DE1922414B2 - Anordnung zum bestimmen des deformationsmechanischen verhaltens von viskoelastischen stoffen, insbesondere von kunststoffschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen des deformationsmechanischen Verhaltens von viskoelastischen Stoffen, insbesondere von Kunststoffschmelzen, bei der eine strangförmige Probe zwischen zwei mit regelbaren Umfangsgeschwindigkeiten angetriebenen Räderpaaren eingespannt und bei im wesentlichen konstant gehaltenem Abstand der Räderpaare gedehnt wird.

Zur Messung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms im Zugversuch ist es in der Festigkeitsprüfung bekannt, eine stabförmige Probe zwischen zwei Klemmen fest einzuspannen und den gegenseitigen Abstand dieser Klemmen mit konstanter Geschwindigkeit zu vergrößern, d. h. die Probe mit konstanter Abzugsgeschwindigkeit zu dehnen und hierbei das Kraft-Zeit-Diagramm aufzuzeichnen. Aus dem Kraft-Zeit-Diagramm wird dann das Spannungs-Dehnungs-Diagramm ermittelt. Dieses Prüfverfahren genügt für kleine Gesamtdeformationen und ist auch noch für mittlere Deformationen brauchbar, wenn die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften der Probe nicht von der Deformationsgeschwindigkeit abhängen. Bei großen Deformationen bildet zunächst die maximale Baulänge einer Prüfmaschine eine nicht ohne weiteres zu überwindende Grenze.

Aus »Zellstoff und Papier« (1968), Heft 7, Seiten 201—207, ist es weiterhin bekannt, eine band- oder strangförmige Probe aus Papier bzw. Faserstoff zwischen zwei mit regelbaren Umfangsgeschwindigkeiten angetriebenen Räderpaaren einzuspannen und bei im, wesentlichen konstant gehaltenem Abstand der Riideroaare zu dehnen. Nachteilig ist jedoch, daß dabei der zeitliche Verlauf der Dehnung innerhalb der Meßstrecke unbekannt ist und nur die Gesamtdehnung über die Umfangsgeschwindigkeit der Räderpaare vorgegeben werden kann.

Damit ist aber verbunden, daß die Probe ungleichmäßig verstreckt wird und somit eine eindeutige Vorgabe der Dehngeschwindigkeit und damit auch die Vorgabe einer Deformationsgeschichte nicht möglich ist.

Beim Prüfen von viskoelastischen Stoffen, bei denen die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften auch von der Zeit bzw. der Verformungsgeschwindigkeit abhängen, muß beim Zugversuch eine konstante Dehnungsgeschwindigkeit eingehalten werden. Diese Forderung läßt sich mit konstanter Abzugsgeschwindigkeit nicht erfüllen, da zwar die Probenlänge proportional der Zeit zunimmt, jedoch wegen der zunehmenden Basislänge die in der Zeiteinheit stattfindende Deformation stetig abnimmt. Bei großen Dehnungen ist also die differentielie Dehnung auf die im betrachteten Zeitpunkt vorliegende Länge zu beziehen und nicht auf die Ausgangslänge (Henckysches Dehnungsmaß). Die Bezugnahme auf die Ausgangslänge wird auch ah technische Dehnung oder Dehnungsmaß nach Cauchy bezeichnet. Mit dem Henckyscher Dehnungsmaß ist somit die Dehnungsgeschwindigkeit

d/
df

und

= ^ώ = (^ΧΛ ■ ^d

df V / ) d
_f = fci/7 = ln(//fc).

Folglich nimmt bei konstanter Abzugsgeschwindigkeit die Dehnungsgeschwindigkeit ε stetig ab, bei einer zehnfachen Verlängerung der Probe z. B. auf ein Zehntel der ursprünglichen Dehnungsgeschwindigkeit.
Es ist ferner bisher praktisch nicht möglich gewesen, an viskoelastischen Flüssigkeiten, z. B. Kunststolfschmelzen, das Dehnungsverhalten exakt zu untersuchen, weil die Einleitung der Kräfte in derartige Proben mittels Klemmen nicht sicher gelang. Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen hinreichend fehlerfreien Kraftangriff an einer viskoelastischen Probe sicherzustellen. Es ist ferner bei solchen Stoffen das Problem zu lösen, die Gesamtdehnung in einen viskosen, irreversiblen Anteil und in einen gummielastischen, reversiblen Anteil aufzuteilen. Da offensichtlich für das Ergebnis die Deformationsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung ist, besteht die weitere Aufgabe der Erfindung auch darin, die Bestimmung des deformationsmechanischen Verhaltens bei reiner Zugbeanspruchung mit vorgegebener Deh-

ss nungsgeschwindigkeit vorzunehmen. Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Räderpaare gegenläufig mit konstanten Umfangsgeschwindigkeiten angetrieben werden, die Auslenkung des einen

do federnd aufgehängten Räderpaares gegenüber dem anderen fest angeordneten Räderpaar fortlaufend gemessen wird, und die Räderpaare derart über einen die Probe stützenden Flüssigkeitsbad gehalten sind, daß sie die Flüssigkeitsoberfläche näherungsweise tangen-

i>s tial berühren.

Hierdurch können Proben aus viskoelastischen Stoffen gleichmäßig und bei konstanter Geschwindigkeit gedehnt werden. Verfälschungen der Meßergebnis-

nicht auf. Außerdem erlaubt die erfindungsge^se η Anordnung die Bestimmung des zeitlichen ^m f w Zugkraft bei einem erheblich erweiterten Verlaufs der * _d; _keUsbereicr, Weitere Merkmale

^DehnUS ergeben sich aus der nachfolgenden d i d Zh

^der urVibune in Verbindung mit den Zeichnungen. Bescnrci & ^ .^ _{die mjt p} bezeichiiete stabförmige

π '¹L !wischen dem Räderpaar 1 mit dem zugehörigen • h motor 2 und dem Räderpaar 3 mit dem ^Ant"h!moior 4 horizontal eingespannt. Die konstante , ^Anlrm₅,tion^eschwindigkeit wird dadurch gewährlei-^D Tr der Abstand der beiden Radpaare festgelegt ist, u -diese Radpaare weiter während eines Versuches ^W ii ich konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit n, ^m" π gegenläufig angetrieben werden. Hierzu kann ^bzW" "L den Antriebsmotoren 2 und 4 eine den f gewährleistende, jedoch ausschaltbare Wirkbestehen. Die Antriebsanordnung der unabhängig stetig

jg _{3 ist [erne gg g}

^R Cen Antriebsmotoren 2 und 4 so ausgelegt, daß η fnr die Umdrehungsgeschwindigkeit n, gegebenen-MU auch der Grenzwert n,=0 vorgewählt werden I nn so daß dann die Probe nur durch das angetriebene Saar 3 belastet wird. - Das Radpaar 1 ist ^P In mit seinem Antriebsmotor 2, vorzugsweise ^ZS Synchon Motor, am freien Ende einer fest ayi"· _{peder 5 au}{_gehängt, die bei einer unterbrochen, dann wird sich der so „ Strangabschnitt zwischen den beiden Trennsie en nachfolgend mitunter erheblich verkürzen. Dm sk: insgesamt einstellende Verkürzung entspricht aer gummielastischen Rückdeformation. Auf diese wc kann aus der Gesamtdeformation der-Probe . Augenblick des Trennens der elastische unc»der viskos Anteil bestimmt werden. Weiterhin laß j «ch J^eJ zeitliche Rückgang der Verformung erm.tteln woduren , Aussagen über die Retardations-Eigenschaer, de solcher Art geprüften Werkstoffs «"ogl.ch smd D'e erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es se«hch. an einer Probe gleichzeitig Relaxations- «^ndJ^elardj?_e tionsmessungen auszuführen, wenn gleichungd. , Probe an der Klemmstelle 7 f.xiert. an der Tre^teue bzw. gleichzeitig an mehreren Trennstellen 8,

^^rier^n^fÄ-*,

Meßstrecke. Für die ^

von viskoelastischen Flüssigke.ten

wff Kuns

Pmbe

sgeübten Zugkraft proportional· Es kann l Schreibers das Kraft-Zeit-Diagramm

lahnkuppen am Tangentialkreis nahezu berühren, w,e "SrAnorfSÄer Erfindung ermöglicht auch berührenden Tangentialkreisen der zusammenfällt. Die Badfluss.gke.t dar der Dauer des Versuches in den zu

Die Anordnung nacn uci Erfindung ermöglicht auch die Messung der Relaxations- und Retardations-Eigenschaften von viskoelastischen Substanzen. Die Bestimmung dieser Kenngrößen eines Stoffes erfolgt so, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt des Zugversuchs die

■ fK_^;„_ö Prohe P in einem in der Nähe des

η Klemmenpaar 7 fixiert

Messungen is. es

hinaus noch für die Bestimmung wcm-i^. ^

scher Kenngrößen einsetzen. Hierfür sind zwischen den Räderpaaren 1 und 3 zwei Trennvorrichtungen 8 und 8' angeordnet, die den Querschnitt der strnngförmigen

Probe gleichzeitig und in kürzester Zeit senkrecht /.ur mcnle wiedergegeDen. mc ■ >ν^..~ . __ Zugrichtung durchschneiden. Wird der Zugversuch in der Mitte der Trogoberflächc. Symmctrisi . -τ- ^„_r p_rnhp ρ _{an c}|_en Stellen 8 und 8' P befinden sich weiter außen in der

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aufnehmenden Troi T »jd « ' |_bcfin3_{cl sich} elwa c wiedereegeben. Uie rroun«. Prob

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Trogwände die Hauptheizelemente 9, 9', wobei die Zuführung der Heizleistung entweder elektrisch oder aber über Rohre erfolgen kann, die z. B. mit thermostatisch erwärmtem Öl gespeist sind. Ebenfalls symmetrisch zur Probe P sind innen im Trog :zwei weitere Heizelemente 10 und 10' angeordnet, mit denen eine Feinregelung der Flüssigkeitstemperatur bzw. der Meßtemperatur an der Badoberfläche erfolgt. Die Heizelemente 10 und 10' ergeben eine geringe thermische Konvektion des Flüssigkeitsbades, die in Fig.3 durch gestrichelte Kreise mit Pfeilen dargestellt ist. Diese Konvektionsströmung genügt, um die an der Oberfläche des Bades schwimmende strangförmige Probe in der Mitte zwischen den Heizelementen 10 und 10' bzw. 9 und 9' zu zentrieren.

In den Fig.4, 5 und 6 sind die mit einer Meßanordnung nach den F i g. 1 bis 3 aufgenommenen Ergebnisse eines auf mehrere der obengenannten Kennwerte gerichteten Zugversuchs an einem verzweigten Polyäthylen vom Schmelzindex 0,5 bei einer Dehnungsgeschwindigkeit ε = 0,1 Sek¹ und einer Meßtemperatur von 150°C wiedergegeben. Der Abstand der Räderpaare 1 und 3 betrug 730 mm, der Ausgangsquerschnitt der Probe P29.4 mm². — In F i g. 4 ist das gemessene Kraft-Zeit-Diagramm aufgetragen. Die F i g. 5 enthält das daraus ermittelte Spannungs-Dehnungs-Diagramm, wobei sich die Spannung σ auf den tatsächlichen, sich stetig ändernden Querschnitt bezieht und die Dehnung ε = ε · t im Hencky-Maß angegeben ist. — Die F i g. 6 zeigt die bei Zugversuchen übliche Auftragung der Zugspannung σ über dem Verstreckungsverhältnis λ, wobei sich ο wieder auf den tatsächlichen und nicht auf den Ausgangsquerschnitt bezieht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. i 9 22 414

   Patentansprüche:

   I. Anordnung zum Bestimmen des deformationsmechanischen Verhaltens von viskoelastischen Stof- s fen, insbesondere von Kunsistoffschmelzen, bei der eine strangförmige Probe zwischen zwei mit regelbaren Umfangsgeschwindigkeiten angetriebenen Räderpaaren eingespannt und bei im wesentlichen konstant gehaltenem Abstand der Räderpaare _lc. gedehnt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Räderpaare (1 und 3) gegenläufig mit konstanten Umfangsgeschwindigkeiten angetrieben werden, is Ij) die Auslenkung des einen federnd aufgehängten Räderpaares (1) gegenüber dem anderen fest angeordneten Räderpaar (3) fortlaufend gemessen wird und

   c) die Räderpaare derart über einen die Probe stützenden Flüssigkeitsbad gehalten sind, daß sie die Flüssigkeitsoberfläche näherungsweise tangential berühren.
2. 2. Anordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der durch die Räderpaare (1 und 3) vorgegebene Meßlänge der Probe ein oder mehrere Klemmvorrichtungen (7, 7') zur örtlichen Fixierung der Probe vorgesehen sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der durch die Räderpaare (1 und 3) vorgegebenen Meßlänge der Probe ein oder mehrere Trennvorrichtungen (8,8') vorgesehen sind.