Heike Beerbaum

Ermittlung strukturbezogener bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen an Polyethylen-Werkstoffen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 10.12.1999

Abstract
Diese Arbeit beinhaltet die bruchmechanische Bewertung von Polyethylen hoher Dichte in Bezug auf die chemische und physikalische Struktur dieses teilkristallinen Kunststoffes. Der aktuellen Fragestellung der Korrelation von Morphologie und Zähigkeit bei Kunststoffen wird dabei Rechnung getragen. Die experimentelle Basis der bruchmechanischen Untersuchungen bei schlagartiger Beanspruchung stellte dabei der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch dar. Mit Hilfe von bruchmechanischen Methoden wurde das Zähigkeitsverhalten bei instabiler und stabiler Rissausbreitung in Abhängigkeit von Strukturparametern wie Molekulargewicht, Kristallinität und lamellarer Struktur charakterisiert. Für die Bewertung des Zähigkeitsverhaltens bei stabiler Rissausbreitung wurde die Risswiderstandskurve herangezogen. Umfangreiche Betrachtung fand der Einfluss der Anzahl an Tie-Molekülen auf das Zähigkeitsverhalten von Polyethylen hoher Dichte und die Abschätzung der Tie-Molekül-Dichte mit verschiedenen Kalkulationsmodellen aus der Literatur.

The fracture mechanics evaluation of high-density polyethylene concerning the chemical and physical structure of the semi-crystalline polymer was the aim of this thesis. Thereby the current question of the correlation between morphology and toughness of polymers plays an important role. The instrumented Charpy impact test was the experimental basis of the fracture mechanics investigations. With the help of fracture mechanics methods the toughness behaviour at unstable and stable crack propagation was characterized in dependence on the structural parameters like molecular weight, crystallinity and long period. For the evaluation of the toughness behaviour at stable crack propagation the crack resistance curve was used. Considering the elastic-plastic material behaviour of high-density polyethylene the concepts of EPFM (i.e. the J-integral and the crack opening displacement concept) were used for the assessment of both testing methods. Different fracture mechanics methods were applied to determine geometry-independent fracture mechanics values for resistance against unstable and stable crack initiation and for resistance against stable crack growth. The influence of the tie molecule density on the toughness behaviour of high-density polyethylene was extensively considered. Therefore various calculation models from the literature for the estimation of the tie molecule density were introduced.

Keywords:
Polyethylen, Struktur, Bruchmechanik, Zähigkeit, Rissmodell, Kerbschlagbiegeversuch, Risswiderstandskurve, Kristallinität, Tie-Moleküle, Lamellen

polyethylene, structure, fracture mechanics, toughness, crack propagation model, Charpy impact test, crack resistance curve, crystallinity, tie molecules, lamellae

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (V-XIII)
1 Einleitung und Zielstellung (1-2)
2 Charakterisierung des Zähigkeitsverhaltens von Polyethylen-Werkstoffen und Möglichkeiten zur Bewertung des Rissausbreitungsprozesses (3-44)
3 Experimentelles (45-81)
4 Experimentelle Ergebnisse zum Zähigkeitsverhalten (82-116)
5 Diskussion der Ergebnisse (117-132)
6 Zusammenfassung, Summary (133-142)
Anhang (143-173)
Literaturverzeichnis (174-180)