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f+h fördern und heben 9/2021

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f+h fördern und heben 9/2021

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG SERIE DEN FASERTYP BEI FASERSEILEN IDENTIFIZIEREN – TEIL II 10 Polyethylen: PE-HM SK 78 PE-HM DM 20 PE-HM SK 99 1. Aufheizung 1. Messung 2. Messung 50 100 150 200 250 300 Im vorliegenden zweiten und abschließenden Teil der Serie werden die mithilfe von Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) aufgenommene Messkurven unterschiedlicher, polymerer Faserwerkstoffe diskutiert. Darüber hinaus wird die Eignung des Messverfahrens zur Charakterisierung unterschiedlicher Fasertypen und Fasermorphologien bei gleichem Polymertyp aufgezeigt. Mithilfe des DSC-Verfahrens, unter Verwendung eines Kalorimeters (Fabrikat: Mettler-Toledo DSC Typ 3+) wurden die in Tabelle 02 genannten Proben thermoanalytisch untersucht. Die Probenmasse betrug bei den Messungen jeweils 3,5 mg und die Aufheiz- und Kühlrate 20 K/min. Als Probentiegel kamen Aluminiumtiegel mit einem Fassungsvermögen von 40 µl mit gelochtem Deckel zum Einsatz. Die DSC-Messzelle wurde zum Vermeiden von Oxidationseffekten mit Stickstoff gespült. DSC-UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE VON FASERWERKSTOFFEN Bild 06 zeigt die DSC-Kurve der ersten Aufheizung der untersuchten Seilproben. Die Messungen sind gut reproduzierbar, das bestätigen die eng beieinander liegenden Kurven der ersten und zweiten Messung der jeweiligen Proben. Alle Proben besitzen charakteristische Thermogramme. Das Aramid- und Vectran-Seil weisen im dargestellten Temperaturbereich keinen Schmelzpeak auf, die Aramid-Probe besitzt aber vergleichsweise einen schwachen endothermen Peak im Temperaturbereich 120 °C, der herstellungsbedingt ist. Das Polyamid-Seil zeigt einen ähnlich schwachen Peak im Bereich 70 °C. Es ist anzunehmen, dass es sich bei den beiden beobachteten Effekten um molekulare Umlagerungen im Bereich der Glasübergangstemperaturen der beiden 38 f+h 2021/09 www.foerdern-und-heben.de

Spez. Wärmestrom [W·g -1 ] SERIE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Werkstoffe handelt, die eintreten, wenn die Umgebungstemperatur die Glasübergangstemperatur überschreitet. Anwendungstechnisch bedeutet das, beim Überschreiten der genannten Temperaturen werden die Gefüge der Seile irreversibel verändert. Die DSC-Ergebnisse bestätigen die Werkstoffangaben des Seilherstellers, im Falle der Polyamidfaser wird entsprechend der Kristallitschmelztemperatur ein Polyamid 6 (PA6) detektiert und im Falle der Polyesterfaser ein Polyethylenterephthalat (PET). Die untersuchten Polyethylen-Seile (Bild 06, Tabelle 02) bestehen nach Seilherstellerangaben aus unterschiedlichen Dyneema-Fasertypen des Herstellers DSM. Charakteristische Unterschiede in den gemessenen DSC-Thermogrammen der zweiten Aufheizung bestätigen das (Bild 07). Bei den Messungen ist eine hohe Reproduzierbarkeit gegeben, das belegen die eng beieinander liegenden Kurven von zwei Messungen je Probenvariante. Die gemessenen Peaktemperaturen der Kristallitschmelzbereiche der Fasern liegen bei den DSC-Kurven der zweiten Aufheizung charakteristisch unterschiedlich im Bereich von 135 °C, das bestätigt hochmolekulare Polyethylene als Grundwerkstoff für die untersuchten drei Fasertypen. Für Fasern wird bei deren Herstellung eine scherorientierte Kristallinität angestrebt, um Hochleistungseigenschaften in der Anwendung zu erzielen [7], [22]. Entsprechend unterschiedlich ist das DSC- Thermogramm der ersten Aufheizung im Vergleich zu dem der zweiten Aufheizung. Bild 08 zeigt die DSC-Kurven der ersten Aufheizung für die untersuchten Polyethylen-Seile (Bild 06). Die Kristallitschmelztemperatur der Fasern im Seil liegt im Temperaturbereich 150 °C im Gegensatz zu 135 °C bei der zweiten Aufheizung (Bild 07). Die gemessenen Kurven der ersten Aufheizung streuen etwas, was bei Vergleich der beiden, jeweils zusammengehörigen Messkurven (Messung und 06 endo 10 DSC-Thermogramme der untersuchten Seilproben (Tabelle 02); erste Aufheizung, jeweils zwei Messungen Polyethylen: PE-HM SK 78 PE-HM DM 20 PE-HM SK 99 Aramid Vectran Polyamid Polyester Polypropylen Kern-Mantel, Kern: SK 78 Kern-Mantel, Mantel: Polyester Temperatur T [°C] 1. Aufheizung 1. Messung 2. Messung 50 100 150 200 250 300 Tabelle 02: Untersuchte Seilproben (Durchmesser 8 mm) aus industrieller Fertigung Seilprobe Polyethylen-Seil Polyethylen-Seil mit hoher Längenstabilität Polyethylen-Seil – Stahlseilersatz Aramid-Seil Vectran-Seil Polyamid-Seil Polyester-Seil Polypropylen-Seil Kern-Mantel-Konstruktion Wiederholungsmessung) ersichtlich wird. Die Ursache für die Streuung ist bei einheitlicher Probenpräparation nicht die Unsicherheit der Messung, sondern ist in der Inhomogenität der Wiederholungsproben begründet, denn die an den Proben ermittelten Erstarrungskurven (Bild 08) und Kurven der zweiten Aufheizung (Bild 07) sind sehr einheitlich und sehr gut reproduzierbar. Die unterschiedlichen PE-HM-Fasertypen zeigen trotz größerer Streuung in der ersten Aufheizung auch hier charakteristische Unterschiede (Bild 08). Die Onset-Temperaturen der Kristallitschmelzbereiche der drei Fasertypen im Bereich 140 °C sind Werkstoffangabe laut Hersteller PE-HM (Typ: Dyneema SK 78 beschichtet) PE-HM (Typ: Dyneema DM 20 beschichtet) PE-HM (Typ: Dyneema SK 99 beschichtet) Aramid Vectran Polyamid Polyester Polypropylen Multifil Kern: PE-HM (Typ: Dyneema SK 78 beschichtet) Mantel: Spezialpolyester deutlich unterschiedlich. Beim Erstarren aus der Schmelze (Bild 08, 1. Abkühlung) liegen die jeweiligen DSC-Messungen und Wiederholungsmessungen eng zusammen und die Fasertypen lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallisations- Onset-Temperaturen wiederum unterscheiden. Die DSC-Untersuchungsergebnisse der PE-HM-Fasern zeigen, dass die scherorientierte Kristallinität nach dem Schmelzen und Erstarren aus der ruhenden Schmelze nicht wiederentsteht und als Folge unterscheiden sich die Kristallitschmelztemperaturen (Peaktemperaturen) um etwa 15 °C. Diese Beobachtung gab den www.foerdern-und-heben.de f+h 2021/09 39 Quelle: Autoren

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