DE10024490C2 - Vertikale Rotationsscheibe für die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk und Elastomeren - Google Patents
Vertikale Rotationsscheibe für die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk und ElastomerenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk und E
lastomeren und bezieht sich insbesondere auf eine hierfür verwendete Einspann
vorrichtung, eine diese Einspannvorrichtung aufweisende Prüfkammer und ein
mittels dieser Prüfkammer durchgeführtes Verfahren.
Insbesondere beim Einsatz von Kautschuk oder Elastomeren in Bereichen, die
verstärkt natürlichen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. bei Auto
mobilen oder Arbeitsmaschinen, wird eine besondere Witterungsbeständigkeit,
vor allem gegen Ozon, verlangt. Daher werden in der chemischen Industrie ver
stärkt Materialzusammensetzungen von Werkstoffen erforscht, die zumindest über
einen größeren Zeitraum der üblichen Nutzungsdauer beständig sind gegen Ozon,
und die vorzugsweise nur ein langsames Alterungsverhalten zeigen.
Um das Alterungsverhalten solcher Kautschuk- oder Elastomermaterialien verläß
lich überprüfen zu können, wurden Prüfverfahren entwickelt, die in entsprechen
den DIN- oder ISO-Normen festgelegt worden sind. Grundlage aller dieser Prüf
verfahren ist die Tatsache, daß Kautschuk oder Elastomere unter Ozoneinwirkung
zu Rißbildung neigen. Dabei werden die aus dem Kautschuk oder den Elastome
ren erhaltenen Prüfkörper in Form von streifen-, hantel- oder scheibenförmigen
Probekörpern und in gedehntem Zustand einer definierten Ozonkonzentration
ausgesetzt, da sich durch die Dehnung der Probekörper die Rißbildung beschleu
nigt.
Im Stand der Technik sind die verschiedenen Arten der Probennahme und die
Halterung der Probekörper in den entsprechenden Einspannvorrichtungen be
kannt. So werden z. B. für streifenförmige Probekörper Schraubklemmen vorge
sehen, um die Probekörper befestigen und anschließend dehnen zu können.
Die Beurteilung des Alterungsverhaltens der zu prüfenden Kautschuke und E
lastomeren erfolgt nach einer bekannten Methode visuell anhand des Rißbildes.
Grundsätzlich beginnt die Rißbildung mit kurzen und schmalen Rissen, und die
Beurteilung, ob bereits eine Rißbildung stattgefunden hat oder nicht, ist sehr sub
jektiv geprägt. Das Toleranzband der Rißerkennung ist sehr breit. Beträgt z. B. die
Beanspruchungsdauer durch Dehnung bis zum Rißbeginn 8 Stunden, so kann das
Toleranzband 16 Stunden breit sein.
Ein verläßlicheres Kriterium zur Beurteilung der Beanspruchungsdauer ergibt sich
durch die Aufnahme eines Histogramms. Hierfür wird der Verlauf von Rißlänge
bzw. Rißfläche in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer durch Bildauswer
tungskameras registriert. Eine Kamera kann Risse ab einer Breite von etwa 20 µm
bzw. ab einer Länge von etwa 200 µm erkennen. Da sich mit der Beanspruchungs
dauer kleine Risse zu großen Rissen vereinigen, nimmt die Rißlänge bzw. die
Rißfläche nach anfänglich flachem Verlauf der Kurve des Histogramms ab einer
bestimmten Beanspruchungsdauer sprunghaft oder überproportional zu, bis es zum
Durchriß des Probekörpers kommt. Die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit
eines solchen Histogramms sind bedeutend höher als die visuelle Ermittlung der
kritischen Dehnung. Grenzen sind dieser Aufzeichnungsmethode jedoch dann
gesetzt, wenn mehrere Probekörper in der Prüfkammer untersucht werden sollen,
weil die Kamera dann hin- und hergeschoben werden muß, und die Bilder dadurch
leicht verwackeln.
Ein weiteres kritisches Kriterium bei der Durchführung der Alterungsprüfung ist
die Verteilung des Ozons in der Prüfkammer. Ozon neigt zur Agglomerisation, so
daß geeignete Maßnahmen getroffen werden müssen, um das zugeführte Ozon
gleichmäßig zu verteilen. Grundsätzlich nicht verhindert werden kann die Behin
derung des Stromes der ozonhaltigen Luft durch die Einspannvorrichtungen
selbst. Dadurch kann es zu unterschiedlichen Probenbelastungen und damit zu
verfälschten Prüfungsergebnissen kommen.
US-4,911,017 A offenbart eine Vorrichtung zur Rißwachstumsprüfung von Kau
tschuk und Elastomeren mit einer Einspannvorrichtung, die eine feststehende und
eine beweglich gelagerte Montagestange aufweist. Eine Mehrzahl von zu testen
den, einen Schnitt aufweisenden Probestreifen werden jeweils in Längsrichtung
mit ihrem einen Ende an der feststehenden und mit ihrem anderen Ende an der
beweglich gelagerten Montagestange befestigt und aufgereiht. Die beweglich ge
lagerte Montagestange wirkt mit einem drehend bewegten Nocken zusammen und
bewirkt dadurch, daß jeder der einzelnen Probestreifen abwechselnd gedehnt und
wieder entlastet wird, wobei die Nockenhöhe die Dehnung der Probestreifen be
stimmt. Eine geeignete Meßvorrichtung mißt das Ausmaß der Probendehnung.
Eine Kamera, z. B. eine Videokamera, zeichnet das Verhalten der Probestreifen
im Bereich um den Schnitt auf.
In JP 04-10 91 42 A wird eine Ozon-Prüfkammer beschrieben, die zur Alterungs
prüfung von Gummi dient, welches in Form von Probestücken während einer de
finierten Zeitspanne der Ozonatmosphäre ausgesetzt wird. Die Prüfkammer weist
ein Sichtfenster auf, über das die Alterung der Gummiprobe mittels einer Video
kamera beobachtet und ausgewertet wird.
Davon ausgehend lag der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde,
eine Einspannvorrichtung für die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk
und Elastomeren, eine diese Einspannvorrichtung aufweisende Prüfkammer und
ein Prüfverfahren bereitzustellen, wodurch eine im wesentlichen gleichmäßige
Ozonbelastung der Probekörper erreicht und ein schnelles, bevorzugt automati
sches Untersuchen einer Vielzahl elastomerer Probekörper zur gleichen Zeit mit
möglichst eindeutiger Rißerkennung gewährleistet wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Einspannvorrichtung, die eine drehbar ge
lagerte erste Scheibe aufweist, auf welcher eine Mehrzahl elastomerer Probekör
per radial befestigt ist, und die mit einer Nocken aufweisenden, in etwa parallel zu
der ersten Scheibe angeordneten zweiten Scheibe zusammenwirkt, so daß die
Nockenhöhe jeweils die Dehnung des Probekörpers bestimmt.
Vorzugsweise werden als Probekörper streifenförmige Proben verwendet. Durch
das Zusammenwirken der drehbar gelagerten ersten Scheibe mit der feststehen
den, Nocken aufweisenden zweiten Scheibe durchlaufen die Proben nacheinander
Bereiche maximaler Dehnung, wenn sie die maximale Nockenhöhe erreicht ha
ben, bis hin zum ungedehnten Zustand im Tal zwischen zwei benachbarten No
ckenhöhen. Dies hat zum einen den Vorteil eines geringeren Kraft- und damit
Energieaufwands des die drehbar gelagerte erste Scheibe antreibenden Motors,
der für die Dehnung einer Vielzahl von Proben elastomeren Materials aufgewandt
werden muß, da nicht jeder der Probekörper gleichzeitig die maximale Dehnung
erreicht. Vielmehr befinden sich die verschiedenen Probekörper in Zuständen un
terschiedlicher bis hin zu gar keiner Dehnung. Die Anzahl der in dem Zustand
einer maximalen Dehnung befindlichen Probekörper entspricht der Anzahl der
Nocken der zweiten Scheibe.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einspannvorrichtung ist darin zu se
hen, daß die Probekörper beim Durchlaufen der Nocken durch das Rotieren der
ersten Scheibe an unterschiedlichen Positionen in der Prüfkammer gedehnt wer
den bzw. ihre maximale Dehnung erreichen. Dadurch wird der Einfluß unter
schiedlicher Ozonkonzentrationen innerhalb der Prüfkammer in günstiger Weise
minimiert oder ganz ausgeglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspannvor
richtung weist die zweite Scheibe drei Nocken auf. Es sind jedoch auch Nocken
scheiben mit einer anderen Anzahl von Nocken möglich und einsetzbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Scheibe stirnseitig und
umfangsverteilt Positionssensoren auf. Der Vorteil dieser Maßnahme kommt dann
zum Tragen, wenn die erfindungsgemäße Einspannvorrichtung in einer Prüfkam
mer verwendet wird, die mit einer Kamera zur Aufnahme eines Histogramms zu
sammenwirkt, und die Datenerfassung gleichzeitig computergesteuert vorgenom
men wird. Dann dienen die Positionssensoren dazu, die von jedem Probekörper
erhaltenen Daten der entsprechenden Probe zuordnen zu können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Prüf
kammer mit einem Sichtfenster und zumindest einer Austrittsöffnung für das O
zon, die die zuvor erläuterte Einspannvorrichtung aufweist, wobei diese Ein
spannvorrichtung vertikal in der Prüfkammer angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einspannvorrichtung in der erfin
dungsgemäßen Prüfkammer in der Weise angeordnet, daß die darauf befestigten
Probekörper in Richtung auf das Sichtfenster weisen. Außerdem ist die zumindest
eine Austrittsöffnung für das Ozon in der Weise angeordnet, daß die Einspannvor
richtung vertikal und im Bereich der Probekörper umströmt wird. Auch durch
diese Maßnahme wird erreicht, daß die Probekörper während ihres Umlaufs auf
der ersten Scheibe möglichst gleichmäßig von dem Ozon umströmt werden.
Um eine ordnungsgemäße Alterungsprüfung sicherstellen zu können und den ent
sprechenden DIN-Normen zu genügen, ist gemäß einer weiteren Ausführungs
form vorgesehen, daß die Prüfkammer aus korrosionsbeständigem Stahl besteht.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß die Prüfkammer mit einer außerhalb dersel
ben befestigten Kamera zusammenwirkt. Dabei ist die Kamera fest justiert und
ausgerichtet auf die Beobachtung der Dehnzone des eingespannten Probekörpers.
D. h., daß die einzelnen, auf der Scheibe angeordneten Probekörper nacheinander
in einem Zustand maximaler Dehnung die fest eingerichtete Kamera passieren
und ihr Zustand festgehalten werden kann, ohne verwackelte Bilder befürchten zu
müssen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Ver
fahren, das in der zuvor beschriebenen Prüfkammer durchgeführt wird, bei dem
die Einspannvorrichtung mit vorherbestimmter Geschwindigkeit in der Prüfkam
mer rotiert und vertikal und im Bereich der Probekörper von Ozon umströmt wird,
wobei die Probekörper mit einer ebenfalls vorherbestimmten Nockenhöhe ab
wechselnd gedehnt und wieder entlastet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses erfindungsgemäßen Verfah
rens werden die Probekörper jeweils im Zustand maximaler Dehnung photogra
phiert.
Um die Auflösung bei der Bilderfassung durch die mit der Prüfkammer zusam
menwirkende Kamera noch zu erhöhen, z. B. um feine Risse rechtzeitig erkennen
zu können, kann vorgesehen sein, daß die Einspannvorrichtung für die Zeitdauer
des Photographierens nicht rotiert.
Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1: ein schematisches Blockdiagramm einer automatisch arbeitenden
Anlage zur dynamischen Alterungsprüfung von Elastomeren mit
einer Prüfkammer zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Ein
spannvorrichtung,
Fig. 2: einen unvollständig dargestellten Schnitt durch die erfindungsge
mäße Einspannvorrichtung, der das Zusammenwirken der ersten
und zweiten Scheibe bei eingespanntem Probekörper veranschau
licht,
Fig. 3: eine schematische Aufsicht auf die Nocken aufweisende zweite
Scheibe der Einspannvorrichtung zur Veranschaulichung der Füh
rungsnut,
und
Fig. 4: typische Histogrammverläufe verschiedener elastomerer Werkstof
fe.
Die im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Einspannvorrichtung, die diese
aufweisende Prüfkammer und die in der Prüfkammer untersuchten Probekörper,
einschließlich der Bedingungen für die ozonhaltige Luft in der Prüfkammer,
entsprechen - auch wenn im folgenden nicht immer näher erläutert - den
vorgegebenen Bedingungen gemäß der DIN-Norm 53 509, Teil 1, von Mai 1990
und der internationalen Norm ISO 1431/1 von Juni 1989 und 1431/2 von August
1982, auf die hier ausdrücklich verwiesen wird.
In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer automatisch arbeitenden Anlage zur
dynamischen Alterungsprüfung von Kautschuk und Elastomeren schematisch
dargestellt. Dabei wird über Leitung A Frischluft zugeführt, die zunächst über
einen Aktivkohlefilter 1, einen Staubfilter 3, ein Gebläse 5 und eine
Trocknungskolonne 7 geleitet wird. Mit 9 ist ein Ozongenerator bezeichnet. Ein
Durchflußmesser 11 und Ventile 13, 13' sorgen für eine kontrollierte Zuführung
des Ozons zu der Prüfkammer 15. Eine Heizvorrichtung 17 und eine Vorrichtung
zur Steuerung der Luftfeuchtigkeit 19 dienen zur Einstellung der
Luftbedingungen, die gemäß den DIN- bzw. ISO-Normen gefordert sind, wobei
ein Temperatursensor 21 und ein Feuchtigkeitssensor 23 die Luftbedingungen in
der Prüfkammer 15 ständig kontrollieren.
Das Ozon dringt über eine ein Lochmuster aufweisende Verteilerplatte 25,
unterstützt von einem Gebläse 27 und wahlweise einem weiteren Gebläse 27' in
die Prüfkammer ein und wird anschließend über ein Ventil mit Absaughaube 29
wieder abgeführt. Insbesondere zur vollautomatischen Alterungsprüfung von
Elastomeren schließt sich an diese Ausrüstung der Anlage noch ein Analysengerät
31, ein Druckmesser 33 und ein Durchflußmesser 35 an. Mit der Bezugszahl 37
ist eine Pumpe für das Ozon vorgesehen.
Mit B ist eine Leitung angedeutet, mit welcher Umluft wieder in den Bereich der
Leitung A geführt werden kann, wenn die Prüfkammer 15 nicht nur mit Frischluft,
sondern mit Umluft und einem Frischluftanteil betrieben werden soll. Das entsprechende
Mischungsverhältnis ist durch die entsprechende DIN-Norm 53 509
vorgeschrieben, auf die hier nochmals verwiesen werden soll.
Als ozonerzeugende Quellen können grundsätzlich UV-Lampen oder Entladungs
röhren, in denen eine stille elektrische Entladung abläuft, verwendet werden.
Fig. 2 zeigt einen Detailausschnitt der in der Prüfkammer 15 angeordneten, erfin
dungsgemäßen Einspannvorrichtung, der das Zusammenwirken der drehbar gela
gerten ersten Scheibe 39 mit der Nocken aufweisenden, parallel zu der ersten
Scheibe 39 angeordneten zweiten Scheibe 41 zum Dehnen des Probekörpers 43
verdeutlicht. Wie aus Fig. 2 zu ersehen, wird ein mit der Bezugszahl 45 bezeich
neter innerer Schlitten über ein Pleuel 47, das in eine dafür vorgesehene Nut 49
der feststehenden Nockenscheibe 41 eingreift, bewegt. Die drehbar gelagerte erste
Scheibe 39 wird über einen nicht näher dargestellten Motor C angetrieben. Aus
serdem kann vorgesehen sein, daß die Dehnung am äußeren Halteschlitten 51 über
eine ebenfalls nicht näher dargestellte Inbus-Schraube eingestellt werden kann.
Jeder Probekörper 43 ist auf der ersten Scheibe 39 radial in der Weise einge
spannt, daß das eine seiner Enden in Längsrichtung am äußeren Umfang der ers
ten Scheibe 39 über den Halteschlitten 51 fest verschraubt ist, während das andere
Ende in Längsrichtung vom Schlitten 45 gehalten wird, der über den in der Füh
rungsnut 49 umlaufenden Pleuel 47 ortsvariabel gestaltet ist. Der elastomere Pro
bekörper 43 wird so von dem Halteschlitten 51 und dem Schlitten 45 gehalten,
daß seine freie Einspannlänge in ungedehntem Zustand mindestens 40 mm bzw.
50 mm beträgt, wie von der DIN-Norm 53 509 gefordert.
Insgesamt sind bei der hier exemplarisch erläuterten Prüfanlage sechzehn Probe
körper 43 in der geschilderten Weise umfangsverteilt radial angeordnet.
Die Dehnung des elastomeren Probekörpers 43 wird über die Nockenscheibe 41
gesteuert. Fig. 3 zeigt die sich für die Nut 49 ergebende Umlaufbahn, durch die
das abwechselnde Dehnen und Entspannen des Probekörpers 43 bewirkt wird. In
diesem Ausführungsbeispiel besteht die Nockenscheibe 41, wie in Fig. 3 darge
stellt, aus drei Nocken D, mit einer Nockenhöhe, die mit h bezeichnet ist.
Vorzugsweise weist die erste Scheibe 39 umfangsverteilt in definierten Abständen
eine Skalierung auf, die eine genaue Bestimmung der Dehnung des Probekörpers
43 ermöglicht.
In Fig. 4 ist exemplarisch ein Histogramm dargestellt, daß sich bei der Verwen
dung der Prüfkammer 15 mit der erfindungsgemäßen Einspannvorrichtung 39
zusammen mit einer in den Figuren nicht näher dargestellten, außerhalb der Prüf
kammer 15 befestigten Kamera ergibt. Die Auswertung der Daten erfolgte Com
puterunterstützt, wobei die Zuordnung des Probekörpers über Positionssensoren
erfolgte, die umfangsverteilt stirnseitig an der ersten Scheibe 39 angebracht wa
ren. Dies ist in den Figur nicht näher dargestellt.
In Fig. 4 ist mit I die sich für Naturkautschuk ergebende Kurve, mit II eine für
Silicon signifikante Kurve und mit III ein für Kautschuk, dem ein Antioxidati
onsmittel zugesetzt wurde, gemessener Kurvenverlauf angegeben. Die auf der x-
Achse aufgetragene Zeit entspricht der Beanspruchungszeit des Probekörpers in
Stunden.
Claims (11)
1. Einspannvorrichtung für die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk
und Elastomeren, die eine drehbar gelagerte erste Scheibe (39) aufweist,
auf welcher eine Mehrzahl elastomerer Probekörper (43) radial befestigt
ist, und die mit einer Nocken (D) aufweisenden, parallel zu der ersten
Scheibe (39) angeordneten zweiten Scheibe (41) zusammenwirkt, so daß
die Nockenhöhe (h) jeweils die Dehnung des Probekörpers (43) bestimmt.
2. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine drei
Nocken (D) aufweisende zweite Scheibe (41).
3. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Scheibe (39) stirnseitig und umfangsverteilt Positionssenso
ren aufweist.
4. Prüfkammer für die dynamische Alterungsprüfung von Kautschuk und
Elastomeren mittels Ozon mit einem Sichtfenster und zumindest einer
Austrittsöffnung (25) für das Ozon, die eine Einspannvorrichtung gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist, wobei diese Einspannvorrichtung
vertikal in der Prüfkammer (15) angeordnet ist.
5. Prüfkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspann
vorrichtung in der Weise angeordnet ist, daß die darauf befestigten Probe
körper (43) in Richtung auf das Sichtfenster weisen.
6. Prüfkammer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
zumindest eine Austrittsöffnung (25) für das Ozon in der Weise angeordnet
ist, daß die Einspannvorrichtung vertikal und im Bereich der Probe
körper (43) umströmt ist.
7. Prüfkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwände der Prüfkammer (15) aus korrosionsbeständigem
Stahl bestehen.
8. Prüfkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit einer außerhalb der Kammer (15) befestigten Kamera zusam
menwirkt.
9. Verfahren zur dynamischen Alterungsprüfung von Kautschuk und Elasto
meren mittels Ozon in einer Prüfkammer (15) gemäß einem der Ansprüche
4 bis 8, bei dem die Einspannvorrichtung mit vorherbestimmter Ge
schwindigkeit in der Prüfkammer (15) rotiert und vertikal und im Bereich
der Probekörper (43) von Ozon umströmt wird, wobei die Probekörper
(43) im Umfang der vorherbestimmten Nockenhöhe (h) abwechselnd ge
dehnt und wieder entlastet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9 in einer Prüfkammer nach Anspruch 8, bei
dem die Probekörper (43) jeweils im Zustand maximaler Dehnung photo
graphiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Einspannvorrichtung für die
Zeitdauer des Photographierens nicht rotiert.
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