CS276275B6

CS276275B6 - Method for determining the flow properties of plastics

Info

Publication number: CS276275B6
Application number: CS528089A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Lohr; Ivo Ing Mejzr; Pavel Ing Pokorny
Original assignee: Synpo S P
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1992-05-13
Also published as: CS8905280A2

Abstract

Způsob vychází z měření průběhu lisování vzorku plastu mezi dvěma planpa-’’ ralelními plochami působením konstantní tlakové síly. Nejprve se Stanoví závislost vzdálenosti obou těphto ploch na době působení tlakové síly a vyjádří se funkcí h f(t), která se převede na funkci h" = f'(t). V jejím inflexním bodě se určí směrnice podle vzorce K = dCh^í/dt, z níž se potom vypočítá hodnota viskozity.měřeného plastu ze vzorce/*1/= A . K" . Po uplynutí stanovené doby měřeni se z konečné vzdálenosti planparalelních ploch vypočítá hodnota mezního tečného napětí podle vzorce Tř = B . h^’^, o oThe method is based on measuring the course of pressing a plastic sample between two plane-parallel surfaces under the action of a constant pressure force. First, the dependence of the distance between these surfaces on the time of application of the pressure force is determined and expressed by the function h f(t), which is converted to the function h" = f'(t). At its inflection point, the slope is determined according to the formula K = dCh^í/dt, from which the viscosity value of the measured plastic is then calculated from the formula /*1/ = A . K" . After the specified measurement time has elapsed, the value of the limiting tangential stress is calculated from the final distance between the plane-parallel surfaces according to the formula Tř = B . h^’^, o o

Description

Vynález se týká způsobu zjišťování tokových vlastností viskoelastických materiálů, zejména teplem tvrditelných plastů a kompozic na jejich základě.The invention relates to a process for determining the flow properties of viscoelastic materials, in particular thermosetting plastics and compositions based thereon.

Pro tato měření se používají plastometry paralelních desek, které pracují na obecně známém principu. Byla popsána řada plastometrů, které se liší svou velikostí, konstrukčním řešením i způsobem hodnocení naměřených dat (pat. USA č. 3 500 677, 3 706 221, 3 864 961, ASTM Bull., Febr. 1955, str.40). Pracovní prostor těchto plastometrů se zahřívá teplým vzduchem, kterým se dosahuje poměrně pomalého vyhřátí vzorku na teplotu měření, což u teplem tvrditelných materiálů způsobuje nežádoucí vzrůst viskozity ještě před zahájením vlastního měření. Proto se tyto plastometry nehodí k měření tokových vlastností teplem tvrditelných materiálů. Plastometr podle čs. autorského osvědčení č. 265 185 má v tomto směru výhodnější konstrukci, která umožňuje rychlý ohřev vzorku na teplotu měření kontaktním ohřevem přímo v prostoru mezi paralelními deskami. Společnou nevýhodou měření na těchto plastometrech je zdlouhavé vyhodnocování naměřených hodnot, což se týká zejména výpočtu viskozity vzorku. Podkladem pro tento výpočet bývá závislost změny tloušťky vzorku na době jeho deformace, kterou je nutno podle použité teorie toku složitým způsobem upravovat, což je pracné a bývá zdrojem chyb. Při vyhodnocování průběhu deformace teplem tvrditelných materiálů nelze vyloučit chyby vznikající nežádocuím růstem viskozity vzorku během jeho temperace na teplotu měření. Rychlost a jednoduchost měření na těchto plastometrech je tak v nesouladu se zdlouhavostí a nepřesností vyhodnocovýní výsledků měření. Tyto skutečnosti jsou jednou z příčin poměrně malého uplatnění těchto plastometrů v praxi.For these measurements, plastometers of parallel plates are used, which work on a generally known principle. A number of plastometers have been described which differ in size, design and method of evaluation of measured data (U.S. Pat. Nos. 3,500,677, 3,706,221, 3,864,961, ASTM Bull., Feb. 1955, p. 40). The working space of these plastometers is heated by warm air, which achieves a relatively slow heating of the sample to the measurement temperature, which in the case of thermosetting materials causes an undesirable increase in viscosity before the actual measurement. Therefore, these plastometers are not suitable for measuring the flow properties of thermosetting materials. Plastometer according to MS. of the author's certificate No. 265 185 has a more advantageous construction in this respect, which enables fast heating of the sample to the measurement temperature by contact heating directly in the space between the parallel plates. A common disadvantage of measurements on these plastometers is the lengthy evaluation of the measured values, which relates in particular to the calculation of the viscosity of the sample. The basis for this calculation is the dependence of the change in the thickness of the sample on the time of its deformation, which must be adjusted in a complex way according to the flow theory used, which is laborious and is often a source of errors. When evaluating the course of deformation of thermosetting materials, errors caused by undesired increase in the viscosity of the sample during its tempering to the measurement temperature cannot be ruled out. The speed and simplicity of the measurement on these plastometers is thus inconsistent with the length and inaccuracy of the evaluation of the measurement results. These facts are one of the reasons for the relatively small application of these plastometers in practice.

Předložený vynález tyto nedostatky z větší části odstraňuje. Jeho předmětem je způsob zjišťování tokových vlastností plastů z průběhu lisování jejich vzorku mezi dvěma planparalelními deskami působením předem nastavené konstantní tlakové síly. Podstata vynálezu spočívá v tom, že nejprve se stanoví závislost vzdálenosti h planparalel-í nich ploch na době t působení tlakové síly a vyjádří se funkcí h = f(t), která se převede na funkci h ⁴ = f (t). V jejím inflexním bodě se potom určí směrnice podle vzorce / ~4 x / K = d(h )/dt, z níž se vypočítá hodnota viskozity měřeného materiálu podle vzorce fy = = A.K^-1. Po uplynutí stanovené doby měření se ze vzdálenosti plánparalelních ploch, . udávající konečnou tloušťku vzorku h , vypočítá hodpota mezního tečného napětí měřené2 θ 5 ho materiálu podle vzorce = Β.!ιθ . Ve vzorcích použité veličiny A a B jsou konstanty závislé na zvolených podmínkách měření.The present invention largely overcomes these shortcomings. Its subject is a method of determining the flow properties of plastics from the process of pressing their sample between two plane-parallel plates by the action of a preset constant compressive force. The essence of the invention lies in the fact that first the dependence of the distance h of the plane-parallel surfaces on the time t of the action of the compressive force is determined and expressed by the function h = f (t), which is converted into the function h ⁴ = f (t). At its inflection point, the direction is then determined according to the formula / ~ 4 x / K = d (h) / dt, from which the viscosity value of the measured material is calculated according to the formula fy = = AK ^-1 . After the specified measurement time has elapsed, from the distance of the plan - parallel surfaces,. indicating the final thickness of the sample h, calculate the value of the ultimate tangential stress measured2 θ 5 of the material according to the formula = Β.! ιθ. The quantities A and B used in the samples depend on the selected measurement conditions.

Výhody tohoto způsobu vyniknou zejména při měření teplem tvrditelných materiálů. Zatímco vzorky termoplastických materiálů je možno vyhřát na teploty měření kontaktním ohřevem mezi deskami tohoto plastometrů ještě před zahájením vlastního měření, u teplem tvrditelných materiálů by tento postup vedl k nekontrolovatelnému vzrůstu viskozity a chybným výsledkům měření. Pro zjištění tokových vlastností teplem tvrditelných materiálů v původním dodaném stavu je proto nutno zahájit měření ihned po vložení vzorku do plastometrů vyhřátého na teplotu měření. Bylo však zjištěno, že i v tomto případě se vzorek zahřeje na teplotu měření, což se uskuteční při jeho deformaci v tenké vrstvě taveniny mezi měřicími deskami plastometrů , tj. během vlastního měření. Deformační křivka vzorku, tj. závislost jeho tloušťky na době měření, se potom skládá ze tří úseků: počáteční úsek vyjadřuje deformaci vzorku při jeho zahřívání, střední úsek se vyznačuje isotermním tokem taveniny při teplotě měření a závěrečný úsek představuje isotermní tok, který se zpomaluje a po dosažení mezního tečného napětí ustává. Pro výpočet viskozity teplem tvrditelných materiálů je směrodatný střední úsek výše uvedené závislosti. Měřením řady různých materiálů jsme zjistili, že tento úsek je charakterizován lineární závislostí funkce h^-4 = f'(t), a to zpravidla v rozmezí 40 až 80 %The advantages of this method stand out especially when measuring thermosetting materials. While samples of thermoplastic materials can be heated to measurement temperatures by contact heating between the plates of this plastometer before the actual measurement, for thermosetting materials, this procedure would lead to an uncontrollable increase in viscosity and erroneous measurement results. In order to determine the flow properties of thermosetting materials in the original delivered state, it is therefore necessary to start the measurement immediately after inserting the sample into the plastometers heated to the measurement temperature. However, it was found that even in this case, the sample is heated to the measurement temperature, which takes place during its deformation in a thin layer of melt between the measuring plates of the plastometers, i.e. during the actual measurement. The deformation curve of the sample, ie the dependence of its thickness on the measurement time, then consists of three sections: the initial section expresses the deformation of the sample when heated, the middle section is characterized by isothermal melt flow at the measurement temperature and the final section represents the isothermal flow which slows down and ceases when the tangential stress limit is reached. The middle section of the above dependence is decisive for calculating the viscosity of thermosetting materials. By measuring a number of different materials, we found that this section is characterized by a linear dependence of the function h ^-4 = f '(t), usually in the range of 40 to 80%

CS 276275 Bé celkové deformace vzorku. Z průběhu funkce h = f'(t) lze vypočítat hodnoty směrnice v inflexním bodě K = d(h^)/dt, která je přímo úměrná viskozitě vzorku při teplotě měření. Pro výpočet mezního tečného napětí se využije závěrečného úseku deformační křivky, kdy se tok materiálu zastavuje. Při jediném měření je tedy možno získat dvě charakteristické bokové vlastnosti materiálu: viskozitu a mezní tečné napětí.CS 276275 B total deformation of the sample. From the course of the function h = f '(t) it is possible to calculate the values of the direction at the inflection point K = d (h ^) / dt, which is directly proportional to the viscosity of the sample at the measurement temperature. To calculate the ultimate tangential stress, the final section of the deformation curve is used, when the flow of material stops. Thus, in a single measurement, two characteristic lateral properties of the material can be obtained: viscosity and ultimate tangential stress.

Při měření tokových vlastností lze tedy postupovat tak, že se do plastometru vyhřátého na teplotu měření vloží vzorek a měření se ihned zahájí vložením zatěžovací síly. Během měření se snímá časová závislost tloušťky vzorku jako funkce h = f(t), která se transformuje na funkci h^-^ = f'(t). Na grafickém záznamu této funkce je patrný lineární úsek, který odpovídá isotermnímu toku vzorku. V měření se potom pokračuje dále až do ukončení toku vzorku. Viskozita vzorku se vypočítá z hodnoty směrnice přímky v imflexním bodě, mezní tečné napětí se vypočte z konečné tloušťky vzorku. Vlastní výpočet lze provést na základě teorie toku vzorku mezi dvěma paralelními deskami jak uvedeno v G.I. Dienes, H.I. Klemm, J. Appl. Phys. 17, 1946, str. 458. Při použití vhodné výpočetní techniky se celý postup zjednodušší a urychlí. K měření se s výhodou použije plastometr, který je opatřen snímačem vzdálenosti obou měřicích desek. Analogový signál snímače se po převedení na digitální zavádí do mikropočítače, do jehož paměti se během měření ukládají dvojice hodnot vzdálenosti desek h a doby měření t jako funkce h = f(t). Mikropočítač tuto funkci převede na funkci h^-^=’f'(t) a vypočítá hodnotu směrnice této funkce K = d(h^-4)/dt, z níž potom vypočítá viskozitu podle vzorce /¾ = = A.K^-^ a z konečné výšky vzorku h_Q vypočte mezní tečné napětí podle vzorce ‘Γζ = B . . pčičemž A a B jsou konstanty závislé na podmínkách měření: A = 8 377,6 . F .When measuring the flow properties, it is therefore possible to proceed by inserting a sample into a plastometer heated to the measuring temperature and starting the measurement immediately by applying a loading force. During the measurement, the time dependence of the sample thickness is measured as a function of h = f (t), which is transformed into a function of h ^- ^ = f '(t). The graphical record of this function shows a linear section that corresponds to the isothermal flow of the sample. The measurement is then continued until the sample flow is complete. The viscosity of the sample is calculated from the value of the line direction at the inflection point, the ultimate tangential stress is calculated from the final thickness of the sample. The calculation itself can be performed on the basis of the sample flow theory between two parallel plates as reported in GI Dienes, HI Klemm, J. Appl. Phys. 17, 1946, p. 458. The use of suitable computer technology simplifies and speeds up the whole process. A plastometer is preferably used for the measurement, which is provided with a distance sensor of the two measuring plates. After conversion to digital, the analog signal of the sensor is introduced into the microcomputer, in the memory of which pairs of values of the plate distance h and the measurement time t as a function of h = f (t) are stored. The microcomputer converts this function to the function h ^- ^ = 'f' (t) and calculates the direction value of this function K = d (h ^-4 ) / dt, from which it then calculates the viscosity according to the formula / ¾ = = AK ^- ^ and from the final height of the sample h _Q calculates the ultimate tangential stress according to the formula 'Γζ = B. . where A and B are constants depending on the measurement conditions: A = 8 377.6. F.

. . m , B = 0,1121 . _s kde f j_e lisovací síla, hustota vzorku, m hmotnost vzorku.. . m, B = 0.1121. _s where fj _{is the} pressing force, the density of the sample, m is the weight of the sample.

Při měření se postupuje tak, že se nejprve nastaví potřebná zatěžovací síla a měřicí desky se vytemperují na teplotu měření. Vzorek materiálu se upraví do tvaru předlisku, například táblety a na přípravné desce se vloží mezi dvě separační fólie. Podle zvoleného programu se pomocí klávesnice mikropočítače zadají data potřebná pro výpočet a měření, tj. zejména zatěžovací síla F, hmotnost vzorku m, hustota vzorku a celková doba měření. Vzorek spolu s fóliemi se pomocí vkládacího zařízení vsune do plastometru a měření se zahájí spuštěním vrchní měřicí desky. V oboru zadaného rozsahu deformace vzorku a během stanovené doby měření výpočetní jednotka snímá a do paměti mikropočítače ukládá dvojice hodnot tloušEka vzorku h a doba deformace Jj na základě nichž provede všechny výše uvedené výpolty. Ihned po skončení měření jsou k dispozici jeho výsledky, a to jak písemně ve formě protokolu, tak i graficky na monitoru a souřadnicovém zapisovači. Po skončení měření se vzorek, například výlisek vyjme a plastometr je připraven k dalšímu měření. Výsledky měření jsou velmi dobře reprodukovatelné, protože měření probíhá za dobře definovaných a snadno realizovatelných podmínek. Teplotu měřicích desek lze snadno regulovat i kontrolovat. Vzhledem k velké hmotnosti měřicích desek se jejich teplota vložením vzorku prakticky nezmění. Zatěžovací síla zůstává konstantní po celou dobu měření. Vzhledem k použití separačních fólií zcela odpadá čištění pracovního prostoru plastometru. Obsluha zařízení se omezuje jen na zadání podmínek měření a na přípravu, vložení a vyjmutí vzorku měřeného materiálu.When measuring, the required load force is first set and the measuring plates are tempered to the measuring temperature. The sample of material is shaped into a preform, for example a tablet, and placed between two separating foils on a preparation plate. Depending on the selected program, the data required for calculation and measurement are entered using the microcomputer keyboard, ie in particular the load force F, the sample weight m, the sample density and the total measurement time. The sample, together with the foils, is inserted into the plastometer by means of an insertion device and the measurement is started by lowering the top measuring plate. In the range of the specified deformation range of the sample and during the determined measurement time, the computer unit reads and stores in the microcomputer memory a pair of values of the sample thickness h and the deformation time Jj on the basis of which it performs all the above-mentioned calculations. Immediately after the end of the measurement, its results are available, both in writing in the form of a report and graphically on the monitor and coordinate recorder. At the end of the measurement, the sample, for example the molding, is removed and the plastometer is ready for the next measurement. The measurement results are very reproducible, because the measurement takes place under well-defined and easily feasible conditions. The temperature of the measuring plates can be easily regulated and controlled. Due to the large weight of the measuring plates, their temperature is practically unchanged by inserting the sample. The loading force remains constant throughout the measurement. Due to the use of separating foils, cleaning of the plastometer working space is completely eliminated. The operation of the device is limited only to entering the measurement conditions and to the preparation, insertion and removal of a sample of the measured material.

Tento způsob měření je vhodný k charakterizaci tokových vlastností různých viskoelastických materiálů, jako jsou například přírodní i syntetické makromolekulární látky a z nich připravené kompozice. Osvědčuje se zejména při měření teplem tvrditelných plastů, jako jsou například fenolické, močovinové, melaminové, epoxidové, polyesterové aj. pryskyřice a kompozice na jejich základě, jaké například lisovací hmoty, lamináty,This method of measurement is suitable for characterizing the flow properties of various viscoelastic materials, such as natural and synthetic macromolecular substances and compositions prepared therefrom. It is particularly suitable for measuring thermosetting plastics, such as phenolic, urea, melamine, epoxy, polyester and other resins and compositions based on them, such as molding compounds, laminates,

CSCS

276275 86 prepregy, tmely a podobně. Vzhledem k ný i k provozní kontrole jakosti výše rychlosti měření a jednoduchosti obsluhy je vhoduvedených materiálů.276275 86 Prepregs, mastics and the like. Due to the operational quality control, the speed of measurement and ease of operation are suitable materials.

PříkladExample

Měření tokových vlastností vzorku fenolické lisovací hmoty plastometru doplněném o výpočetní jednotku s monitorem, tiskárnou a zapisovačem.Measurement of flow properties of a sample of phenolic molding compound of a plastometer supplemented by a computer unit with a monitor, printer and recorder.

Plastometr se vyhřeje na teplotu 120 °C a zatěžovací síla se nastaví na hodnotu F = 1 000 N. Vzorek lisovací hmoty se připraví ve formě tablety o průměru 20 mm a hmotnosti 1,6 g a z obou stran se opatří separačními hliníkovými fóliemi tloušEky 0,1 mm. Zadají se podmínky měření, tj. síla F = 1 000 N, hmotnost m = 1,6 g, hustota = = 1,85 g.cm~\ celková doba měření 5 minut. Vzorek se pomocí vkládacího zařízení zasune do plastometru·a pákovým zařízením se spustí vrchní měřicí deska, čímž je zahájeno měření. Na monitoru a zapisovači se postupně objevují dílčí výsledky měření, tj. zápis funkcí h = f(t) a h^-4 = f'(t) a zákres přímky procházející inflexním bodem, což slouží k vizuální kontrole postupu měření. Po stanovené době měření 5 minut se zaznamená konečná tloušEka vzorku h_Q a zadané hodnoty spolu s výsledky měření se vytisknou ve formě protokolu, kde je uvedena konečná tloušEka vzoik u h = 0,515 mm, směrnice přímky 7 ’ θ - .The plastometer is heated to 120 ° C and the loading force is set to F = 1 000 N. A sample of the molding compound is prepared in the form of a tablet with a diameter of 20 mm and a weight of 1.6 g and is provided on both sides with separating aluminum foils 0.1 mm. The measurement conditions are entered, ie force F = 1000 N, weight m = 1.6 g, density = = 1.85 g.cm ~ \ total measurement time 5 minutes. The sample is inserted into the plastometer with the aid of an insertion device · and the upper measuring plate is lowered by the lever device, thus starting the measurement. The partial results of the measurement gradually appear on the monitor and the recorder, ie the recording of the functions h = f (t) and h ^-4 = f '(t) and the drawing of a line passing through the inflection point, which serves to visually check the measurement procedure. After a specified measurement time of 5 minutes, the final thickness of the sample h _Q is recorded and the entered values together with the measurement results are printed in the form of a report, where the final thickness at uh = 0.515 mm is given, line direction 7 'θ -.

=7,20 . 10 mPa.s a mezní tečné napětí Τζ = vypočítají podle vztahů /^= 8 377,1 . F . · K^-1.= 7.20. 10 mPa.s and the ultimate tangential stress Τζ = are calculated according to the relations / ^ = 8 377.1. F. · K ^-1 .

K = 0,0808 mm ⁴ . s = 16,1 kPa. (TokovéK = 0.0808 mm ⁴ . s = 16.1 kPa. (Flow

-2 . m ,-2. m,

-1 · , , viskozita vlastnosti se-1 ·,, viscosity properties

T = 0,1121 . F . o¹’⁵ . h²’⁵ . m^-1’⁵).T = 0.1121. F. o ¹ ' ⁵ . h ² ' ⁵ . m ^-1 ' ⁵ ).

Claims

PATENT CLAIMS

Method for determining the flow properties of plastics from the pressing of their sample between two plane-parallel surfaces by the action of a preset constant compressive force, characterized in that the dependence of the distance h of the plane-parallel surfaces on the time t of the pressure force is first determined and expressed by h = f (t) , which is converted to the function h ^-4 = f '(t), at the inflection point of which the direction is determined according to the formula

K = d (h ^-4 ) / dt, from which the viscosity value of the measured material is calculated according to the formula v 'and after the specified measurement time has elapsed, from the distance of the plane-parallel surfaces, are given

CS 276275 Taking the final thickness of the sample ήθ, the value of the ultimate tangential stress of the measured material is calculated according to the formula wherein the quantities A and B used in the samples are constants dependent on the selected measurement conditions.