Bei der Diskussion über Polymerwerkstoffe hört man oft Kommentare wie „Dieses Material hat eine ausgezeichnete Steifigkeit“ oder „Das hier hat eine herausragende Zähigkeit“. Materialien mit hoher Steifigkeit weisen in der Regel eine höhere Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Druck und Verformung auf. Zähe Materialien hingegen ähneln eher flexiblen Bändern und halten Dehnungen und Biegungen mit bemerkenswerter Elastizität stand.

Aber haben Sie sich schon einmal gefragt: Welche Leistungsindikatoren definieren die Steifigkeit oder Flexibilität eines Materials wirklich? Und welche grundlegenden Faktoren bestimmen, ob sich ein Polymer steif oder weich verhält? In diesem Artikel gehen wir diesen Fragen nach und enthüllen die wissenschaftlichen Hintergründe der mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien.

Starrheit und Flexibilität anhand von Leistungsindikatoren verstehen

Unter den vielen mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien spiegeln verschiedene Indikatoren entweder Steifigkeit oder Flexibilität wider.

Indikatoren für Starrheit:
Biegemodul Und Härte werden oft als Schlüsselindikatoren für die Steifigkeit angesehen. Der Biegemodul misst den Widerstand eines Materials gegen Biegeverformung – je höher der Wert, desto steifer und weniger anfällig für Biegungen. Die Härte hingegen spiegelt direkt die Fähigkeit eines Materials wider, lokalem Oberflächendruck standzuhalten. Materialien mit hoher Härte behalten ihre Form besser und widerstehen Druckverformungen durch äußere Kräfte.

Zugfestigkeit Und Druckfestigkeit Auch die Steifigkeit eines Materials lässt sich bis zu einem gewissen Grad bestimmen. Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es unter Spannung bricht. Eine hohe Zugfestigkeit bedeutet, dass das Material größeren Zugkräften standhalten kann, ohne zu brechen, was auf eine hohe Steifigkeit hindeutet. Ähnlich spiegelt die Druckfestigkeit die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Druck wider – höhere Werte weisen auf eine höhere Steifigkeit hin.

Indikatoren für Flexibilität:
Bruchdehnung Und Schlagfestigkeit sind wichtige Indikatoren zur Bewertung der Flexibilität eines Materials.

Die Bruchdehnung bezeichnet das Verhältnis der gedehnten Länge des Materials zu seiner ursprünglichen Länge, wenn es unter Spannung bricht. Je höher der Wert, desto stärker kann sich ein Material dehnen, bevor es bricht, was auf eine bessere Duktilität und Flexibilität hindeutet.

Die Schlagfestigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, bei plötzlichen Stößen Energie zu absorbieren. Materialien mit hoher Schlagfestigkeit brechen bei äußeren Kräften weniger leicht und zeichnen sich durch hervorragende Zähigkeit und Flexibilität aus.

Beispiel: PP + 40 % Langglasfaser

Verständnis von Starrheit und Flexibilität durch Intrinsische Faktoren

2. Lokale Freiheitsgrade
Auch die lokale Struktur und die funktionellen Gruppen entlang der Polymerketten beeinflussen die Steifigkeit und Flexibilität des Materials. Größe, Polarität und Anzahl der Seitengruppen spielen dabei eine wichtige Rolle. Größere Seitengruppen behindern die Bewegung der Polymerketten, verringern die Flexibilität und erhöhen die Steifheit. Beispielsweise weisen biobasierte Polymere mit langen Alkylseitenketten eine erhöhte Steifigkeit auf, wenn die Seitenkette länger wird. Polare Seitengruppen erzeugen starke intermolekulare Wechselwirkungen, die die Kettenbeweglichkeit weiter einschränken und die Steifigkeit erhöhen. Biobasierte Cellulosederivate mit polaren Gruppen wie Hydroxyl- und Carboxylgruppen können ihre Steifigkeit und Flexibilität durch Anpassung der Anzahl und Verteilung dieser Gruppen optimieren.

3. Intermolekulare Kräfte
Die Stärke der intermolekularen Kräfte wirkt sich direkt auf die Polymersteifigkeit aus. Stärkere Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte erhöhen die Bindung zwischen Polymerketten, wodurch es für die Ketten schwieriger wird, relativ zueinander zu gleiten oder sich zu bewegen, was wiederum die Steifigkeit des Materials erhöht. Chitosan beispielsweise weist zahlreiche Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen auf, was zu hoher Steifigkeit und Festigkeit führt und deshalb häufig in biomedizinischen Anwendungen wie Wundverbänden eingesetzt wird. Umgekehrt erleichtern schwächere intermolekulare Kräfte die Kettenbeweglichkeit und führen zu flexibleren Materialien.

4. Molekulare Kettenlänge
Die Länge der Molekülkette ist ein zweischneidiges Schwert für Steifigkeit und Flexibilität. Im Allgemeinen Längere Ketten erhöhen die Verflechtung zwischen den Molekülen, schränken die Kettenbewegung ein und erhöhen die Steifheit. Jedoch, Längere Ketten bieten außerdem mehr Freiheit bei der Konformation und ermöglichen zusätzliche Bewegungsmodi, die eine gewisse Flexibilität verleihen können. Bei biobasierten Polyhydroxyalkanoaten (PHA) verbessert eine Erhöhung des Polymerisationsgrads (Kettenlänge) die Zugfestigkeit und Härte, während gleichzeitig ein für verschiedene Anwendungen geeigneter Grad an Flexibilität erhalten bleibt.

5. Vernetzung
Vernetzung bezeichnet chemische Bindungen, die Polymerketten zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbinden. Bei leicht vernetzten Materialien behalten die Ketten zwischen den Vernetzungspunkten eine gewisse Beweglichkeit, wodurch die Flexibilität erhalten bleibt und gleichzeitig Steifheit und Festigkeit aufgrund der Netzwerkstruktur erhöht werden. Beispielsweise sind leicht vernetzte Natriumalginat-Hydrogele flexibel genug, um sich der Haut anzupassen, und ausreichend fest für die Wundversorgung. Stark vernetzte Materialien schränken die Kettenbewegung stark ein, wodurch das Material hart, spröde und deutlich steifer wird und seine Flexibilität deutlich abnimmt.

6. Externe Faktoren
Die Temperatur beeinflusst maßgeblich die Steifigkeit und Flexibilität von Polymeren. Mit steigender Temperatur erhöht die verstärkte thermische Molekularbewegung die Kettenbeweglichkeit, was die Flexibilität erhöht und die Steifigkeit verringert. Niedrigere Temperaturen haben den gegenteiligen Effekt. Auch Feuchtigkeit beeinflusst einige hydrophile biobasierte Polymere. Beispielsweise absorbieren cellulosebasierte Materialien in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit Feuchtigkeit, was die intermolekularen Kräfte schwächt, das Material weicher macht und die Steifigkeit verringert.