ASTM D4440: Dynamisch-mechanische Eigenschaften und Schmelzrheologie von Kunststoffen

ASTM D4440 ist eine von ASTM International veröffentlichte internationale technische Norm, die ein Verfahren zur Bestimmung und Angabe der dynamisch-mechanischen (viskoelastischen) Eigenschaften von Polymerschmelzen beschreibt. Die Norm befasst sich mit oszillatorischen Schermessungen anstelle stationärer Rotationsmessungen und legt Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen wie der komplexen Viskosität und den dynamischen Modulen fest. Diese Parameter sind für die Charakterisierung thermoplastischer Werkstoffe von grundlegender Bedeutung und werden in der Polymerwissenschaft, der Werkstofftechnik und der industriellen Verarbeitung vielseitig eingesetzt. 

ASTM D4440 ist hinsichtlich des Anwendungsbereichs eng mit ISO 6721-10 verwandt. Die Norm findet breite Anwendung in der Forschung, der Qualitätskontrolle und bei der Optimierung der Verarbeitungsbedingungen für Polymerschmelzen. Die Norm legt ein Prüfverfahren fest, bei dem das Messgerät eine geschmolzene Polymerprobe einer erzwungenen, nichtresonanten oszillatorischen Scherdeformation aussetzt. „Erzwungen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Messgerät – typischerweise ein Rotationsrheometer – die Deformation aktiv vorgibt und diese nicht aus der Eigendynamik des Materials resultiert. Das Messgerät gibt üblicherweise ein sinusförmiges Signal vor; die Regelung erfolgt entweder über die Dehnung oder die Schubspannung.

Der Begriff „nichtresonant“ bedeutet, dass die Messung außerhalb der Eigenfrequenzen des Systems aus Messgerät und Probe erfolgt. Dadurch gibt die gemessene Antwort die intrinsischen Materialeigenschaften wieder und wird nicht durch resonanzbedingte Trägheits- oder mechanische Effekte beeinflusst. Das Verfahren erfasst somit gezielt die viskoelastische Antwort der Polymerschmelze unter klar definierten Bedingungen.

Diese empfindliche Methode liefert über einen weiten Frequenzbereich (typischerweise 0,01 Hz bis 100 Hz) und damit über einen breiten Zeitskalenbereich sowie bei unterschiedlichen Dehnungsamplituden Informationen zum mechanischen Verhalten der Polymerschmelze. Das Verfahren ermöglicht Messungen unter isothermen Bedingungen (bei konstanter Temperatur) oder im Verlauf von Temperaturrampen und damit die Untersuchung des thermorheologischen Verhaltens. 

Der Speichermodul kennzeichnet den elastischen (energiespeichernden), der Verlustmodul den viskosen (energiedissipierenden) Anteil. Für beide Kenngrößen gilt:

$G' = \frac{\sigma_0}{\gamma_0}\cos\delta, G'' = \frac{\sigma_0}{\gamma_0}\sin\delta$

Der komplexe Schubmodul ist definiert als:

$G^* = G' + iG''$

Die komplexe Viskosität ist definiert als:

$\eta^* = \frac{G^*}{\omega}$

Diese Kenngrößen beschreiben umfassend das viskoelastische Verhalten von Polymerschmelzen im linear-viskoelastischen Bereich. Insbesondere wird das Verhältnis $\tan(\delta) = \frac{G''}{G'}$ häufig herangezogen, um zu beurteilen, ob das viskose oder das elastische Verhalten überwiegt.

Für diese Messungen eignen sich Messgeometrien wie Kegel-Platte- oder Parallelplattengeometrien. Bei Grenzflächenschlupf (Wandschlupf) kann eine geriffelte Messgeometrie eingesetzt werden, um diesen Effekt zu minimieren. 

Das Gerät sollte mit Sensoren ausgestattet sein, die abhängige und unabhängige Versuchsparameter mit der erforderlichen Genauigkeit erfassen: Temperatur ±1 °C, Frequenz ±1 %, Dehnung ±1 % und Kraft ±1 %. Von grundlegender Bedeutung ist die Temperiereinheit: Sie ermöglicht bei stufenweisen oder rampenförmigen Aufheiz- und Abkühlprogrammen eine präzise Regelung der Probentemperatur sowie das Spülen mit Luft oder Inertgas, um die Messatmosphäre gezielt einzustellen. Die Regelung der Gasatmosphäre ist entscheidend, um den thermooxidativen Abbau zu unterdrücken, dem Polymerschmelzen bei erhöhten Temperaturen unterliegen können. Solche Bedingungen werden bei rheologischen Prüfungen häufig eingesetzt, da sie industrielle Verarbeitungsbedingungen realitätsnah abbilden.

Das in ASTM D4440 definierte Prüfverfahren umfasst mehrere wesentliche Schritte, um reproduzierbare Messergebnisse sicherzustellen:

• Zunächst wird der Messspalt des Rheometers kalibriert und unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung des Messsystems eingestellt. Dies ist insbesondere bei Temperatursweeps mit großen Temperaturänderungen unerlässlich. 
• Eine repräsentative Probe der Polymerschmelze wird zwischen die Messkörper eingebracht. Dabei ist auf eine gleichmäßige Verteilung zu achten, und Lufteinschlüsse sind weitestgehend zu vermeiden. Die Probe muss homogen und repräsentativ sein. 
• Die Probendicke wird eingestellt (bei Parallelplattengeometrien üblicherweise auf 1 mm bis 3 mm), und überschüssiges Material wird entfernt. 
• Die Messungen können unter isothermen Bedingungen oder während kontrollierter Temperaturrampen durchgeführt werden, die Verarbeitungsbedingungen nachbilden. 
• Die oszillatorische Deformation wird innerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs aufgeprägt, der häufig mithilfe von Deformationsamplitudensweeps bestimmt wird. 
• Anschließend werden Frequenzsweeps, Deformationsamplitudensweeps oder Temperatursweeps durchgeführt, um viskoelastische Spektren zu ermitteln. 

Das Verfahren unterstreicht die Bedeutung stabiler thermischer Bedingungen und der Vermeidung eines Polymerabbaus während der Prüfung. Wie bereits erwähnt, ist die Möglichkeit, unter Inertgasatmosphäre zu messen, für Proben entscheidend, die zu thermooxidativem Abbau neigen. 

• Anzahl der geprüften Proben und experimentelle Variabilität 
• Grafische Darstellung rheologischer Eigenschaften in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur oder Zeit 

Eine umfassende Dokumentation ist unerlässlich, da Unterschiede in den Prüfbedingungen die gemessenen rheologischen Eigenschaften erheblich beeinflussen können.

Die Präzision des Verfahrens nach ASTM D4440 wurde anhand von Ringversuchen gemäß ASTM E691 bewertet. 

Dabei wurden sowohl die Wiederholbarkeit (innerhalb eines Labors) als auch die Reproduzierbarkeit (zwischen verschiedenen Laboren) bewertet:

• Wiederholbarkeit (r): Bezeichnet die zulässige Differenz zwischen zwei Ergebnissen, die unter identischen Bedingungen im selben Labor erzielt werden.
• Reproduzierbarkeit (R): Bezeichnet die zulässige Differenz zwischen Ergebnissen, die in verschiedenen Laboren erzielt werden.

Die Norm enthält statistische Kennwerte für mehrere Materialien, die bei unterschiedlichen Frequenzen und Temperaturen geprüft wurden. Diese zeigen, dass die Streuung sowohl von den Materialeigenschaften als auch von den Prüfbedingungen abhängt.

Da kein absoluter Referenzstandard vorliegt, lässt sich die systematische Messabweichung dieses Verfahrens nicht quantitativ bestimmen.

Darüber hinaus reagiert die Methode empfindlich auf Formulierungseinflüsse wie Füllstoffe, Weichmacher und Stabilisatoren, die die Schmelzerheologie und Verarbeitbarkeit verändern können. 

Daher eignet sich die Methode besonders zur Beurteilung der folgenden technischen Eigenschaften: 

• Komplexe Viskosität von Polymerschmelzen in Abhängigkeit von der vorgegebenen oszillatorischen Scherung
• Verarbeitungsviskosität, einschließlich Mindestviskosität und Viskositätsänderungen in Abhängigkeit von den Versuchsparametern 
• Verarbeitungseinflüsse
• Relative rheologische Eigenschaften von Polymeren, einschließlich Viskosität und Dämpfung
• Auswirkungen von Formulierungsadditiven

Das in ASTM D4440 beschriebene Prüfverfahren wird in der Polymerverarbeitung und Werkstoffentwicklung häufig eingesetzt. 

Es ist besonders relevant für:

• Optimierung der Prozessbedingungen bei Extrusion, Spritzgießen und Blasfolienextrusion 
• Qualitätskontrolle von Rohstoffen und Fertigprodukten 
• Bewertung der thermischen Stabilität und des Abbauverhaltens 
• Charakterisierung des viskoelastischen Verhaltens zur Unterstützung der technischen Auslegung 

Da nur geringe Probenmengen erforderlich sind, eignet sich das Verfahren auch für Forschungsanwendungen und die Werkstoffvorauswahl in frühen Entwicklungsphasen.

Obwohl ASTM D4440 einen standardisierten Rahmen vorgibt, hängen die Ergebnisse stark von den Versuchsbedingungen wie Temperaturregelung, Probenvorbereitung und Wahl der Messgeometrie ab. Bereits geringe Abweichungen bei diesen Parametern können zu Unterschieden zwischen den Laboren führen. Die Norm betont daher die Notwendigkeit einer detaillierten Dokumentation der Prüfbedingungen, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Ringversuche zur Bewertung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit haben gezeigt, wie wichtig eine sorgfältige Kalibrierung und eine einheitliche Methodik sind.

ASTM D4440 ist eine grundlegende Norm für die rheologische Charakterisierung von Polymerschmelzen mittels dynamisch-mechanischer Analyse. Ihre einheitliche Methodik zur Messung viskoelastischer Eigenschaften unter oszillatorischer Scherung ermöglicht ein tieferes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und des Verarbeitungsverhaltens von Polymeren. Durch die Verknüpfung rheologischer Grundlagen mit praxisorientierter Messtechnik ist ASTM D4440 ein unverzichtbares Instrument für Industrie und Wissenschaft. Die konsequente Anwendung von ASTM D4440 fördert die Reproduzierbarkeit und Standardisierung von Messergebnissen sowie die Weiterentwicklung der Polymerwissenschaft.

ASTM International (2008) ASTM D4440 – Standardprüfverfahren für Kunststoffe: Dynamisch-mechanische Eigenschaften: Schmelzerheologie. West Conshohocken, PA: ASTM International. 

ASTM International (2008) ASTM D4065 – Standardverfahren für Kunststoffe: Dynamisch-mechanische Eigenschaften: Ermittlung und Dokumentation der Verfahren. West Conshohocken, PA: ASTM International.

Ferry, J.D. (1980) Viskoelastische Eigenschaften von Polymeren. 3. Aufl. New York: Wiley.

Macosko, C.W. (1994) Rheologie: Grundlagen, Messverfahren und Anwendungen. New York: Wiley.

ISO (1997) ISO 6721-10: Kunststoffe — Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften — Teil 10: Komplexe Scherviskosität mit einem Oszillationsrheometer mit parallelen Platten. Genf: Internationale Organisation für Normung.