Zusammenarbeit.

Foto: Wissenschaftlicher Mitarbeiter Lukas Endner (links) gemeinsam mit der TG 209 F1 Libra® und Herrn Prof. Ruckdäschel im Thermoanalyse – Labor des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe (© Universität Bayreuth; © Polymer Engineering)

Vielen Dank an den Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth für diesen interessanten Bericht und für die herzlichen Wünsche. Auch wir freuen uns auf viele weitere Jahre partnerschaftliche Zusammenarbeit!

Nehmen Sie am Gewinnspiel teil!

Wer hat die älteste, noch im Einsatz befindliche TG? Senden Sie uns Ihren Beitrag inklusive einer kleinen Geschichte, Foto und Geräteseriennummer an NGB_Marketing@netzsch.com.
Gewinnen Sie einen Gutschein** im Wert von 1.500 €, einlösbar für den Erwerb eines Ersatz- oder Zubehörteils, bei Buchung einer Kundenschulung (vor Ort, Online, NOA) oder Testmessung, bei Beauftragung einer Reparatur oder beim Kauf eines unserer Analysegeräte. Einsendeschluss ist der 9. Mai.

**Der Gutschein ist firmengebunden kann nur gegen eine Ware oder eine Dienstleistung eingelöst werden. Eine Barauszahlung oder Weitergabe an Dritte ist nicht möglich. In Deutschland ist der Gutschein aus steuerrechtlichen Gründen als „brutto“ anzusehen.

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