Environmental stress cracking of polyethylene high density (PE-HD) induced by liquid media - validation and verification of the full-notch creep test (FNCT)

The full-notch creep test (FNCT) is widely used to characterize the slow crack growth (SCG) behavior of polyolefin materials in ""inert"" media as well as effects of environmental stress cracking (ESC) in which the medium has decisive influence on damage mechanism and time to failure. The test is of greatest importance for pipe and blow molding types of polyethylene, high density (PE-HD). Usually the full-notch creep test is applied as a standardized testing method (ISO 16770) using a few universal liquid media, such as solutions of Arkopal N 100. In our study, selected relevant polyethylene, high density materials are investigated also in real media - practical formulations as well as representative pure chemicals - and influences of temperature and geometry of specimen and notch are explicitly addressed. Furthermore, the investigations comprise also the environmental stress cracking behavior of polyethylene, high density in media that are sorbed to a significant extent - examples are diesel and biodiesel - based on comparison with samples previously saturated with those media. Thus, also the underlying diffusion controlled sorption process has to be assessed before. The investigations were performed using a full-notch creep testing device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.

Der Kriechversuch an Probekörpern mit umlaufender Kerbe (FNCT) wird flächendeckend angewendet, um das Verhalten von Polyolefinen sowohl gegenüber langsamen Risswachstums (SCG) bei Kontakt mit ""inerten"" Medien als auch gegenüber umgebungsbedingtem Spannungsrisswachstum (ESC), bei welchem das umgebende Medium entscheidenden Einfluss auf den Schädigungsmechanismus und die Standzeit hat, zu charakterisieren. Der Test ist von großer Bedeutung bei der Analyse von hochdichten Polyethylen-Typen, die als Rohr- und Blasformwerkstoffe angewendet werden - dabei besonders für Transport und Verpackung von Gefahrstoffen, aber auch für weitere Hochleistungsanwendungen. Üblicherweise wird der Kriechversuch an Probekörpern mit umlaufender Kerbe als Normmethode (ISO 16770) unter Verwendung einiger weniger universeller Modellflüssigkeiten, wie z. B. Arkopal N 100, durchgeführt. In dieser Studie werden ausgewählte, marktrelevante Polyethylen-Werkstoffe hoher Dichte in realen Medien - praktisch verwendete Gefahrgüter sowie repräsentative reine Chemikalien - untersucht und explizit die Einflüsse von Temperatur und Prüfkörper- sowie Kerbgeometrie adressiert. Weiterhin beinhalten die Untersuchungen die Analyse des umgebungsbedingten Spannungsriss-Verhaltens von Polyethylen hoher Dichte in Medien, die maßgeblich vom Werkstoff sorbiert sind - beispielsweise mit Kraftstoffen wie diesel und biodiesel - basierend auf dem Vergleich mit vorgesättigten Probekörpern. Der dabei vorliegende diffusionsgesteuerte Sorptionsprozess muss dementsprechend zuvor evaluiert werden. Alle Untersuchungen wurden mithilfe einer Kriechversuchsanlage an Probekörpern mit umlaufender Kerbe mit 12 Stationen durchgeführt, welche jeweils mit einer individuell ansteuerbaren elektronischen Spannungs- und Temperatursteuerung sowie fortwährender Online-Überwachung der Prüfkörperdehnung ausgestattet sind.