DE10022818A1 - Ermittlung materialspezifischer Größen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Ermittlung von materialspezifischen Größen deformierbarer Körper, wobei die Vorrichtung Halterungen (2; 3) für eine Probe (4) des deformierbaren Körpers, eine Spanneinrichtung, mittels deren die Halterungen (2; 3) relativ zueinander bewegbar sind, einen Kraftmesser (7), der die zur Relativbewegung der Halterungen (2; 3) aufgebrachte Kraft ermittelt, und eine Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Reaktion der Probe (4) auf die Relativbewegung der Halterungen (2; 3) umfaßt, wird so ausgebildet, daß die Probe (4) in der Vorrichtung (1) variabel temperierbar ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und zwei Verfahren zur Ermittlung von materialspezifischen Größen deformierbarer Körper nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie nach dem Oberbegriff der Ansprüche 6 und 11.

Es ist bekannt, Spannungs-Dehnungsdiagramme von deformierbaren Körpern aufzunehmen, wobei diese in Halterungen eingespannt sind und unter isother­ men Verhältnissen einer konstanten Kraft oder einer konstanten Dehnung aus­ gesetzt werden. Durch Umordnungsprozesse im Material ergibt sich ein zeitab­ hängiger Verlauf der gemessenen Reaktion der Probe, wenn diese etwa lang­ kettige Polymere enthält. Bei Einleitung einer konstanten Dehnung ändert sich die zum Aufbringen der Dehnung erforderliche Kraft über den Zeitverlauf, wo­ bei der Quotient der zeitabhängigen Spannung σ der Probe und der (konstan­ ten) Dehnung ε den Elastizitätsmodul E liefert, der bei Körpern mit zeitabhängi­ gen Umordnungsprozessen als Relaxationsmodul bezeichnet wird. Ein derarti­ ger Relaxationsmodul ist in seiner Temperaturabhängigkeit zu ermitteln, um dadurch abschätzen zu können, welcher Temperatur ein Werkstück aus dem zu prüfenden Material unter Erfüllung vorgegebener mechanischer Anforde­ rungen ausgesetzt werden kann. Es ist hierfür bekannt, die Probe etwa über einen Meßzeitraum von typisch 1000 Stunden isotherm bezüglich ihres Rela­ xationsmoduls zu vermessen. Eine weitere Messung über den gleichen Zeit­ raum findet dann bei einer erhöhten Temperatur statt. Gegebenenfalls wird eine ganze Reihe von Messungen bei jeweils unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, was einen erheblichen Zeitaufwand erfordert. Durch die Ausnut­ zung des Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzips werden die einzelnen Kurven zu einer Gesamtkurve, der sogenannten Masterkurve, zusammengesetzt. Um diese Kurve zu erhalten, ist daher eine Vielzahl von für sich schon langwierigen Messungen durchzuführen. Derartige, an einer Probe vorgenommene Messun­ gen können sich daher über Monate erstrecken.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 5, 7 bis 10 und 12 bis 14 angege­ ben.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist während einer Deformation der Probe eine Temperaturänderung möglich, so daß nicht mehr einzelne Mes­ sungen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden müssen, sondern in einer Messung eine Temperaturabhängigkeit der materialimma­ nenten Größen ermittelt werden kann. Der Zeitaufwand für derartige Messun­ gen ist dadurch erheblich verringert. Dies gilt für verschiedene Materialkon­ stanten, beispielsweise den Schubmodul, den Relaxationsmodul oder den Re­ tardationsmodul.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 6 wird eine Meßkurve erhalten, die über den Temperaturverlauf eine Änderung der Spannung in der Probe wiedergibt. Be­ sonders vorteilhaft wird die Temperatur dabei linear variiert, was die mathema­ tische Auswertung der Messung erleichtert. Dann besteht eine Proportionalität zwischen Zeit und Temperatur, so daß als Abszisse der eine oder andere Para­ meter angetragen werden kann. Durch Ableitung der normierten Spannungs­ kurve über den Temperaturverlauf wird unmittelbar das Relaxationsspektrum erhalten, wobei die verschiedenen Peaks unterschiedlichen Bestandteilen der ausgemessenen Probe, beispielsweise Styrol oder Polypropylen, zugeordnet werden können.

Somit ist es insgesamt ermöglicht, die technische Einsetzbarkeit eines Werk­ stoffs vorauszusagen, ohne hierfür monate- oder gar jahrelange Messungen vorausschicken zu müssen.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 einzelne Meßkurven des Relaxationsmoduls bei unter­ schiedlichen Temperaturen und eine daraus zusammen­ gesetzte Masterkurve,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 zum Prinzip der Zeit- Temperatur-Superposition,

Fig. 4 eine erfindungsgemäß bei variabler Temperatur gemes­ sene Spannungsrelaxationskurve sowie ein daraus er­ mitteltes Relaxationsspektrum,

Fig. 5 zwei verschiedene Relaxationsspektren als Funktion der Zeit,

Fig. 6 ähnliche Relaxationsspektren wie in Fig. 5, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Funktion der Tempe­ ratur ermittelt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines idealisierten Relaxa­ tionsmoduls als Funktion der Zeit,

Fig. 8 eine schematisierte Darstellung eines aus dem Relaxa­ tionsmodul nach Fig. 7 gewonnenen Relaxationssprek­ trums.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 zeigt als Halterungen 2, 3 eine obere Einspann­ klemme 2 und eine unteren Einspannklemme 3, zwischen denen eine Probe 4 gehalten ist. Die obere Halterung 2 ist gegenüber der unteren Halterung 3 rela­ tivbeweglich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Relativbewegung vertikal in Richtung des Pfeils 5 möglich. Auch eine andere Relativbewegung, beispielsweise ein horizontales Verschieben der Klemmen 2 und 3 zur Ermitt­ lung eines Schermoduls, ist denkbar, ebenso beispielsweise eine Torsionsbe­ anspruchung der Probe 4.

Die obere Einspannklemme 2 ist mittels eines stabförmigen Verbindungsteils 6 mit einer Kraftmeßeinrichtung 7 und einer Einrichtung zur Krafteinleitung (nicht eingezeichnet), beispielsweise einem Handhebel oder einem Zugmotor, ver­ bunden. Dieser kann eine über die Meßeinrichtung 7 meßbare Zugkraft auf das Verbindungsteil 6 und die obere Halterung 2 bewirken. Zusätzliche Meßein­ richtungen können vorgesehen sein.

Die Probe 4 ist insgesamt in einem Behältnis 9 aufgenommen, das mit einer variabel temperierbaren Flüssigkeit 10, etwa Silikonöl, befüllt ist, wobei der Flüssigkeitsspiegel 11 auch im gestreckten Zustand der Probe 4 derart liegt, daß diese vollständig im Wärmebad gehalten ist. Anstelle der Flüssigkeit kommt auch ein gasförmiges Medium, beispielsweise ein Inertgas wie Stick­ stoff, in Betracht.

Die Flüssigkeit 11 kann beispielsweise induktiv oder auf andere, an sich be­ kannte Arten definiert beheizbar sein. An Stelle einer Flüssigkeit 10 kommt auch in Betracht, die Probe 4 direkt aufzuheizen. Das Wärmebad mit der Flüs­ sigkeit 10 hat jedoch den Vorteil, daß eine gleichmäßige Temperaturänderung in der Probe 4 einfach erreicht werden kann.

Die Aufheizung der Flüssigkeit 10 und damit der Probe 4 kann linear erfolgen, wodurch eine Proportionalität zwischen der in der Probe erreichten Temperatur und der Dauer der Messung erreicht ist, sich somit die Meßzeit und die Tempe­ ratur leicht gegeneinander umrechnen lassen.

Nach bisherigen Verfahren (Fig. 2, 3) wurde zur Ermittlung eines Relaxations­ moduls, d. h. zur Ermittlung einer Reaktion einer deformierbaren Probe auf eine konstante Dehnung ε, innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls (sh. gestrichelte Linien in Fig. 3) eine Messung der Spannung in der Probe bei konstanter Dehnung vorgenommen. Diese Messung wurde bei unterschiedli­ chen Temperaturen durchgeführt (sh. beispielsweise elf verschiedene Tempe­ raturen gemäß dem linken Fenster in Fig. 2). Durch Anwendung des soge­ nannten Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzips wurde dann daraus die soge­ nannte Masterkurve für eine bestimmte Referenztempreatur (25°C in Fig. 2.) erstellt. Da bereits eine Messung bei einer Temperatur in der Größenordnung 100 bis 1000 Stunden dauert, ergibt sich somit ein Meßaufwand in der Grö­ ßenordnung Monate bis Jahre.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während der konstanten Deh­ nungsbeanspruchung (gemäß Fig. 4 z. B. 50%) die Temperatur variiert, etwa mit einer linearen Steigerungsrate von 2 K/min, bis zu einer Endtemperatur von ca. 550 K.

Während der konstanten Dehnung ε der Probe 4 zeigt sich ein Spannungsab­ fall in der Probe, da diese durch Umordnung der langkettigen Polymere auf die von außen eingetragene Zugspannung reagiert. Somit muß trotz Aufrechter­ haltung der konstanten Dehnung ε im Verlaufe der ansteigenden Zeit bzw. Temperatur nur noch eine geringere Kraft auf die Probe 4 aufgebracht werden.

Die erhaltene normalisierte Kraft 12 in der Probe 4 zeigt daher einen steilen Abfall (Fig. 4), da sowohl über die Zeit als auch über die ansteigende Tempe­ ratur die Umordnung von Polymere n in der Probe begünstigt ist und somit die Spannung gesenkt werden kann, um eine gleiche Dehnung in der Probe 4 zu bewirken. Der Abfall der Kurve 12 ist dabei nicht konstant, sondern es ergeben sich im Material unterschiedliche Bereiche, angefangen von einem glasartigen Bereich, in dem die Spannung nahezu konstant verbleibt, über einen Erweichungsbereich zu einem gummielastischen Plateaubereich und schließlich in einen Fließbereich, in dem die Spannung im Material bis auf Null absinkt. Im Übergang zwischen dem Glaszustand und dem Fließbereich lassen sich cha­ rakteristische Punkte in der Kurve 12 feststellen, die einzelnen Komponenten innerhalb der Probe 4 zugeordnet werden können.

Um diese Zuordnung vornehmen zu können, wird das sogenannte Relaxati­ onsspektrum gebildet, das näherungsweise zeitabhängig durch die Ableitung

oder temperaturabhängig als

bei konstanter Heizrate definiert werden kann.

In den Fig. 7 und 8 ist in idealisierter Darstellung der Relaxationsmodul 12a in Abhängigkeit der Temperatur T bzw. seine negative Ableitung, also das so­ genannte Relaxationsspektrum 13a, als Funktion der Temperatur aufgetragen. Dabei ergibt sich, daß bei einem konstanten Relaxationsmodul E(T), also bei konstanter Spannung im Material, die Ableitung gleich Null ist. Bei dem anset­ zenden starken Abfall bei Verlassen des Glasbereiches ergibt sich eine steile Anstiegsflanke eines Peaks, der sein Maximum in der Wendestelle der Kurve 12a des Relaxationsmoduls E(T) hat. Entsprechend der Linkskrümmung des Relaxationsmoduls E(T) zu höheren Temperaturen weist die Ableitung, also das Relaxationsspektrum 13a, in diesem Bereiche eine fallende Flanke 18 auf.

Die Fig. 7 und 8 sind idealisiert und auf einen einkomponentigen Stoff in der Probe 4 bezogen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 sind verschiedene Stoffe in der Probe 4 ent­ halten, deren Peaks sich überlagern. Es ergibt sich beispielsweise ein erster Polypropylenpeak bei etwa 50°C, in der Fig. 4 als Schulter ausgebildet, sowie ein Styrolpeak bei etwa 100°C, wenn Styrolbestandteile in der Polymermatrix eingebettet sind. Der Peak bei etwa 160°C ist dann wiederum ein Polypropylenpeak, der der Schmelztemperatur von Polypropylen zugeordnet ist.

Mit diesem Verfahren ist eine Erfassung der mechanischen Eigenschaften der Probe möglich. Gleichzeitig ist auch eine Zuordnung von Inhaltsstoffen mög­ lich, da die unterschiedlichen Peaks charakteristische Lagen im Relaxati­ onsspektrum aufweisen.

Ähnlich dem oben beschriebenen Verfahren ist auch eine Messung des Retar­ dationsmoduls und des Retardationsspektrums möglich. Hierbei wird nicht die Dehnung ε der Probe 4 konstant gehalten, sondern die Kraft F, die in Richtung des Pfeils 5 aufgebracht wird. Zur Messung der Kraft dient ein üblicher Kraft­ aufnehmer, der beispielsweise einen Meßbereich von 500 N aufweist und die gemessenen Daten digitalisiert an eine Rechnereinheit ausgibt. Die Vorrichtung umfaßt weiter ein Längenmeßgerät, mit dessen Hilfe die Dehnung ε mit einer Genauigkeit von +/-0,01 mm verifizierbar ist.

Ferner ist zur Messung der Temperatur ein Temperaturfühler, beispielsweise ein Thermoelement NiCrNi, vorgesehen. Die Flüssigkeit 10 kann ein Silikonöl­ bad umfassen, das gegenüber den Proben chemisch inaktiv ist und problemlos auf hohe Temperaturen, etwa 650 K, aufgeheizt werden kann.

Zur Messung des Relaxationsmoduls wird die Probe 4 in die Vorrichtung 1 ein­ gesetzt und der konstanten Dehnung ε ausgesetzt. Dieses kann beispielsweise zunächst bei einer vorgewählten Temperatur stattfinden, die in einer ersten Relaxationsphase von einigen Minuten bis Stunden konstant gehalten wird. Eine derartige isotherme Startphase ist allerdings nicht zwingend. Danach wird die variable Temperaturerhöhung gestartet, wobei die Temperaturerhöhung mit linearer Zunahme der Temperatur durchgeführt wird, die Temperatur also proportional zur Zeit ist. In Fig. 4 könnte daher an Stelle der Temperatur an der Abszisse auch die Zeit angetragen werden.

In den Fig. 5 und 6 sind Relaxationsspektren jeweils als Funktion der Zeit und der Temperatur aufgetragen. Dabei zeigt sich ein prinzipiell gleicher Verlauf der über die Zeit bzw. über die Temperatur ermittelten Kurven.

Die Kurven 13b und 13c in Fig. 5 sind einmal bei einem reinen SEBS und ein­ mal bei einer Zusammensetzung SEBS/PP (gestrichelte Linie) genommen worden. Dabei zeigt sich, daß auch in der Zusammensetzung der SEBS Peak deutlich feststellbar ist, so daß ein derartiges Relaxationsspektrum auch zur Analyse einer Probe hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung genutzt werden kann.

Die Kurven 113b und 113c nach Fig. 6 spiegeln ebenfalls das Relaxations­ spektrum einmal für einen reinen SEBS und einmal für eine Verbindung SEBS/PP wieder. Diese Relaxationsspektren 113b, 113c sind nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren aufgenommen worden. Auch hier ist der SEBS Peak bei etwa 370 K zu erkennen, der PP Peak liegt bei etwa 440 K. Hieraus können Rückschlüsse abgeleitet werden, daß bei den genannten Temperaturen eine ausgeprägte Umordnung im Material stattfindet und insofern die gewünschte Stabilität möglicherweise nicht mehr vorhanden ist. Dieses läßt Voraussagen über Einsatzzweck und -bedingungen eines jeweiligen Stoffes in kurzer Zeit zu, was die Planungsmöglichkeiten gegenüber bisherigen Verfahren verbessert.

Claims (14)

1. Vorrichtung (1) zur Ermittlung von materialspezifischen Größen deformierbarer Körper, wobei die Vorrichtung Halterungen (2; 3) für eine Probe (4) des deformierbaren Körpers, eine Spanneinrichtung, mittels deren die Halterungen (2; 3) relativ zueinander bewegbar sind, einen Kraftmesser (7), der die zur Relativbewegung der Halterungen (2; 3) aufgebrachte Kraft ermittelt, und eine Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Reaktion der Probe (4) auf die Relativbewegung der Halterungen (2; 3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (4) in der Vorrichtung (1) variabel temperierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (4) in einem mit Flüssigkeit (10) angefüllten Temperierbad gehalten ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierung stufenlos und während der Vermes­ sung der Probe (4) variierbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß als Reaktion der Probe (4) eine Dehnung ε meßbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktion der Probe (4) eine Materialspannung σ meßbar ist.

6. Verfahren zur Ermittlung eines Relaxationsmoduls einer Probe aus oder mit langkettigen Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe einer konstanten Dehnung ausgesetzt wird, die Spannung der Probe gemessen und hierbei die Temperatur verändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturveränderung linear erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur mit 2 K/min erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer konstanten Dehnung die Spannung der Probe als Funktion der Zeit und der Temperatur gemessen wird und durch eine Ableitung der gemes­ senen, eventuell normierten Kurve ein temperaturabhängiges Relaxations­ spektrum erhalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es für einen thermoplastischen Elastomerwerkstoff eingesetzt wird.

11. Verfahren zur Ermittlung eines Retardationsmoduls einer Probe aus oder mit langkettigen Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe einer konstanten Kraft ausgesetzt wird und die Dehnung der Probe gemessen und hierbei die Temperatur verändert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Spannung die Dehnung in der Probe als Funktion der Zeit und der Temperatur gemessen wird und durch eine Ableitung der gemessenen, even­ tuell normierten Kurve ein Retardationsspektrum ermittelt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe vor ihrer Erwärmung bei konstanter Dehnung oder Krafteinleitung unter isothermen Verhältnissen gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die iso­ therme Phase etwa zwei Stunden anhält.