title: Mechanical Properties of Strand PET Foams at Different Length Scales
Creators: name: Farthi, Amir
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2018
Subjects: subject: Polymer Foams
subject: Strand Foams
subject: PET Foams
subject: Compression properties
subject: Anisotropy
subject: Cell morphology
subject: Digital Image Correlation (DIC)
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description: Kunststoff-Hartschäume weisen einen breiten Einsatz in strukturellen Anwendungen auf. Das mechanische Verhalten von Schäumen wird durch das Eigenschaftsprofil des jeweiligen Basismaterials sowie die Dichte und Morphologie der Zellstruktur des Schaumes bestimmt [1]. Hiervon haben das Basismaterial und die Schaumdichte den größten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Daneben kann auch die Zellmorphologie einen erheblichen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften des Schaumes haben. Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Zellmorphologie, Zelldeformation und resultierenden mechanischen Eigenschaften des Schaumes ermöglichen zukünftig Schäume mit gezielt verbessertem Eigenschafts-Gewichts-Verhältnis. In der vorliegenden Arbeit werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von PET-Schäumen (Strand PET Foams) in einem Dichtebereich von 80 bis 200 kg/m³ aufgestellt. Extrudierte PET-Schäume können als eine geschäumte Honigwabenstruktur, gefüllt mit Schaum beschrieben werden. Es wird gezeigt, dass diese Schäume eine zu Holz sehr ähnliche Morphologie aufweisen, da einige Zellen sehr ausgeprägte Dehnungen und Orientierungen in Richtung der Plattendicke aufweisen. Die Kombination der holzähnlichen Mikrostruktur mit der einer Honigwabe führt zu einem deutlich anisotropem mechanischen Verhalten. Für eine quantifizierte Analyse des Morphologieeinflusses wird das Verhalten der Hartschäume unter Druckbelastung auf verschiedenen Längenskalen analysiert und diskutiert. Darauf aufbauend werden durch optische Messungen Vollfeld-Verformungsmuster mit den lokalen Zelldeformationsmechanismen korreliert. Es konnten hierbei zwei fundamental-unterschiedliche Deformationsmechanismen identifiziert werden. Bei einer Belastung orthogonal zur Schaumplatte erfolgt eine starke axiale Deformationsantwort der ineinander verhakten und gedehnten Zellen, gefolgt von einem lokalen, plastischen Knicken der Zellwände. Im Gegensatz hierzu zeigt sich bei einer Belastung in Plattenebene eine plastische Deformation der Zellwände und -stege. Die Deformation unter Belastung in Richtung der Plattenebene erwies sich als geordnet und regelmäßig mit geometrischen Ähnlichkeiten zu einer hexagonalen Form. Auch unterschiedliche Deformationsmechanismen auf Zellebene (Knicken oder Biegen) zeigen unterschiedliche, charakteristische Verläufe in den Druckspannungs-Stauchungs-Kurven. In einem weiteren Schritt wurden die zuvor ermittelten Korrelationen für unterschiedliche Schaumdichten überprüft. Hierdurch wird im Rahmen eines völlig anderen experimentellen Versuchsaufbaus bestätigt, dass die Zelldeformation bei Belastung senkrecht zur Bauteilebene dehnungsdominiert (stretch-dominated) erfolgt und bei einer Belastung in Plattenebene eher eine biegungsdominierte Deformation der Zellen vorliegt (bending-dominated). Die Versuchsergebnisse der Dichtevariationsstudie sowie der in-situ Deformationsmessungen stehen demnach in Einklang und bestätigen die zugrundeliegende Hypothese. Ebenso wurde aufgezeigt, dass bei PET-Schäumen mit hoher Dichte (200 kg/m³) die gemessenen mechanischen Eigenschaften unterhalb derer liegen, die bei Anwendung der Dichteskalierung zu erwarten wären. Die Reduzierung des Zellenaspektverhältnisses bei hohen Dichten bewirkt einen veränderten Deformationsmechanismus, wodurch es zu einer Abweichung der Versuchsergebnisse von den theoretisch zu erwartenden mechanischen Eigenschaften kommt.