Verformungsverhalten von thermoplastischen Polymerwerkstoffen bei Raumtemperatur unter Einwirkung äußerer mechanischer Kräfte und Momente.
Thermoplastische Kunststoffe und Elastomere (Elaste) zeigen bei der Deformierung infolge wirkender mechanischer Spannungen im sogenannten weichelastischen Zustand bei Raumtemperatur ein plastisch-elastisches Verhalten, d. h. die elastische Verformung wird meist von drei Erscheinungen (plastischen Effekten) überlagert: der Relaxation, dem Kalandereffekt und der Kristallisation.
Die elastische Deformierbarkeit bei Kunststoffen ist prinzipiell von den vorliegenden Sekundärbindungen (Chemische Bindungen) zwischen den Kettenmolekülen, dem Kristallisationsgrad bzw. Ordnungsgrad der Kettenmoleküle und einer eventuell vorliegenden Quervernetzung (Vernetzung) (bei Elasten) abhängig, da diese die Molekülbeweglichkeit wesentlich beeinflussen.
Die plastischen oder bleibenden Deformationen sind wie folgt zu erklären:
Die Relaxation (Erschlaffung) beschreibt bei Thermoplasten das spannungsbedingte Abgleiten von Molekülketten aus den Haftpunkten (Sekundärbindungsstellen), wobei die der äußeren Spannung entgegenwirkende (elastische) innere Kraft nachlässt. Die Relaxation (ähnlich dem Phänomen des Kaltflusses [Kaltfließen]) wächst mit der Temperatur, dem Deformationsgrad und v. a. der Deformationsdauer und wird nur durch eine entsprechende Kettenvernetzung (Hauptvalenzbindungen bei räumlicher Vernetzung) reduziert.
Der Kalandereffekt beruht auf dem Phänomen, dass ein Teil der erkannten plastischen Deformation auch eine „eingefrorene” (entropieelastische [Entropieelastizität]) Deformation sein kann. Dies tritt v. a. bei der Kalanderbearbeitung (Kalandrieren) auf. Das entlastete Material zeigt nach einer spontanen Rückfederung noch eine elastische Nachwirkung, indem „verklemmte” Molekülteile gelöst werden. Der Vorgang wird auch als Rückdehnung, Retardierung oder Kriecherholung bezeichnet. Durch Erwärmen lässt sich ein weiterer Anteil von unter Spannung stehenden Molekülsegmenten lösen, was als Thermorückfederung bezeichnet wird.
Die Retardationsanteile
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spontane Rückfederung,
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elastische Nachwirkung,
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Thermorückfederung
sind bei der Kalkulation der tatsächlichen plastischen Deformation zu berücksichtigen.
Die Kristallisation tritt bei hohen Dehnungsgraden (etwa Reckung von Fadenstoffen) durch ausgeprägte Ketten-Parallellagerung auf und erfolgt spontan. Die einhergehende Kaltverfestigung des Kunststoffwerkstoffes ist oft erheblich und kann bei weiterer Spannungserhöhung zum spontanen Sprödbruch führen.
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