Prüfung von hochmolekularem Polyethylen-Folien – Charakterisierung von mechanischen, tribologischen und Barriere-Eigenschaften für technische Anwendungen
Als nach ISO/IEC 17025 akkreditiertes (CNAS) unabhängiges Prüflabor führen wir Prüfungen von hochmolekularem Polyethylen (PE‑UHMW) Folien für Hersteller von Schutzfolien, Abdeckmaterialien, Gleitkomponenten und medizinischen Verpackungen in Österreich durch. Hochmolekulares Polyethylen (PE‑UHMW) zeichnet sich durch extrem hohe Abriebfestigkeit, sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, hohe Schlagzähigkeit und chemische Beständigkeit aus. In Folienform (Dicken von 0,2 mm bis 3 mm) wird es als Auskleidung von Rutschen, Förderanlagen, Gleitplatten, als Schutzfolie für empfindliche Oberflächen, in der Lebensmittelindustrie (Schneidebretter) und als Komponente in Dichtungen verwendet. Die Qualität der Folie hängt vom Molekulargewicht, der Gleichmäßigkeit der Dicke, der Zugfestigkeit, der Weiterreißfestigkeit, dem Gleitverhalten und der Dimensionsstabilität bei Temperaturwechseln ab. Unser Labor führt Zugversuche (längs/quer), Weiterreißversuche, Shore‑Härte, Gleitreibungsmessungen, Schlagzähigkeitsprüfungen (Instrumentierter Falltest), thermische Analyse (DSC, Schmelzindex), Dicken- und Maßhaltigkeitsprüfungen durch. Wir orientieren uns an ISO 11542 (PE‑UHMW), ASTM D638, ASTM D1004, ISO 8296 (Oberflächenspannung) und den einschlägigen ÖNORMEN. Die Ergebnisse unterstützen Hersteller in der Prozessoptimierung (Extrusion, Kalander), Anwender bei der Werkstoffauswahl und Qualitätssicherungsteams bei der Eingangskontrolle.
Typen von PE‑UHMW Folien und Proben, die wir prüfen
- Extrudierte, unidirektionale Folien (Längsorientierung) für Gleitanwendungen
- Kalandrierte Folien (isotrop) für Schutz- und Abdeckzwecke
- Folien mit unterschiedlichen Molekulargewichten (3,5 Mio. – 9 Mio. g/mol)
- Additivierte Folien (mit Ruß, Gleitadditiven, UV‑Stabilisatoren, antistatische Ausrüstung)
- Folien für Lebensmittelkontakt (entsprechend EU 10/2011)
- Geschweißte Folien (Messung der Schweißnahtfestigkeit)
- Proben aus Serienfertigung (zur Chargenfreigabe von Dicke und Festigkeit)
- Alterungsproben (nach Bewitterung, Wärmelagerung) für Lebensdauerabschätzung
- Vergleichsmuster von Wettbewerbern (Benchmarking von Reibung und Verschleiß)
- Ausgestanzte Normprüfkörper für Zug‑, Weiterreiß‑ und Weiterreißversuche
Wichtige Fehlerarten und Qualitätsparameter bei PE‑UHMW Folien
- Dickenunregelmäßigkeiten (Schwankung > ±10%) – Führen zu Undichtigkeiten oder lokaler Überlastung.
- Geringe Zugfestigkeit oder ungleichmäßige Orientierung (längs/quer) – Einschränkung der Anwendbarkeit für hochbeanspruchte Teile.
- Niedrige Weiterreißfestigkeit – Folie reißt bereits bei kleinen Einrissen, z. B. an Befestigungsbohrungen.
- Hoher Reibungskoeffizient (trocken oder gegen Stahl) – Verschlechterung des Gleitverhaltens, erhöhter Verschleiß des Gegenkörpers.
- Porosität, Lunker oder Blasen in der Folie – Schwächung der Dichtheit und Festigkeit.
- Schlechte Schweißbarkeit (geringe Nahtfestigkeit) – Verbot von Schweißnähten im Einsatz.
- Dimensionsänderung durch thermische Schrumpfung oder Dehnung – Passungsprobleme bei Montage.
- Molekulargewichtsabfall während der Extrusion – Verminderung der Abriebfestigkeit.
Prüfmethoden im Detail
1. Dickenmessung
Die Dicke wird mit einem kalibrierten Messschraubstock (Genauigkeit ±0,001 mm) an 20 repräsentativen Stellen über die Folienbreite und -länge gemessen. Zulässige Schwankung: ≤ ±5 % vom Nennwert.
2. Zugfestigkeit und Bruchdehnung (ISO 527-3, ASTM D638)
Aus der Folie werden Schulterstäbe (Typ 5) in Längs- und Querrichtung gestanzt. Die Proben werden in einer Universalprüfmaschine mit einer konstanten Geschwindigkeit (50 mm/min) bis zum Bruch gedehnt. Gemessen werden die Zugfestigkeit (MPa), die Bruchdehnung (%) und der Elastizitätsmodul (MPa). Typische Werte für PE‑UHMW Folien: Zugfestigkeit > 30 MPa, Bruchdehnung > 300 %.
3. Weiterreißfestigkeit (ISO 6383-2, Elmendorf)
Eine genormte Probe mit eingekerbtem Einschnitt wird in einem Pendelreißtester zerrissen. Die mittlere Reißkraft (N) oder die spezifische Weiterreißenergie (mJ) wird ermittelt. Die hohe Weiterreißfestigkeit ist ein charakteristisches Merkmal von PE‑UHMW (typisch > 30 N bei 1 mm Dicke).
4. Reibungsmessung (Gleitreibungskoeffizient) – ISO 8295
Ein Gleitschlitten (200 g, mit Folie bespannt) wird über eine Gegenfläche (Stahl, eigene Folie) mit 100 mm/min gezogen. Der Reibungskoeffizient (μ) wird als Mittelwert über 100 mm Weg aufgezeichnet. Für PE‑UHMW wird μ ≈ 0,10 – 0,15 gegen Stahl erwartet. Nach Alterung oder Wasserlagerung darf der Wert nicht über 0,20 steigen.
5. Schlagzähigkeit (instrumentierter Falltest – ISO 7765-1)
Eine eingespannte Folienprobe (Durchmesser 100 mm) wird mit einem Fallhammer (Masse 2 kg, 10 mm Durchmesser) aus definierter Höhe beaufschlagt. Gemessen wird die Schlagenergie (J) beim Durchstoß. Für PE‑UHMW Folien wird bei 1 mm Dicke eine Durchstoßenergie > 10 J angestrebt (bei 23°C).
6. Thermische Analyse (DSC – Schmelzpunkt, Kristallinität)
Mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) wird eine Probe von 5–10 mg unter Stickstoff mit 10 K/min aufgeheizt. Der Schmelzpunkt von PE‑UHMW liegt typisch bei 130–136°C. Die Kristallinität (40–60%) gibt Aufschluss über die Molekularorientierung. Ein zweiter Aufheizzyklus nach definierter Abkühlung zeigt die Rekristallisation.
7. Bestimmung des Molekulargewichts (Viskositätszahl / Lösungsviskosität)
In einem Lösungsmittel (Decalin) wird die Viskosität der gelösten Polymerlösung gemessen, daraus die intrinsische Viskosität [η] und nach Mark‑Houwink das Molekulargewicht (Mv) berechnet. Ein Absinken des Molekulargewichts unter 3,5 Mio. g/mol deutet auf thermischen Abbau während der Extrusion hin.
8. Schrumpfverhalten (Dimensionsstabilität bei Wärme)
Eine Folienprobe (200×200 mm) wird 30 Minuten bei 100°C im Umluftofen gelagert, dann vermessen. Die Schrumpfung in Längs- und Querrichtung wird in % angegeben. Zulässig sind meist < 2 %.
9. Beständigkeit gegen Chemikalien und Umweltmedien
Die Proben werden 7 Tage bei 23°C in verschiedene Testflüssigkeiten (Öle, Säuren, Laugen, Kraftstoffe, Wasser) gelagert. Nach der Lagerung werden Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Gewichtsveränderung gemessen. PE‑UHMW ist gegenüber den meisten Chemikalien beständig (Gewichtsveränderung < 1 %, Festigkeitsabfall < 10 %).
10. Oberflächenspannung (Benetzbarkeit) für Bedruckbarkeit oder Klebbarkeit
Testtinten nach DIN ISO 8296 werden auf die Folienoberfläche aufgetragen; die höchste Tinte, die noch benetzt (Tropfen bleibt < 2 s), ergibt die Oberflächenspannung in mN/m. Für nachträgliche Bedruckung oder Verklebung sind Werte > 40 mN/m erwünscht.
Probenvorbereitung und Konditionierung
- Die Folienproben werden 48 h bei 23°C ± 2°C und 50% ± 5% relativer Luftfeuchte konditioniert.
- Für jeden Prüfparameter werden mindestens 5 Einzelproben aus verschiedenen Bereichen der Folienbahn entnommen.
- Bei anisotropen Folien (längsorientiert) werden Proben sowohl in Längs- als auch in Querrichtung geprüft.
- Für die Reibungsmessung muss die Prüffläche staub‑ und fettfrei sein.
Qualitätskontrolle und Akzeptanzkriterien (Richtwerte)
Die folgenden Anhaltswerte beziehen sich auf hochmolekulare PE‑UHMW Folien (Nennmolekulargewicht > 5 Mio. g/mol). Der Kunde muss seine spezifischen Grenzwerte festlegen.
- Dicke: Sollwert ±5 %
- Zugfestigkeit (längs/quer): ≥ 30 MPa / ≥ 25 MPa
- Bruchdehnung: ≥ 300 %
- Weiterreißfestigkeit: ≥ 30 N (bei 1 mm Dicke)
- Gleitreibungskoeffizient μ (gegen Stahl): ≤ 0,15
- Durchstoßenergie (23°C): ≥ 10 J (1 mm Dicke)
- Schmelzpunkt: 130 – 136°C, Kristallinität ≥ 45%
- Thermische Schrumpfung (100°C/30 min): ≤ 2 %
- Gewichtsänderung nach Chemikalienlagerung: ≤ 1 %
Prüfbericht und Dokumentation
Jeder Prüfbericht für PE‑UHMW Folien enthält folgende Informationen:
- Probenidentifikation (Hersteller, Typ, Nenndicke, Molekulargewicht, Charge, Produktionsdatum)
- Konditionierungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Dauer)
- Dickenmesswerte (min, max, Mittelwert, Standardabweichung)
- Zugfestigkeits- und Dehnungsergebnisse (längs, quer) mit Kraft‑Dehnungs-Diagramm
- Weiterreißfestigkeit (N, mJ) und Beurteilung
- Gleitreibungskoeffizient (μ) gegen definierte Gegenfläche
- Schlagzähigkeit (Durchstoßenergie in J, Bruchbild)
- Thermische Daten (Schmelzpunkt, Kristallinität, DSC-Kurve)
- Dimensionsänderung nach Wärmelagerung (Schrumpfungsprozente)
- Chemikalienbeständigkeit (Gewichtsänderung, Festigkeitsverlust)
- Oberflächenspannung (mN/m) bei Bedarf
- Vergleich mit den Kundenspezifikationen (falls vorhanden) – „entspricht“ / „entspricht nicht“
- Archivierung der Rohdaten für 10 Jahre
Anwendungen in der österreichischen Industrie
- Fördertechnik (z. B. für Kies- und Erzaufbereitung): Gleitfolien für Rutschen und Trichter – Prüfung des Reibungskoeffizienten und der Abriebfestigkeit.
- Lebensmittelverarbeitung (Fleisch- und Käseverarbeitung): Schneidbretter und Förderbänder aus PE‑UHMW Folie – Bestimmung der Hygiene- und Verschleißfestigkeit.
- Medizintechnik (Implantate, OP‑Abdeckungen): Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit (Gamma, Ethylenoxid) – physikalische Prüfungen vor und nach Sterilisation.
- Verpackungsindustrie: Schutzfolien für empfindliche Oberflächen (z. B. Lkw‑Ladeflächen) – Prüfung der Weiterreißfestigkeit und Reißdehnung.
- Maschinenbau: Gleitbahnfolien für Linearführungen – Messung der Verschleißrate unter oszillierender Bewegung.
