A4 Feuchtigkeitsaufnahme und Umweltalterung

Thema

Wird dieser Polymerverbundwerkstoff der Umgebung ausgesetzt, diffundiert die Umgebungsfeuchtigkeit gemäß der Fickschen Diffusion in die Polymermatrix: Die Feuchtigkeit wandert von der Oberfläche des Verbundwerkstoffs in sein Inneres und bildet dabei ein Konzentrationsprofil, das sich räumlich und zeitlich analog zu jedem Diffusionsprozess mit Konzentrationsgradient entwickelt. Bei fortgesetzter Exposition diffundiert die Feuchtigkeit weiter in die Matrix.

Diese Diffusion ist jedoch nicht unbegrenzt: Mit der Zeit erreicht die Matrix einen Sättigungsfeuchtigkeitsgehalt, der durch die Henry-Isotherme beschrieben wird. Höhere relative Luftfeuchtigkeit in der Umgebung führt gemäß derselben Isotherme zu einem proportional höheren Sättigungsfeuchtigkeitsgehalt; niedrigere relative Luftfeuchtigkeit führt zu einem proportional niedrigeren.

Wenn die Polymermatrix Feuchtigkeit aufnimmt und sich ihrem Sättigungspunkt nähert, wirkt die Feuchtigkeit plastifizierend: Wassermoleküle lagern sich zwischen den Polymerketten an, vergrößern den Zwischenraum und erleichtern deren Gleitfähigkeit, ähnlich wie ein dem Polymer gezielt zugesetzter Weichmacher. Diese Plastifizierung senkt die Glasübergangstemperatur der Matrix: Je höher der Feuchtigkeitsgehalt der aufgenommenen Substanz, desto niedriger die Temperatur, bei der die Matrix vom festen in den weichen Zustand übergeht. Dieselbe Feuchtigkeitsaufnahme erzeugt neben der Plastifizierung der Matrix auch hygroskopische Spannungen im Verbundwerkstoff: Die Matrix quillt lokal auf, wenn sie Feuchtigkeit aufnimmt, ähnlich wie bei einer Temperaturerhöhung, jedoch bedingt durch die Feuchtigkeitskonzentration und nicht durch einen Temperaturgradienten. Da diese hygroskopische Quellung der Matrix durch die Verbundfasern begrenzt wird, die weder Feuchtigkeit aufnehmen noch in gleicher Weise quellen, entsteht eine interne hygroskopische Spannung, analog zu den thermischen Spannungen, die durch einen Temperaturgradienten anstelle eines Feuchtigkeitsgradienten hervorgerufen würden.

Dieses Modell, das auf der Fickschen Diffusion von Feuchtigkeit in die Polymermatrix basiert, mit der es entwickelt wurde, beschreibt daher eine Anomalie, die nur bei Polymermatrix-Verbundwerkstoffen auftritt: Die Tatsache, dass die Matrix eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs oder eines Keramikmatrix-Verbundwerkstoffs Feuchtigkeit nicht in der gleichen Weise aufnimmt wie eine Polymermatrix, bedeutet, dass weder die durch dieses Modell beschriebene Matrixplastifizierung noch die Reduzierung der Glasübergangstemperatur noch die hygroskopische Spannung in diesen beiden anderen Arten von Verbundwerkstoffen auftreten.

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