DD279735A1 - Vorrichtung zur bestimmung biaxialer dehn- und schrumpfkennwerte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte, mit der eine genaue Bestimmung der Dehn- und Schrumpfkennwerte erfolgen soll, wobei das Experiment in einem breiten Dehndeformations- und Temperaturbereich einzuordnen ist. Die Erfindung ist so zu realisieren, dass bei einem unkompliziertem Aufbau mit geringem technischem Aufwand eine einfache Fertigung ermoeglicht wird. Sie soll sich durch eine geringe Stoeranfaelligkeit sowie einfache Handhabung auszeichnen. Gemaess der Erfindung, die einen Basisrahmen mit zwei parallel gegenueberliegenden Fuehrungsschienen, die divergent verstellbar und an beiden Enden in quer zu diesen angeordneten Justierschienen verschiebungsfrei justiert sind, aufweist, sind parallel zu den Justierschienen gegenueberliegende Klemmschienen angeordnet, sind die Justierschienen sowie eine Fuehrungs- und eine Klemmschiene mit einer Kraftmesseinrichtung gekoppelt, wobei eine Klemmschiene ueber ein Abzugselement mit einer Abzugsvorrichtung verbunden ist. Fig. 1

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwarte, die vorwiegend bei der Qualitätskontrolle und Produktoptimierung in dar polymerverarbeitenden Industrie ihre Anwendung findet.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Vorrichtungen bekannt, die das Bestimmen biaxialer Dehnungen ermöglichen. Im bekannten Falle ist das, wie ι. B. in dem Fachartikel von Becker und Krüger (Becker, G., W.; Krüger, C: On the nonlinear biaxial stress-strain behavior of rubberlike polymers, S. 115-130 in: Kausch, H. H. Hasseil, J. Α.; Jaffee, R. J.: Deformation and fracture of high polymers, Plenum Press, NY 1973) beschrieben, mit einer Vorrichtung möglich, bei dereine rechteckige dünne Folie parallel zu den Führungsbalken einer Zerreißmaschine von zwei identischen Y-förmigen Schenkeln mittels Haken gehalten wird. Die Schenkel sind in verstellbare Backen geklemmt, wovon die untere starr auf das bewegliche Ouerhaupt der Maschine montiert ist, währeno die obere für die Belastungsübertragung benutzt wird. Diese obere Backe ist mit einer horizontal und einer vertikal messenden Druckmeßdose verbunden. Zur Abhängigkeit der Winkelstellung der zwei Schenkel führt die Bewegung des unteren Querhauptes zu einer biaxialen Dehnung der Folie mit einem gegebenen Verhältnis, der zwei Dehnungen bzw. Spannungen. Durch ein auf die Folie aufgezeichnetes Muster kann die Deformation mittels Kathe'.ometer gemessen werden. Die Realisierung einer Schmelzedehnung, wie sie in polymerverarbeitungstechnischen Prozessen auftritt, ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich. Winkler (Winkler, E.: Einfluß der Verarbeitung auf Struktur und Eigenschaften von extrudiertem Polypropylen; Dissertation R¹ATTH Aachen, 1982) benutzt für die biaxiale Verstreckung von extruierten Tafeln einen diskontinuierlich arbeitenden Laborreckrahmen, der aus zwei Baugruppen besteht; derr. eigentlichen Reckrahmen und der Heizkammer. Dieser Apparatur haftet der Nachteil an. daß keine Kraftmessung durchführbar und damit auch die Bestimmung Theologischer Kennwerte unmöglich ist.

Der experimentelle Fortschritt in der mehrachsigen Dehnungsmeßtechnik wird weiterhin durch Meissner und Mitarbeiter mit einem erstellten Rheometer bekundet. Es existieren dazu eine Reihe von Publikationen, wie z. B. in

a) Meissner, J.: Chimia38,1984, Heft 2, S.35-45

b) Meissner, J.: Chimia 38,1984, Heft 3, S.65-75

c) Meissner, J.: Chem. Eng. Commun. 33,1985, S.15iJ-180 '

d) Meissner, J.: Pure &Appl. Chem. (Oxford) 56,1984, Heft 3, S.369-384

e) Meissner, J.; Raible, T.; Stephenson, S.E.: J.Rheol. 25,1981, Heft 1, S. 1-28

f) Meissner, J.; Raible, T.; Stephenson, S.E.: J. Rheol. 25,1981, Heft 6, S.673-674

g) Meissner, J.; Stephenson, S. E.; Demarmels, A.; Portmann, P.: Journal of Non-Netonian Fluid Mech. 11,1982, S.221-237

h) Demarmels, Α.; Meissner, J.: Rheol.Acta 24,1985, Heft 3, S.253-259

i) Stephenson, S. E.: Biaxial extensional flow of polymer melts and its realization in a newly developed rheometer; Diss. ETH

Zürich, Nr.6664 (1980) j) Uemarmels, A.: Das Theologische Verhalten von Polyisobutylen bei mehrachsigen Dehnströmungen und seine Beschreibung in den Netzwerktheorien; Diss. ETH Zürich, Nr.7345 (1983),

die das erstellte Rheometer dokumentieren. Dieses mehrachsige Dehnungsrheometer, das für verschiedenartige Dehnmethoden eingesetzt werden kann, besteht aus acht voneinander unabhängigen Einzelelementen, die beliebig angeordnet werden können. Jedes Element (rotierende Klemme) wird einzeln angetrieben und leitet dadurch die Deformation in die Probe ein. Gleichzeitig kann es die Reaktionskraft des Materials messen. Die rotierende Klemme ist elastisch so gelagert, daß sie in Richtung des Materialeinzuges, der zwischen zwei rotierenden mit Längsriefen versehene Walzen erfolgt, und gizu senkrecht proportional zu den wirkenden Kraftkomponenten ausgelenkt wird. Dadurch werden die Kraftkomponente in Zu }richtung und die davon senkrechte Komponente meßtechnisch erfaßt. Die scheiben- oder streifenförmige Probe wird von den s.ch drehenden Walzen eingezogen und auf eine Rolle aufgewickelt. Das gesamte Antriebssystem ist auf einer Rahmenplatte oefestigt und über mehrere Blattfedern mit einer Bodenplatte verbunden. Die Reaktionskraft der Probe während der Deformation kann aus der Verschiebung der Rahmenplatte gegenüber der festen Bodenplatte bestimmt werden. Die Auslenkungen werden mit induktiven Wegaufnehmern bestimmt und daraus der zeitliche Verlauf der Kräfte ermittelt. Je nach Ai.Ordnung und Geschwindigkeit der rotierenden Klemmen können verschiedenartige Dehnexperirnante durchgeführt werden. Vor einem Dehnexperiment ν 'ird die Probe mit einem unregelmäßigen Punktmuster versehen, welches während der Deformation in regelmäßigen Intervallen abfotografiert wird. Daraus lassen sich diskrete Deformationswerte bestimmen. Die Ausgangsprobendicke wird durch Wägen von ausgestochenen Materialstücken bestimmt. Der einfache Zugversuch (uniaxiale Dehnung) kann mit einer bandförmigen Probe ausgeführt werden. Hier werden zwei rotierende Klemmen einander gegenüber aufgestellt und die Probe wird bei gleicher Drehzahl aller Walzen in beiden Klemmen deformiert. Für die äquibiaxiale Dehnung werden acht rotierende Klemmen zu einem Kreis angeordnet; die Probe besteht dabei aus einer kreisförmigen Scheibe. Um das Durchhängen der Probe durch den Einfluß der Schwerkraft zu verhindern, dient in der Mitte der Anordnung ein mit 1 alkum-Pulver bedeckter Tisch als Auflage. Die Probe wird radial gedehnt und an jeder Klemme, die mit derselben Geschwindigkeit laufen, wird die vom Rand der Probe wirkende Kraft gemeosen. Zwischen den Klemmen sind pneumatisch betätigte Scheren angebracht, die intermittierend in die Probe einschneiden und so außerhalb des Referenzkreises die Probe in acht Bänder zerschneiden, die auf gesonderte Walzen an der rotierenden Klemme aufgewickelt werden. Zu jedem Schnittzeitpunkt wird so ein neuer Referenzkreis definiert. Bei der planaren Dehnung werden acht rotierende Klemmen rechteckig angeordnet. Sechs einander gegenüber aufgestellte Klemmen dehnen die Probe, während die zwei seitlich angeordneten Klemmen, ohne sich zu drehen, die Kontraktion quer zur Dehnrichtung verhindern. Die eigentliche rechteckige Bezugsfläche liegt zwischen den mittleren der sechs einander gegenüber aufgestellten Klemmen. Scheren zerschneiden außerhalb der Deformationszone den Rand der Prohe in Bänder, die dann aufgewickelt werden. Bei entsprechenden Anordnungen der rotierenden Klemmen sind weitere Dehnexperimente durchführbar; wie z. B. die Dehnung der Hauptachsen der Deformationsgeschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dadurch kann der Einfluß einer definierten Theologischen Vorgeschichte auf das weitere rhoologische Verhalten untersucht werden. Der Nachteil dieses Dehnrhoometers besteht in einem sehr hohen apparativen Aufbau und den großen Abmessungen der Apparatur, in der begrenzten Temperierbarkeit der Proben (d. h. eine definierte Temperung der Proben ist nicht möglich) sow e deren definierten Theologischen und thermischen Vorgeschichte. Für alle nichtäquibiaxialen Dehnungen, speziell bei der planaren Dehnung, treten an den Klemmen Deformationsbehinderungen (insbesondere durch Spannungen) auf, die das Meßergebnis beträchtlich beeinflussen.

Eine weitere Meßapparatur beschreibt Kawabataund Kawai (Kawabata, S.; Kawai, H.: Strain Energy Density Functions of Rubber Vulcanizates from Biaxial Extension; Adw. Polym.Sei. 24,1077, S. 89-124; Springer Verlag Berlin, Heidelberg), die für den biaxialen Dehnungstest bevorzugt bei quadratischen Prober) aus Gummi Anwendung findet. Die Probe wird durch Einzelklemmen von allen vier Seiten eingespannt. Die Einzelklemmen laufen auf Schienen, wobei durch Kugellager eine Minimierung der Reibung erreicht werden soll. Die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß jeweils zwei gegenüberliegende Schienen mit den Grundrahmen bilden. Eine Schiene kann gesteuert angezogen werden; die andere Schiene erlaubt die Messung der Kraft an den Probenenden. Mit dieser Versuchsapparat'jr können wesentliche Nachteile anderer Meßapparaturen, wie beispielsweise der reibungsfreien Nachführung der Einzelklemmen, beseitigt werden. Als nachteilig wirken sich jedoch nachfolgend angegebene Erscheinungen aus. Für Dehnungen größer 100% ziehen sich die befestigten Probenenden zwischen den Einspannklemmen so nach innen, daß eine Deformation so inhomogen wird, die eine stark fehlerbehaftete Auswertung ergibt. Die Dehnungen bleiben auf hohe Bereiche beschränkt. Weiterhin beeinflußt das hohe Gewicht der Einspannklemmen die Prüfkörperdeformation, wodurch die Dehnungs- und Spannungskennwerte beeinflußt werden. Dieser Effekt steigt mit zunehmender Prüfgeschwindigkeit (mit wachsenden Beschleunigungskräften) und gestattet somit nur Messungen nach einer genügend langen Relaxationszeit (statische Messungen). Der Einsatz dieser Vorrichtung beschränkt sich also nur auf vernetzte Werkstof iprobun. Ebenso erfolgt bei der Vorrichtung die Kraftmessung nur an den Probenenden, wobei dadurch die Messung der Querspannung des Probekörpers als die mit größte Beeinflussungsgröße dem Meßergebnis verlorengeht; d. h. es liegt damit der größte Meßfehler vor.

Darüber hinaus sind Anordnung und Verfahren bekannt, wie beispielsweise in der EP 0115753, EP 0007740 und EP 0192 283 beschrieben, die ein- bzw. multiaxiale Prüfungen von Materialprobon vorsehen. In bekanntem Falle geschieht das, wie in der erwähnten EP 0007 740 dargestellt, mit einer Vorrichtung, die ein Seil zur Kraftüberti agung auf eine Materialprobe vorsieht. Die eir - oder multiaxial gerasterten Proben worden hierbei einseitig auf Zug beansprucht. Der Lösung haftet der Nachteil an, daß sie P¹J' für Versuche mit Stoffen, die eine breite Struktur besitzen, geeignet ist. Die Benutzung eines Dämpfungsgliedes zur Begrenzung von seitlichen Schwingungen des Seiles läßt auf ein ungenaues Meßergebnis bei Prüfungen schließen. Alle weiterhin bekannten Vorrichtungen und Verfahren, wie auch in der EP 0115753 und EP 0192283 beschrieben, lassen sich hinsichtlich der erwähnten Nachteile gleichermaßen beurteilen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte zu realisieren, die bei einem unkomplizierten Aufbau mit geringem apparativen Aufwand den praxisrelevanten Deformationsbetiingungen genügt, mit vertretbarem technischen Aufwand eine einfache Fertigung ermöglicht und sich durch eine geringe Störanfälligkeit sowie einfache Handhabung bei der meßtechnischen Ermittlung der Dehn- und Schrumpfkennwerte auszeichnet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte zu schaffen, mit der im biaxialen Dehn- und Schrumpfexperiment eine genaue Bestimmung der Dehn- und Schrumpfkennwerte erfolgen soll, wobei das Experiment in einem breiten Dehndeformations- und Temperaturbereich, bei definierter Theologischer und thermischer Probengeschichte, bei homogener biaxialer Deformation und bei Minimierung der Probeneinspanneffekte einzuordnen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eine Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte, die einen Basisrahmen mit zwei parallel gegenüberliegenden Führungsschienen, die divergent verstellbar und an den beiden Enden in quer zu den Führungsschienen angeordneten Justierschienen verschiebungsfrei justiert sind, aufweist, bei der auf den Führungsschienen mehrere Einzelklemmen angeordnet sind, wobei eine Führungsschiene und eine Klemmschiene mit einer Kraftmeßeinrichtung gekoppelt ist, dadurch gelöst, daß die Führungsschiene an beiden Enden direkt mit den Kraftmeßeinrichtungen gekoppelt ist, daß parallel zu den Justierschienen gegenüberliegende Klemmschienen angeordnet sind, daß eine Klemmschiene mit der Kraftmeßeinrichtung gekoppelt ist, daß eine Klemmschiene über ein Abzugselement direkt mit einer Abzugsvorrichtung verbunden ist, daß die Klemmschienen in sich starr fixiert und als Einzelklemmen einsetzbar sind, daß auf den Führungsschienen mehrere Einzelklemmen angeordnet sind, die zueinander paarweise gegenübersitzend und reibungsarm verschiebbar liegen, daß die auf den Führungsschienen sich befindenden Einzelklemmen in sich starr verbindbar sind, und daß der sich aus den Führungsschienen und aus den Justierschienen vereinigende Basisrahmen in den entsprechenden Deformationseinrichtungen schwenkbar gelagert ist.

Die gegenüberliegenden Klemmschienen spannen in horizontaler Richtung zwischen den Justierschienen eine Ebene auf. Die Befestigungselemente der Einzelklemmen und der Klemmschienen sind der aufgespannten Ebene zugewandt. Die einzelnen Elemente der Vorrichtung bestehen aus temperaturfestem Material. Die vorgeschlagene Lösung ist zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte geeignet. Die Proben, die zur Dehn- und Schrumpfkennwertbostimmung vorgesehen sind werden entweder an den paarweise zueinander stehenden Einzelklernmen oder an den Klemmschienen, in Abhängigkeit von der Art dar Versuchsdurchführung, befestigt. Die Vorrichtung genügt bei einem unkomplizierten Aufbau mit geringem apparativen Aufwand den praxisrelevanten Deformationsbedingungen. Sie ermöglicht mit vertretbarem technischen Aufwand eine einfache Fertigung und zeichnet sich durch eine geringe Störanfälligkeit sowie einfache Handhabung bei der meßtechnischen Ermittlung der Dehn- und Schrumpfkennwerte aus.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der Verrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte·

Die Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte besteht nach Fig. 1 aus zwei parallel gegenüberliegenden Führungsschienen 1,2 und zwei Justierschienen 3,4, die den Basisrahmen der Vorrichtung bilden. Die Führungsschienen 1,2 sind divergent verstellbar und an beiden Enden in quer zu ihnen angeordneten Justierschienen 3,4 verschiebungsfrei justiert angeordnet. Die Führungsschiene 1 ist an ihren Enden direkt mit der Kraftmeßeinrichtung 5 und der Kraftmeßeinrichtung '3 gekoppelt. Über die Kraftmeßßinrichtungen 5,6 erfolgt die Justierung der Führungsschiene 1 an den Justierschienen 3,4. Parallel zu den Justierschienen 3,4 sind gegenüberliegende Klemmschienen 8,9 angeordnet, die in horizontaler Richtung zwischen den beiden Justierschienen 3.4 eine Ebene aufspannen. Die Klemmschiene 8 ist mit einer Kraftmeßeinrichtung 7 gekoppelt. Die Klemmschiene 9 ist über ein Abzugselement 12 direkt mit einer Abzugsvorrichtung, die an eine Zugprüfmaschine gekoppelt ist, verbunden. Beide Klemmschienen 8,9 sind so aufgebaut, daß sie zum einen in sich starr fixiert und zum andoren als Einzelklemmen einsetzbar sind. Auf den Führungsschienen 1,2 sind mehrere Einzelklemmen 10, 11 angeordnet, die paarweise zueinander gegenüber sitzen und reibungsarm verschiebbar sind. Die Einzelklommen 10, die sich auf der Führungsschiene 1 befinden, und die Einzelklemmen 11, die auf der Führungsschiene 2 angeordnet sind, sind in sich starr verbindbar. Der aus den Führungsschienen 1,2 und aus den Justierschienen 3,4 gebildete Basisrahmen ist in der entsprechenden Deformationseinrichtung kontinuierlich schwenkbar gelagert. Die Vorrichtung ist besonders zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte von Materialproben, insbesondere für Gummi bei Raumtemperatur und für PETP-Folie geeignet. Durch das Beziehen der Kraftmeßwerte auf die beanspruchte Probenkörperfläche werden die Quer- und Längsspannungen bestimmt; die entsprechenden Deformationswerte werden fotografisch ausgewertet. Die ermittelten Dehn- und Schrumpfkennwerte lassen geeignete Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften des Probenmateriales zu.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   1. Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte, die einen Basisrahmen mit zwei parallel gegenüberliegenden Führungsschienen, die divergent verstellbar und an den beiden Enden in quer zu den Führungsschienen angeordneten Justierschienen verschiebungsfrei justiert sind, aufweist, bei der auf den Führungsschienen mehrere Einzelklemmen angeordnet sind, wobei eine Führungsschiene und eine Klemmschiene mit einer Kraftmeßeinrichtung gekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Führungsschiene (1) an den Enden direkt mit der Kraftmeßeinrichtung (5) und der Kraftmeßeinrichtung (6) gekoppelt ist, daß parallel zu den Justierschienen (3,4) gegenüberliegende Klemmschienen (8,9) angeordnet sind, daß die Klemmschiene (8) mit der Kraftmeßeinrichtung (7) gekoppelt ist, daß die Klemmschiene (9) über ein Abzugselement (12) direkt mit einer Abzugsvorrichtung verbunden ist, daß die Klemmschienen (8,9) in sich starr fixiert und als Einzelklemmen einsetzbar sind, daß auf den Führungsschienen (1,2) mehrere Einzelklemmen (10,11) angeordnet sind, die zueinander paarweise gegenübersitzend und reibungsarm verschiebbar liegen, daß die auf den Führungsschienen (1,2) sich befindenden Einzelklemmen (10,11) in sich starr vorbindbar sind, und daß der sich aus den Führungsschienen (1,2) und aus den Justierschienen (3,4) vereinigende Basisrahmen in den entsprechenden Deformationseinrichtungen schwenkbar gelagert ist.
2. 2. Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die gegenüberliegenden Klemmschienen (8,9) in horizontaler Richtung zwischen den Justierschienen (3,4) eine Ebene aufspannen.
3. 3. Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte nach Anspruch 1 und Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Befestigungselemente der Einzelklemmen (10,11) und der Klemmschienen (8,9) der aufgespannten Ebene zugewandt sind.
4. 4. Vorrichtung zur Bestimmung biaxialer Dehn- und Schrumpfkennwerte nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen Elemente der Vorrichtung aus temperaturfestem Material bestehen.