Nanoindentation zur Charakterisierung der Morphologie
Warum Morphologie bei POM eine Rolle spielt
Polyoxymethylene (POM) ist ein hochkristalliner thermoplastischer Kunststoff, der in vielen industriellen Anwendungen – von präzisen Bauteilen bis hin zu funktionellen Komponenten – eingesetzt wird. Seine mechanischen Eigenschaften hängen stark von der inneren Struktur ab: der Verteilung und Größe der Sphärolithe sowie dem Grad der Kristallinität. Doch wie lässt sich diese Morphologie zuverlässig mit lokalen mechanischen Eigenschaften korrelieren?
Nanoindentation als Methode der Wahl
In unserer Studie haben wir Nanoindentation eingesetzt, um die lokalen mechanischen Eigenschaften von POM zu untersuchen. Besonders herausfordernd ist dabei die Wechselwirkung zwischen der Indenter-Spitze und der semi-kristallinen Struktur des Materials. Während die Literatur hier oft widersprüchliche Ergebnisse liefert, konnten wir nachweisen, dass die Morphologie – insbesondere die Verteilung der Sphärolithe – einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse der Nanoindentation hat.
Durch den Einsatz eines sphäro-konischen und eines Berkovich-Indenters zeigten wir, dass die elastischen Module in den Randbereichen der Proben (mit geringerer Kristallinität) niedriger ausfallen als im Kern. Dies korreliert direkt mit den Ergebnissen der Polarisationsmikroskopie, die eine weniger kristalline Hautschicht am Probenrand aufzeigte. Die mittlere elastische Steifigkeit, die aus den Nanoindentationsmessungen abgeleitet wurde, stimmt dabei erstaunlich gut mit den Ergebnissen aus makroskopischen Druckversuchen überein.
Praktische Implikationen für die Industrie
Für Materialentwickler und Verarbeiter bedeutet dies, dass Nanoindentation eine zuverlässige Methode ist, um lokale Unterschiede in der Morphologie von POM-Bauteilen zu identifizieren. Dies ist besonders wichtig für Bauteile, die durch Spritzguss gefertigt werden und oft eine typische Haut-Kern-Struktur aufweisen. Die lokalen mechanischen Eigenschaften können so gezielt mit der Verarbeitung und den resultierenden morphologischen Strukturen in Verbindung gebracht werden.
Für Konstrukteure und Anwender bietet die Methode die Möglichkeit, die Performance von POM-Bauteilen besser vorherzusagen. Da die elastischen Eigenschaften direkt von der Kristallinität abhängen, können durch gezielte Nanoindentation-Messungen Schwachstellen in Bauteilen identifiziert oder die Eignung eines Materials für spezifische Anwendungen bewertet werden.
Fazit und Ausblick
Nanoindentation stellt eine wertvolle Ergänzung zu etablierten Prüfmethoden wie DSC oder Röntgenstreuung dar – insbesondere, wenn es darum geht, lokale Unterschiede in der Morphologie mit mechanischen Eigenschaften zu verknüpfen. Die Methode ist nicht nur präzise, sondern auch effizient und kann in der Qualitätssicherung oder Materialentwicklung eingesetzt werden.
Die Ergebnisse unterstreichen einmal mehr, wie wichtig ein tiefes Verständnis der Materialmorphologie für die Entwicklung hochwertiger Kunststoffbauteile ist. Wir sehen hier großes Potenzial, die Methode auf andere semi-kristalline Polymere auszuweiten und so die Materialforschung weiter voranzubringen.
Wie nutzen Sie diese Erkenntnisse in Ihrer täglichen Arbeit? Wir freuen uns auf den Austausch!
Danke an alle Co-Autoren für die Zusammenarbeit und für mehr Informationen gleich reinlesen: https://doi.org/10.1080/1023666X.2021.1968122