Wie nimmt UHMWPE-Skibelagmaterial Wachs auf? – Teil 2
1.3 Welche Bereiche können Wachs aufnehmen?
Unter normalen Bedingungen können Wachsmoleküle nicht frei in die vollkommen geordneten kristallinen Bereiche des UHMWPE eindringen.
In der kristallinen Phase sind die Polymerketten dicht gepackt. Zwischen ihnen steht nicht genügend freies Volumen zur Verfügung, um eine leichte Diffusion von Paraffinwachsmolekülen zu ermöglichen.
Kristalline Bereiche stellen hinsichtlich der Wachspenetration daher praktisch geschlossene oder nur sehr schwer zugängliche Materialbereiche dar.
Wachs kann hauptsächlich in folgende Bereiche eindringen:
- amorphe Bereiche,
- weniger geordnete Teile der Übergangsbereiche,
- Phasengrenzflächen,
- Defekte und Hohlräume, die während des Sinterns entstehen,
- Mikrorisse und Oberflächenunregelmäßigkeiten,
- durch Schleifen oder Gebrauch veränderte Bereiche.
Die Aussage, dass amorphe Bereiche und Übergangsbereiche Wachs aufnehmen können, bedeutet jedoch nicht, dass alle diese Bereiche gleichermaßen zugänglich sind.
Ein Teil der amorphen Phase kann zwischen kristallinen Lamellen eingeschlossen sein, ohne über einen Diffusionsweg mit der Oberfläche verbunden zu sein.
Übergangsbereiche sind zudem strukturell stärker eingeschränkt als die vollständig amorphe Phase.
Ihre Fähigkeit zur Wachsaufnahme kann daher geringer sein und hängt von der lokalen Dichte und Beweglichkeit der Polymerketten ab.
Für die praktische Wachsimprägnierung des Skibelags ist deshalb nicht allein der Gesamtanteil des amorphen Materials entscheidend.
Maßgeblich ist vielmehr der Anteil der amorphen Bereiche und Übergangsbereiche, die:
- mit der Oberfläche verbunden sind,
- bei der Anwendungstemperatur eine ausreichende molekulare Beweglichkeit aufweisen,
- für die Moleküle des verwendeten Wachses geometrisch zugänglich sind.
1.4 Relative Anteile der kristallinen, amorphen und Übergangsphasen
UHMWPE ist ein hochkristallines Polymer. Die genauen Anteile der einzelnen Phasen sind jedoch nicht für alle Materialien gleich.
Sie hängen insbesondere von folgenden Faktoren ab:
- Art und Molekulargewicht des ursprünglichen UHMWPE,
- Press- und Sinterbedingungen,
- Abkühlgeschwindigkeit,
- Vorhandensein von Additiven,
- Orientierung des Materials,
- nachfolgenden thermischen und mechanischen Bearbeitungsprozessen.
In der herkömmlichen Zweiphasenbeschreibung werden normalerweise lediglich kristalline und amorphe Bereiche unterschieden.
Für die Beschreibung der Wachsaufnahme ist dieses Modell jedoch zu stark vereinfacht.
Ein erheblicher Anteil der Polymerketten kann nämlich eine Beweglichkeit aufweisen, die zwischen dem vollkommen kristallinen und dem vollständig amorphen Zustand liegt.
Für ein Arbeitsmodell des Skibelags ist es deshalb zweckmäßiger, drei Gruppen zu betrachten:
- die kristalline Phase,
- die Übergangsphase beziehungsweise die starre amorphe Phase,
- die stärker bewegliche amorphe Phase.
Darüber hinaus muss zwischen folgenden Größen unterschieden werden:
- dem Volumenanteil der einzelnen Phasen,
- der typischen Größe der einzelnen Domänen,
- der gesamten Grenzfläche zwischen diesen Bereichen.
Ein Material kann beispielsweise einen hohen Anteil kristalliner Phase aufweisen und gleichzeitig über eine sehr feine Lamellenstruktur verfügen.
In diesem Fall kann eine große Gesamtgrenzfläche zwischen den kristallinen und amorphen Bereichen entstehen.
Umgekehrt kann ein Material mit demselben Gesamtgrad an Kristallinität, jedoch größeren kristallinen Domänen, eine kleinere Gesamtfläche der Übergangsbereiche aufweisen.
Aus der Perspektive der Wachsaufnahme reicht es daher nicht aus, lediglich den prozentualen Kristallinitätsgrad zu kennen.
Ebenso wichtig sind die Größe und räumliche Anordnung der kristallinen Lamellen, der amorphen Bereiche und der Grenzflächen beziehungsweise Übergangsbereiche.
1.5 Zusammenhang zwischen Domänengröße und Wachsaufnahme
Die Größe der einzelnen kristallinen und amorphen Bereiche kann die Fähigkeit des Skibelags zur Wachsaufnahme auf unterschiedliche Weise beeinflussen.
Größere kristalline Bereiche
Größere und stärker geordnete kristalline Bereiche bilden ausgedehntere Materialzonen, die für Wachs nur schwer zugänglich sind.
Wenn gleichzeitig die gesamte Grenzfläche zwischen den Phasen abnimmt, kann sich auch die Anzahl der Wege verringern, über die Wachs in die oberflächennahe Polymerzone eindringen kann.
Kleinere kristalline Lamellen
Bei gleichem Kristallinitätsgrad kann eine feinere kristalline Struktur eine größere Gesamtgrenzfläche zwischen kristalliner und amorpher Phase erzeugen.
Dadurch kann der Anteil des Übergangsmaterials zunehmen.
Dies führt jedoch nicht automatisch zu einer stärkeren Wachsaufnahme, da einige Übergangsbereiche steif, dicht und für Wachsmoleküle nur schwer zugänglich sein können.
Größere, miteinander verbundene amorphe Bereiche
Ausgedehntere und miteinander verbundene amorphe Bereiche können leichtere Diffusionswege von der Oberfläche in das Materialinnere schaffen.
Kleine, isolierte amorphe Bereiche
Ein amorpher Bereich, der zwischen kristallinen Lamellen eingeschlossen ist, kann für Wachs praktisch unzugänglich sein.
Dies gilt auch dann, wenn dieser Bereich bei der Bestimmung des gesamten amorphen Anteils des Materials berücksichtigt wird.
Entscheidend ist deshalb nicht allein die Menge des amorphen Materials, sondern auch:
- seine Größe,
- die gegenseitige Vernetzung der Bereiche,
- die Entfernung von der Oberfläche,
- die molekulare Beweglichkeit,
- die Verbindung zu Phasengrenzflächen und defektreichen Bereichen.