Die Bestimmung von ingenieurstechnischen Kennwerten über Füllstoff- und Fasergehalt sowie Faserlängen ist von entscheidender Bedeutung bei der Charakterisierung und Optimierung von Verbundwerkstoffen. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien.

• Füllstoffgehalt: Der Anteil an Füllstoffen in einem Verbundwerkstoff kann dessen Dichte, Festigkeit, Steifigkeit und Verarbeitbarkeit beeinflussen. Durch die genaue Quantifizierung des Füllstoffgehalts können Ingenieure die Gewichtseinsparungen und Leistungsverbesserungen des Endprodukts beurteilen.
• Fasergehalt: Der Fasergehalt eines Verbundmaterials bestimmt maßgeblich dessen Zugfestigkeit, Biegesteifigkeit und Schlagzähigkeit. Ein höherer Faseranteil führt in der Regel zu besseren mechanischen Eigenschaften, solange die Fasern gleichmäßig verteilt sind und gut mit der Matrix verbunden sind.
• Faserlängenbestimmung: Die Länge der verstärkenden Fasern ist entscheidend für die Lastübertragungseffizienz zwischen Fasern und Matrix. Längere Fasern bieten in der Regel bessere Verstärkungswirkungen, da sie die Last über größere Distanzen verteilen können. Die Faserlängenverteilung ist daher ein kritischer Parameter, um die Materialleistung vorherzusagen und zu optimieren.

Die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) ist eine leistungsfähige analytische Technik, die zur Bestimmung chemischer und struktureller Eigenschaften von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen eingesetzt wird. FTIR misst die Infrarotstrahlung, die von Molekülen absorbiert wird, und liefert ein charakteristisches Spektrum, das Aufschluss über folgende Materialeigenschaften geben kann:

• Chemische Zusammensetzung: FTIR identifiziert funktionelle Gruppen innerhalb eines Kunststoffs oder einer Polymermatrix durch spezifische Absorptionsbanden, was die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung ermöglicht.
• Additive und Füllstoffe: Die Technik kann auch verwendet werden, um Additive, wie Weichmacher, Stabilisatoren oder Flammschutzmittel, sowie anorganische Füllstoffe anhand ihrer charakteristischen Infrarotsignaturen zu analysieren.
• Alterung und Degradation: FTIR kann Veränderungen im Material überwachen, die durch Alterungsprozesse, wie Oxidation oder Hydrolyse, verursacht werden, indem es den Abbau oder die Veränderung von funktionellen Gruppen erfasst.
• Verunreinigungen und Verarbeitungsrückstände: Die Methode ist sensibel gegenüber Verunreinigungen oder Rückständen von Lösungsmitteln und Reinigungsmitteln, die in der Herstellung oder Verarbeitung von Kunststoffen verwendet werden.
• Verstärkungs- und Füllstoff-Matrix-Interaktion: In Verbundwerkstoffen kann FTIR Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den verstärkenden Fasern oder Füllstoffen geben, was für die Optimierung der Materialeigenschaften wichtig ist.

Die Dichtebestimmung ist ein grundlegendes Verfahren zur Charakterisierung von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, das wichtige Einblicke in deren Materialeigenschaften bietet. Durch die Messung der Dichte können folgende Aspekte von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen bewertet werden:

• Zusammensetzung und Reinheit: Die Dichte eines Materials kann Hinweise auf seine chemische Zusammensetzung geben. Abweichungen von erwarteten Dichtewerten können auf die Anwesenheit von Verunreinigungen oder ungewollte Additive hinweisen.
• Füllstoffgehalt: Bei Verbundwerkstoffen ermöglicht die Dichtebestimmung die Quantifizierung des Anteils von Füllstoffen oder verstärkenden Fasern in der Polymermatrix. Ein höherer Füllstoffgehalt beeinflusst oft die Dichte und damit auch die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials.
• Porosität: Die Porosität eines Materials wirkt sich direkt auf seine Dichte aus. Eine gemessene Dichte, die niedriger als erwartet ist, kann auf Vorhandensein von Poren oder Lufteinschlüssen hindeuten, was die Festigkeit und Leistungsfähigkeit des Materials beeinträchtigen kann.
• Qualitätskontrolle: Im Herstellungsprozess kann die Dichtebestimmung als schnelle und einfache Methode zur Qualitätssicherung eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass Materialien den spezifizierten Anforderungen entsprechen.

Die Bestimmung des Restwassergehalts in Kunststoffen und Verbundwerkstoffen ist ein wichtiger Schritt zur Charakterisierung und Kontrolle der Materialeigenschaften. Wasser kann auf verschiedene Weise Einfluss auf das Material nehmen:

• Materialqualität: Ein hoher Restwassergehalt kann problematisch sein, da er während des Verarbeitungsprozesses, wie beim Spritzgießen, zu Defekten wie Blasenbildung, Oberflächenunschönheiten und verminderter mechanischer Festigkeit führen kann. Die Bestimmung des Restwassergehalts hilft, diese Probleme zu vermeiden und die Qualität des Endprodukts sicherzustellen.
• Hygroskopische Materialien: Viele Kunststoffe, insbesondere jene auf Polyamidbasis, sind hygroskopisch und nehmen Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Der Restwassergehalt beeinflusst die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Bruchdehnung, weshalb seine Kontrolle für die Leistung des Materials entscheidend ist.
• Verarbeitungseigenschaften: Der Wassergehalt kann die Verarbeitbarkeit des Materials beeinflussen, z.B. durch Veränderung der Viskosität oder des Erweichungspunktes. Eine präzise Bestimmung hilft, die optimalen Verarbeitungsparameter zu wählen.
• Langzeitstabilität und Alterung: Wasser kann hydrolytische Abbaureaktionen in bestimmten Polymeren verursachen. Die Überwachung des Restwassergehalts kann dabei helfen, die Langzeitstabilität und Lebensdauer des Materials zu prognostizieren.
• Verbundwerkstoffqualität: In Verbundwerkstoffen kann Feuchtigkeit die Haftung zwischen Matrix und Fasern beeinträchtigen, was die mechanische Leistungsfähigkeit reduziert. Die Restwasserbestimmung ist ein kritisches Verfahren, um sicherzustellen, dass die Adhäsion und die strukturelle Integrität des Verbundwerkstoffs erhalten bleiben.