Visualisierung

Forscher im Fraunhofer LBF analysieren mit speziell entwickelten Methoden am Raman-Mikroskop schadhafte Kunststoffbauteile, Folien oder Elastomere. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)

Mit umfangreichem Wissen von Kunststoff als Werkstoff – von den Eigenschaften der Rohmaterialien über den Verarbeitungsprozess bis zum fertigen Bauteil und den resultierenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen – unterstützen die Wissenschaftlerinnern und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen. Aufbauend auf der interdisziplinären Expertise aus Material-, Natur- und Ingenieurswissenschaften werden individuelle Lösungen für verschiedenste Problemstellungen und Produkte erarbeitet. Individuelle Beratung und flexible experimentelle Möglichkeiten stehen dabei im Fokus: Von der Materialanalytik über thermophysikalische und rheologische Charakterisierung bis zum mechanisch-statischen, Crash-, und Kriechverhalten oder der witterungsbedingten Alterung von Kunststoff-Produkten. Maßgeschneiderte analytische, physikalische und mechanische Mess- und Prüfmethoden für Thermoplaste, Elastomere, Schäume und Verbundwerkstoffe sind das Ziel.

Abb-2

Lichtmikroskopische Darstellung eines Titandioxidagglomerates in extrudierten PMMA-Platten bedingt durch unsachgemäße Verarbeitung und zur Identifizierung verwendete Ramanspektren. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)

Aktuelle Methoden decken chemische Defekte auf Mängel bei den chemischen Eigenschaften. Beispielsweise fehlerhafte Synthese, Chargenschwankungen, Verschleiß oder mechanische Einwirkungen, führen häufig zu frühzeitigem Versagen von Kunststoffteilen. Chromatografische und spektroskopische Methoden kommen hier zur Identifizierung von strukturellen Defekten auf molekularer Ebene zum Einsatz. Bildgebende Verfahren, wie Polarisations- und Elektronenmikroskopie erschließen dabei die räumliche Struktur des Defektes.

Beide Methoden liefern jedoch keine chemischen Informationen, sodass eine Identifizierung und Ursachenklärung häufig schwer möglich ist. Diese Lücke füllt die Infrarot- und Raman-Mikroskopie füllt. Aktuelle Methodenentwicklungen in diesen Bereichen ermöglichen dabei die chemische Abbildung komplexer Mischmaterialien wie Blends, Schichtstrukturen, Partikel und Beschichtungen – mit einer Auflösung von einem Tausendstel Millimeter.

Grenzflächendefekte bei Folien sichtbar machen

Abb-3

Glasfaserverstärktes Polypropylen: Darstellung der Orientierung von Glasfasern in PP und der Grenzfläche PP/Glasfaser zur Untersuchung von Defekten. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)

Die hohe räumliche Auflösung bietet die Möglichkeit, Grenzflächendefekte in mikrostrukturierten Proben wie beispielsweise Mehrschichtfolien zu untersuchen. Dabei können die Defekte dreidimensional profiliert und die Defekt verursachende Komponente identifiziert werden. Über die so zugänglichen Informationen können beispielsweise Schwankungen in den Verarbeitungsbedingungen oder der Rohstoffqualität bei Blendsystemen als Schadensursache identifiziert werden.

Defekte an glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen

Abb-1

Zerstörungsfreie Visualisierung (a) von Defekten in einer Mehrschichtfolie auf der Mikrometer-Skala (b) durch multivariate Raman-Mikroskopie. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)

Füllstofforientierungen sind entscheidend für die mechanischen Eigenschaften und das Langzeitverhalten von Leichtbauwerkstoffen. So können Schwankungen hinsichtlich Haftvermittlern und Faserbeschichtungen sowie der Faserorientierung im Bauteileinsatz zu Defekten führen. Lokale Heterogenitäten der Faserorientierungen lassen sich mit der Raman-Mikroskopie analysieren und identifizieren. Zudem ermöglicht die hohe spektrale Auflösung eine akkurate Abrasterung der Faseroberfläche im Bauteil im Mikrometer-Maßstab, sodass das Vorhandensein eines Grenzflächenversagens um die Glasfaser herum aufgezeigt werden kann. Diese Techniken werden im Rahmen der 15. Tagung des Arbeitskreises Polymeranalytik am 22. Januar 2021 vorgestellt. (jhn)

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