Hygrothermale Alterung amorpher Polyurethannetzwerke

Abstract

Polymerwerkstoffe auf Basis von Polyurethan (PU) sind vielseitig anwendbar, u. a. als Klebstoffe in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Für einen verlässlichen Einsatz müssen die Materialeigenschaften stabil bzw. die mit der Zeit ablaufenden Materialveränderungen (Alterung) voraussagbar sein. Neben der Temperatur stellt das praktisch fast immer anwesende Wasser einen wichtigen Einflussfaktor dar. Die Alterungsmechanismen von PU unter Temperatur- und Wassereinwirkung sind nur bruchstückhaft geklärt und ihre Auswirkung auf die Materialeigenschaften in Abhängigkeit vom Wassergehalt ist in der Literatur kaum adressiert. Vor diesem Hintergrund wurde die hygrothermale Alterung zweier amorpher, chemisch vernetzter PUs (Modell-PU sowie Industrieklebstoff) untersucht, sowohl anhand von Bulkproben als auch PU-AlMg3-Klebungen. Zusätzlich zu Standardmessmethoden (Gravimetrie, IR-Spektroskopie, DSC, Zug- und Scherversuch) kam eine nanomechanische Methode auf Basis der Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz, die sog. PeakForce QNM. Die Ergebnisse zu Alterungsmechanismen und deren Abhängigkeit vom Wassergehalt bieten eine Verständnis- und Datengrundlage zur (Weiter-)Entwicklung materialwissenschaftlich fundierter (vs. rein phänomenologischer) Modelle für PU in feuchtwarmer Umgebung. Die PeakForce QNM erweist sich als wertvolle Ergänzung zu konventionellen Messungen. Hinsichtlich der Methodik der PeakForce QNM werden kritische Aspekte aufgezeigt und Verbesserungsvorschläge gemacht.

Polymer materials based on polyurethane (PU) have numerous applications, e. g. as structural adhesives in the automotive or aerospace industry. For reliable use, material properties have to be stable, or changes of the material over time (aging) need to be predictable, respectively. Water is present in almost all applications and constitutes an important influencing factor besides temperature. The aging mechanisms of PU under the influence of temperature and water are understood only fragmentarily, and their effect on material properties as a function of water concentration is barely addressed in literature. In light of this, hygrothermal aging of two amorphous and chemically crosslinked PUs (model PU network as well as commercial two-part PU adhesive) was investigated, by means of both bulk samples and adhesive joints of PU and AlMg3. In addition to conventional methods (gravimetry, IR spectroscopy, DSC, uniaxial tensile test, simple shear test), a nanomechanical method based on scanning force microscopy was used, the so-called PeakForce QNM. The results on aging mechanisms and their correlation with water content provide a basis for the (further) development of scientifically substantiated (vs. purely phenomenological) models for PU in moist-warm conditions. PeakForce QNM proves to be a valuable addition to conventional measurements. Concerning the methodology of PeakForce QNM, critical aspects are addressed and suggestions for better usability are made.