DE2812275C3

DE2812275C3 - Anordnung zum Bestimmen des deformationsmechanischen Verhaltens von viskoelastischen Stoffen im schmelzflüssigen Zustand

Info

Publication number: DE2812275C3
Application number: DE2812275A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. Dr. 6706 Wachenheim Muenstedt
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1978-03-21
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1980-12-11
Also published as: DE2812275A1; DE2812275B2; US4266424A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen des deformatio.ismectanischen Verhaltens von viskoelastischen Stoffen, insbesondere von Kunststoffschmelzen, bei der eine stran^'örmige Probe in vertikaler Lage mittels eines über eine angetriebene Rolle geführten Zugbandes in einem thermostatisierbaren Bad gedehnt und die Zugkräfte von einem in der Zugrichtung bzw. der Zugachse angeordneten Kraftaufnehmer fortlaufend gemessen werden.

Zur Untersuchung des deformationsmechanischen Verhaltens ist in der Materialprüfung folgendes Verfahren bekannt: Eine stabförmige Probe wird zwischen zwei Klemmen eingespannt, die mit vorgegebener Geschwindigkeit auseinandergezogen werden. D L'i wird die Zugkraft als Funktion der Zeit registriert. Aus der Zugkraft kann die Zugspannung ermittelt und damit das Spannungs-Dehnungs-Diagramm aufgezeichnet werden. Da sich die auf die Probenlänge bezogene Dehngeschwindigkeit bei konstanter Abzugsgeschwindigkeit der Klemmen mit zunehmender Dehnung des Prüflings verkleinert, ist ein solches Prüfverfahren nur brauchbar für kleine Gesamtdeformationen oder dann, wenn die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften unabhängig von der Dehngeschwindigkeit sind. Die Regelung einer konstanten Dehngeschwindigkeit erfordert einen hohen apparativen Aufwand.

Beim Prüfen viskoelastischer Flüssigkeiten, bei denen die deformationsmechanischen Eigenschaften zeit- und spannungsabhängig sind, ist unter physikalisch definierten Bedingungen entweder der zeitliche Ablauf — also die Dehngeschwindigkeit — konstant vorzugeben und die sich einstellende Zugspannung zu messen oder aber die Zugspannung konstant vorzugeben und der zeitliche Verlauf der Dehnung zu messen.

Für die erfinderische Lösung der nachfolgend umrissenen Aufgabe ist von folgenden Theologischen Zusammenhängen auszugehen:

Bei den in einer Prüfung der deformationsmechanischen Eigenschaften von Kunststoffschmelzen auftretenden hohen Dehnungen sind die Längenänderungen d/ des Prüflings sinnvollerweise auf die momentane Länge / zu beziehen (Hencky-Maß) und nicht wie im Cauchy-Maß auf die Ausgangslänge J₀. Es gilt für die Dehnung nach Hencky .

df = y oder F =/l/l d/ = In

1/I₀

und

^B- dt~ · '■-

1 *L

l dt

Dabei ist ν die Abzugsgeschwindigkeit
Die hohen Dehnungen führen zu einer beträchtlichen Abnahme des Querschnitts A der Probe. Für inkompressible viskoelastische Flüssigkeiten wie Kunststoffschmelzen foJgt für die Zugspannung σ als Funktion der momentanen Probenlänge /

Fl

^{σ =} τ ⁼

Dabei sind F die Zugkraft auf die Probe und Aq der Probenausgangsquerschnitt

Eine konstante Dehngeschwindigkeit nach (2) ist dadurch zu erreichen, daß die Abzugsgeschwindigkeit ν entsprechend der Probenlänge / so geregelt wird, daß v/l konstant ist Bekannte Vorrichtungen dieser Art wurden entweder mit Hilfe einer geschwindigkeitsgere-

J5 gelten handelsüblichen Zugprüfmaschine oder durch den Aufbau spezieller Versuchseinrichtungen verwirklicht (s. Anhang unter [IJ [2], [3] und [4]). Bei der Benutzung von Zugprüfmaschinen ist zu beachten, daß sich die Probe im Zustand der Schmelze auch unter ihrem Eigengewicht deformieren kann und daher solche Versuchsführungen auf Produkte mit hoher Viskosität beschränkt sind.

Die bei großen Probendehnungen auftretenden kleinen Querschnitte führen zu kleinen Kräften, deren genaue Erfassung hohe Anforderungen an die Auflösung und Langzeitstabilität des Kraftmeßsystems stellt Mit einer anderen bekannten Vorrichtung wird die Bedingung einer konstanten Dehngeschwindigkeit dadurch verwirklicht, daß die beiden Probeenden von

M zwei Zahnradpaaren erfaßt werden, die die Probe mit konstanter Umdrehungszahl auseinanderziehen. Dabei ist die gedehnte Länge der Probe durch den festen Abstand der Zahnräder gegeben. (Siehe [5] und USP 36 40 127 und DE-AS 19 22 414).

Die Einhaltung einer konstanten Zugspannung wird mit einer anderen vorbeschriebenen Vorrichtung mittels einer Kurvenscheibe erreicht die den Hebelarm der auf die Probe wirkenden Kraft so ändert, daß obige Beziehung (3) erfüllt ist (siehe [6] im Anhang).

Ein weiteres Problem bei der Messung des Dehnverhaltens viskoeiastischer Flüssigkeiten besteht in der Einleitung der Kräfte in den Probanden und in der systematisch zweckmäßigsten Positionierung des Kraftaufnehmens für die Reproduzierung von Meßwerten.

μ Aufgrund ihres beträchtlichen viskosen Anteils im Zustand der Schmelze fließen z. B. Kunststoffe aus den üblichen Klemmen einer Prüfmaschine heraus. In der gemäß [6] bekannten Vorrichtung werden deshalb die

Einspannvorrichtungen auf. Temperaturen unterhalb der Schmelz- bzw. der Glastemperatur des Kunststoffes gekühlt Dieses Verfahren führt jedoch zum Auftreten von Temperaturgradienten in der Probe, die infolge der ausgeprägten Temperaturabhängigkeit des Dehnverhaltens von Kunststoffschmtlzen eine inhomogene Deformation der Probe und damit eine hohe Ungenauigkeit der Messung nach sich ziehen.

Die sichere K/afteinleitung in die Probe ist über die Zahnradpaare der oben angeführten bekannten Vorrichtung gelöst, bei der jedoch die benötigte Ausgangslänge der Probe von etwa 50 cm eine aufwendige Präparationstechnik erfordert Diese bekannte Apparatur ist daher nicht für Untersuchungen an Proben geeignet die lediglich im Labormaßstab van einigen Gramm zur Verfugung stehen.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Kraftangriff an schmelzförmigen Proben bis zu Temperaturen von etwa 200⁰C sicherzustellen. Dabei soll die Temperatur längs der Probe möglichst konstant sein, damit eine homogene Verformung gewährleistet ist Weiterhin ist tür eine optimale Langzeitkonstanz der Kraftmeßeinrichtung zu sorgen, und eine thermische Beeinflussung der Messung durch mechanische Übertragungselemente ist zu vermeiden.

Ausgehend von einer Anordnung zum Bestimmen des deformationsmechanischen Verhaltens von viskoelastischen Stoffen bekannter Art gemäß Oberbegriff besteht die erfinderische Lösung darin, daß der Kraftaufnehmer mit dem unteren Ende der Probe unmittelbar verbunden und selbst innerhalb des Bades angeordnet ist

Eine Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß der Kraftaufnehmer mit dem unteren abgewinkelten Teil einer Halterung fest verbunden ist, deren oberes Ende aus dem thermostatisierbaren Bad herausgeführt und außerhalb des Bades ortsfest gehalten ist.

In der nachfolgenden Beschreibung wird in Verbindung mit der F i g. 1 die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert

Die Messungen an einer Probe 1 werden in einem an sich bekannten doppelwandigen Gefäß 2 vorgenommen, das zum Durchleiten eines Wärmeträgers mit Anschlüssen 2a, 2b versehen ist. Im Innern des Gefäßes 2 befindet sich ein gegenüber der Probe inertes ölbad von einstellbarer Dichte, vorzugsweise ein Silikonölbad. Die Dichte dieses Bades kann so abgestimmt werden, daß die Probe 1 nahezu kräftefrei ist und daher eine Deformation unter ihrem Eigengewicht vermieden wird. Das Gefäß 2 ist mit einem Deckel 3 verschlossen, über dem mit gewissem, von Ständern 4 bestimmten Abstand der Antriebsmotor 5, vorzugsweise ein schneilaufender Servomotor für den Antrieb einer Seilscheibe 6 befestigt ist. über diese Seilscheibe 6 ist ein Zugband 7 geführt, dessen freies Ende mit der in vertikaler Richtung zu belastenden Probe 1 in geeigneter Weise verbunden ist. Die Verbindung der Probe 1 mit dem Zugband 7 muß so beschaffen sein, daß das Meßergebnis nicht beeinflußt wird. — Das untere Ende der Probe 1 ist in entsprechender Weise mit einem Kraftaufnehmer 8 verbunden, der die von der angetriebenen Seilscheibe 6 ausgeübte Zugkraft kontinuierlich mißt. Der Kraftaufnehmer 8 befindet sich an dieser Stelle in ortsfester Lage im thermostatisierten ölbad. Zur Fixierung des Kraftaufnehmers 8 dient eine Halterung 9, deren oberes Ende z. B. mit dem Deckel 3 fest verbunden und an dessen unterem abgewinkelten Ende der Kraftaufnehmer befestigt ist. — Um eine Ableitung der Wärme aus dem thermostatisierten ölbad auf ein Minimum zu reduzieren, besteht dia Halterung 9 aus Glas oder einem ähnlichen thermisch isolierenden Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul. Die Anordnung

des Kraftaufnehmers 9 im thermostatisierten ölbad erhöht aufgrund der Temperaturkonstanz des Bades auch die Langzeitstabilität des Kraftaufnehmers, also des maßgeblichen Meßwertgebers. Das Fehlen jedwe der Durchführungen von Meßleitungen in Probennähe

ίο aus dem Innern des Gefäßes 2 nach außen und die durch diese Anordnung bedingte Thermostatisierung auch der Halterung 9 ergeben eine optimale Temperaturkonstanz längs der vertikalen Zugachse, die die Voraussetzung für eine homogene Deformation der Probe 1 ist Die Anordnung des Kraftaufnehmers 8 direkt unterhalb der Probe 1 ist ferner aus Gründen einer stabilen Regelung für den unmittelbaren Antrieb des Seilzuges 7 durch den Motor 5 über die Seilscheibe 6 vor teilhaft

Auf die meßtechnisch günstigste Wahl der notwendigen Verbindung der Probe 1 mit dem Seilzug 7 einerseits und mit dem Kraftaufnehmer 9 andererseits wurde oben bereits hingewiesen. Im Rahmen der Erprobung des erfindungsgemäßen Meßgeräts hatte sich gezeigt daß diese Verbindungen der Probe in der vertikalen Zugachse am besten mit handelsüblichen Klebstoffen hergestellt werden, z. B. mit solchen, die bis zu Temperaturen von etwa 215°C ihre G'.-brauchsfähigkeit erwiesen haben.

Die Längenänderungen der Probe ΐ werden über die Umdrehung der Seilscheibe 6 gemessen und als Funktion der Zeit registriert Über eine zwischen dem Kraftaufnehmer 8 und dem Antriebsmotor 5 angeordnete Regelelektronik 10 kann der Motor 5 wahlweise so angesteuert werden, daß die Probe entweder mit konstanter Zugspannung σ oder mit konstanter Dehngeschwindigkeit ε verformt wird. Als resultierende Größen werden die Dehnung ε bzw. die Zugspannung σ als Funktion der Zeit registriert. F i g. 7 gibt ein typisches Meßbeispiel für einen Dehnversuch an einer Kunststoffschmelze mit σ = 3.10^ä Pa (Pascal), F i g. 3 ein MeHbeispiel mit eo=0,2 s~' und 8o = 0,4s-< wieder.

Im Anschluß an jede dieser mit dem Gerät möglichen Versuchsführungen kann in einem beliebigen Verformungszustand der Probe 1 die Dehnung gestoppt und die sich einstellende Spannung als Funktion der Zeit registriert werden. Ein solches Experiment wird als Relaxationsversuch bezeichnet. F i g. 4 zeigt ein typisches Beispiel eines solchen Versuchsablaufs.
Ein sogenannter Retardationsversuch ist durchführbar, indem man die Zugspannung in einem beliebigen Zustand der Verformung auf Null regelt und die sich einstellende Verkürzung der Probe als Funktion der Zeit miOf. Ein typisches derartiges Meßbeispiel zeigt die Fig. 5.

Mit oben beschriebener Anordnung ist es fetner möglich, die Probe 1 auch unter ein?m beliebigen zeitlichen Verlauf der Zugspannung σ oder der Dehngeschwindipkeit έ zu verformen. Beispiele sind Deformationen Later stufenförmigen Dehnungen, Spannungen und Dehngeschwindigkeiten oder die

Überlagerung einer vorgegebenen konstanten Einstellgröße (Zugspannung oder Dehngeschwindigkeit) durch einen zusätzlichen oszillatorischen Anteil.

Die Meßanordnung läßt sich darüber hinaus zur Zerlegung der Ges&mtdehnung in einen viskosen, irreversiblen und einen gummielastischen, reversiblen Anteil einsetzen. Dies kann nach einem gemäß [5] bekannten Verfahren durch Zerschneiden der gedehn-

ten Probe 1 und Ausmessen der verbleibenden Deformation geschehen. — Eine andere Methode, die es darüber hinaus ermöglicht, den zeitlichen Verlauf der gummielastischen Rückdeformation zu verfolgen, bietet sich mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung dadurch an, daß nach erfolgter Dehnung die Spannung auf Null gesetzt und die sich zeitlich einstellende Probenlänge registriert wird. Der nach einiger Zeit zu erhaltene Gleichgewichtswert entspricht dann der aus Schneidversuchen ermittelten reversiblen Dehnung.

Eine Überprüfung der für einen zuverlässigen Versuchsablauf maßgeblichen Homogenität der Probenverformung kann dadurch vorgenommen werden, daß das Temperiergefäß 2 nach Beendigung eines Versuches abgesenkt, die erstarrte Probe aus ihrer Halterung entfernt und der Durchmesser ausgemessen wird. Als Stand der Technik wurde berücksichtigt:

[1] R.LBallman,Rheol.Acta,4,137(!965) [2] J. F. Stevenson, A. I. Ch. E. J. 18,540 (1972) [3] M. T. Shaw, Proc. 7th Int. Congr. Rheol., Göteborg,

304(1976) [4] G. V. Vinogradov, B. V. Radushkevich, V. D.

Fikhman; J. Polym. Sei., A - 2,8,1 (1970) [5] J. Meißner. Rheol. Acta, Bd. 8, Heft 1, S. 78-88 (1969)

[6] F. N. Cogswell, Plastics and Polymers, 109-111 π (1968)

Jücr/ii 5 Blatt Ze ich nun cc η

Claims

Patentansprüche;

1. Anordnung zum Bestimmen des deformationsmechanischen Verhaltens von viskoelastischen Stoffen, insbesondere von Kunststoffschmelzen, bei der eine strangförmige Probe in vertikaler Lage mittels eines Ober eine angetriebene Rolle geführten Zugbandes in einem thermostatisierbaren Bad gedehnt und die Zugkräfte von einem in der Zugrichtung bzw. der Zugachse angeordneten Kraftaufnehmer fortlaufend gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (8) mit dem unteren Ende der Probe (1) unmittelbar verbunden und selbst innerhalb des Bades angeordnet ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (8) mit dem unteren abgewinkelten Teil einer Halterung (9) fest verbunden hit, deren oberes Ende aus ι dem thermostatisierbaren Bad herausgeführt und außerhalb des Bades ortsfest gehalten ist

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Halterung (9) aus einem die Wärme schlecht leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus Glas besteht