DE19505250C1

DE19505250C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von dehnelastischen Eigenschaften an Meßproben

Info

Publication number: DE19505250C1
Application number: DE19505250A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl Ing Goettfert
Original assignee: GOETTFERT WERKSTOFF PRUEFMASCH
Current assignee: GOETTFERT WERKSTOFF PRUEFMASCH
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2015-02-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von dehnela stischen Eigenschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben von Polymer schmelzen und thermo-rheologisch ähnlichen Materialien, insbesondere in einem Produktionsprozeß, wobei die zum Dehnen der Meßprobe erforderliche Abzugskraft F und die Abzugsgeschwindigkeit v der Meßprobe erfaßt werden.

Im folgenden werden die Materialien, auf die sich die Erfindung anwenden läßt, als thermo-rheologisch einfache Materialien bezeichnet. Insbesondere die dehnelasti schen Eigenschaften von Polymerschmelzen sind für Verarbeitungsprozesse, wie z. B. Folien- und Faserherstellung, von großer Wichtigkeit. Da das Deformationsver halten von Schmelzen im Scherversuch nicht direkt mit dem Dehnverhalten dieser Schmelzen korreliert ist, wurden Prüfgeräte speziell für die Untersuchung der Dehndeformationen entwickelt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme lassen sich im wesentlichen in zwei Gruppen unterteilen, nämlich in die Gruppe der sog. Dehnrheometer und in die Gruppe der Dehnungstester.

Bei den Dehnrheometern wird ein definiert vorbereiteter Polymerstrang in einem flüs sigen Trägermedium isotherm aufgeschmolzen. Der Strang wird dann entweder mit konstanter Abzugsgeschwindigkeit oder unter konstanter Zugspannung deformiert, so daß die Schmelze einer homogenen, über der Probenlänge konstanten Dehnde formation unterworfen wird. Hier wird also die Dehnviskositätsfunktion der Schmelze bei einer homogenen Dehndeformation ermittelt.

Dehnrheometer sind in der Praxis problematisch, da die Probenherstellung und die Fixierung der Proben sehr aufwendig ist. Es ist außerdem schwierig, ein ideales Trä germedium mit annähernd gleicher Dichte zu finden. Insgesamt erweisen sich daher absolut messende Dehnrheometer für die produktions- und prozeßbegleitende Prü fung von Schmelzen zur Qualitätssicherung als ungeeignet.

In der EP 0 347 055 A2 wird ein Verfahren zum Ermitteln von dehnelastischen Ei genschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben aus einem Produktionsprozeß beschrieben. Dazu wird die Meßprobe aus dem Produktionsprozeß entnommen und durch eine Kapillare geleitet, um danach wieder dem Produktionsprozeß zugeführt zu werden. Zur Bestimmung der Viskosität der Meßprobe wird die Durchflußrate des Probenmaterials derart geregelt, daß ein konstanter Druckabfall zwischen den beiden Enden der Kapillare aufrechterhalten wird. Außerdem wird die Temperatur des Pro benmaterials in der Kapillare erfaßt.

Aus der DE-PS 19 04 079 ist ein Dehnungstester bekannt, bei dem der extrudierte Polymerstrang mittels in Transportrichtung nachgiebig gelagerten, mit veränderbarer Drehzahl antreibbaren Abzugswalzen fortlaufend gedehnt bzw. gestreckt wird. Dabei wird die auf die Abzugswalzen wirkende auslenkende Kraft fortlaufend gemessen. Die Abzugsgeschwindigkeit wird hier stetig erhöht, solange bis der Strang abreißt. Die maximal erreichte Abzugsgeschwindigkeit gilt als Maß für die "Dehnbarkeit" der Schmelze, während die erreichte Abzugskraft ein Maß für die "Festigkeit" der Schmelze darstellt. Da hier die Dehngeschwindigkeit mit abnehmendem Strang durchmesser zunimmt, liegt keine homogene Dehndeformation über dem gesamten Schmelzenstrang vor. Die mit dem bekannten Dehnungstester gewonnenen Meßer gebnisse sind daher nicht mit der Dehnviskositätsfunktion vergleichbar, die mit den vorab beschriebenen Dehnrheometern ermittelbar sind.

Auch der bekannte Dehnungstester ist in der Praxis problematisch. Der Polymer strang wird hier nämlich kontinuierlich, bei konstant gehaltenem Volumenstrom ex trudiert. Variiert man bei dieser Betriebsweise die Temperatur der Schmelze, so er hält man unterschiedliche Kraftdehnungsverläufe.

Mit steigender Temperatur nimmt der Kraftdehnungsverlauf ab, was in den Fig. 2 und 3 beispielhaft anhand zweier Kraftdehnungsdiagramme für zwei unterschiedliche Polyethylen-(PE)-Typen A und B dargestellt ist. Beide Kraftdehnungsdiagramme wurden in einem Temperaturbereich zwischen 190° und 220°C aufgenommen. Der konstante Volumendurchsatz betrug im Falle des PE-Typs A 0,25 kg/h (Fig. 2) und im Falle des PE-Typs B 0,5 kg/h (Fig. 3).

Im kontinuierlichen Polymerherstellungs- und Aufbereitungsprozeß können nun durchaus Schwankungen in der Schmelzentemperatur auftreten. Eine kontinuierliche Dehnungsmessung der Schmelze würde also zu einer sich in Abhängigkeit von der Strangtemperatur verändernden Kraftdehnungskurve führen. Das eigentliche Ziel ei ner kontinuierlichen, prozeßbegleitenden Dehnungsmessung der Schmelze, nämlich molekulare Änderungen der Schmelze zu ermitteln, ist auf diese Weise nicht ohne weiteres erreichbar. Außerdem lassen sich auch die mit dem bekannten Verfahren erzielten Meßergebnisse für unterschiedliche Polymerschmelzen nicht ohne weiteres vergleichen. Um die Dehnungscharakteristik der Schmelze mit dem bekannten Deh nungstester unter Echtzeitbedingungen in Form von interpretierbaren und vergleich baren Meßergebnissen zu erfassen, müßten - mit entsprechend hohem Aufwand - die Temperaturschwankungen der ankommenden Schmelze erfaßt und ausgeglichen werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, welche zum einen prozeß- insb. produktionsbegleitend, also online, ein setzbar sind und zum anderen prozeßunabhängige Meßergebnisse liefern, die sowohl auf die molekularen Veränderungen der Meßprobe schließen lassen als auch Vergleiche zu entsprechenden Meßergebnissen an anderen Meßproben ermögli chen.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst die voranstehende Aufgabe durch die Merk male des Patentanspruches 1. Danach wird die Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V = v/v₀ erfaßt, wobei v₀ die Extrusionsgeschwindigkeit der Meß probe ist. Die Meßwerterfassung erfolgt erfindungsgemäß bei konstantem Extrusi onsdruck P. Durch die Auswertung der Meßwerte werden erfindungsgemäß Rück schlüsse auf die Molmassenverteilung der Meßprobe gezogen, indem Unterschiede in den Kraftdehnungsverläufen - Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V - unterschiedlicher Meßproben ausschließlich auf unterschiedliche Molmassenverteilungen, einschließlich unterschiedlicher Art Anzahl und Länge der Kettenverzweigungen, zurückzuführen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Extrudiereinrichtung mit einer Aus trittsdüse für die Meßprobe und einer der Austrittsdüse vorgeschalteten Förderein richtung zur Gewährleistung eines konstanten Extrusionsdrucks p, eine Abzugseinrichtung und Mittel zum Erfassen der Abzugskraft F und der Abzugs geschwindigkeit v. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zum Er mitteln der Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V = v/v₀, wobei v₀ die Extrusionsgeschwindigkeit der Meßprobe ist, und Mittel zum Ermitteln der Mol massenverteilung der Meßprobe aus dem Verlauf der Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die im Dehnungstester gemessene Ab zugskraft F im allgemeinen von den Eigenschaften der Meßprobe, der Geometrie von Einlauf, Düse und Spinnstrecke sowie von den Prozeßbedingungen, insbesondere Temperatur T, Druck p, Durchsatz bzw. Düsenaustritts- oder Extrusionsge schwindigkeit v₀ und der Abzugsgeschwindigkeit v, abhängt:

F = F (Meßprobe, Geometrie, Prozeßbedingungen) (1).

Für quasi-isothermes Schmelzespinnen bei fester Geometrie reduziert sich dieser Zusammenhang für eine gegebene Meßprobe auf:

F = F (De_i(V, T), V) (2),

wobei die Deborah-Zahl De_i das Verhältnis der charakteristischen Materialzeit t_i zur charakteristischen Prozeßzeit t_pz beschreibt. Die Materialzeiten t_i können mit den Relaxationen λ_i(T) der Meßprobe identifiziert werden, die in guter Nährung nur von der Temperatur abhängen. Die charakteristische Prozeßzeit t_pz ist die Zeit, die ein Schmelzeteilchen mit der Geschwindigkeit v₀ zum Durchlaufen der Spinnstrecke L benötigt; dabei hängt v₀ von p und T ab. Somit gilt:

Mit V ist die Verstreckung bezeichnet, d. h.

Thermo-rheologisch einfache Materialien unterliegen der Zeit- Temperaturverschiebung, d. h. alle Relaxationszeiten λ_i ver schieben sich bei Temperaturänderung um denselben Temperatur verschiebungsfaktor a_T, der sich zumindest bei teilkristallinen Polymeren durch eine Arrhenius-Beziehung ausdrücken läßt:

Dabei sind E die Aktivierungsenergie, R die allgemeine Gaskon stante und T und T₀ absolute Temperaturen in Kelvin. Für die Relaxationszeiten bei der Temperatur T gilt also:

λ_i(T) = a_Tλ_i (T₀) (6)

d. h. die Relaxationszeiten werden mit zunehmender Temperatur kleiner.

Andererseits ist bekannt, daß bei konstantem Extrusionsdruck p der Durchsatz bzw. die Düsenaustritts- oder Extrusionsgeschwin digkeit v₀ umgekehrt proportional zu a_T sind, d. h. mit der Tem peratur zunehmen,

v₀ (p, T) = a_T ^-1 v₀ (t, T₀) (7)

Setzt man die Gleichungen (6) und (7) in Gl. (3) ein, so er kennt man sofort, daß die Deborah-Zahlen De_i unabhängig von der Temperatur sind und nur vom Druck p abhängen,

De_i (p, T) = De_i (p) (8)

Für quasi-isothermes Schmelzespinnen bei konstantem Extrusions druck p erwartet man also für Meßproben eines thermo-rheolo gisch einfachen Materials eine temperatur-invariante Master kurve der Form

F = F (De_i (p), V) (9).

Dies sei im folgenden am Beispiel einer PE-Schmelze darge stellt, die bei konstantem Extrusionsdruck p = 52 bar und Tem peraturen zwischen 170° und 220°C extrudiert und verstreckt wurde. Fig. 4 zeigt die gemessene Abzugskraft F als Funktion der Abzugsgeschwindigkeit v. Die Abzugskraft steigt zunächst linear mit der Abzugsgeschwindigkeit an, um bei höherer Ver streckung in einen nahezu horizontalen Verlauf überzugehen. Die beobachteten Oszillationen der Abzugskraft bei großer Ver streckung sind auf das bekannte Phänomen der sogenannten "Draw- Resonance" zurückzuführen, einer hydrodynamischen Instabilität, bei der ab einer kritischen Verstreckung die Masseverteilung in der Spinnstrecke instationär wird und periodisch oszilliert.

Trägt man dieselben Dehnungskurven entsprechend Gl. (9) als Funktion der Verstreckung V auf (Fig. 5), so erkennt man, daß alle Kurven denselben Verlauf zeigen, d. h. daß eine temperatur invariante Masterkurve Ma vorliegt. Dabei ist natürlich von der unterschiedlichen Ausprägung der "Draw-Resonance" abzusehen, die - da es sich um eine Wellenausbreitung handelt - nicht nur von der Verstreckung, sondern auch von der Absolutgeschwindig keit abhängt.

Fig. 6 zeigt den Temperaturverschiebungsfaktor a_T, der direkt aus der Durchsatzmessung folgt. Für die betrachtete Meßprobe ergibt sich eine Aktivierungsenergie von 42 kj/mol, was gut mit den Werten übereinstimmt, die man aus den Fließkurven für Wand schubspannungen zwischen 10⁴ und 10⁵ Pa findet.

Die obigen Überlegungen lassen sich nun auf die Molmasseabhän gigkeit der Kraftdehnungskurven übertragen. Bei unterschiedli cher mittlerer Molmasse M, aber gleicher Molmassenverteilung MWD gilt für alle Relaxationszeiten der Fließzone:

λ_i (M, MWD) = α_Mλ_i (M₀, MWD) (10)

Dabei ist der Molmassenverschiebungsfaktor a_M gegeben durch

η₀ ist die Newtonsche Grenzviskosität der Meßprobe, die zumin dest für viele Homopolymere von der 3,4ten Potenz der mittleren Molmasse abhängt.

Andererseits gilt wieder

v₀ = (p, M, MWD) = a_M ^-1v₀ (p, M₀, MWD) (12)

Somit hängen die Deborah-Zahlen De_i nach Gl. (3) nur von der Molmassenverteilung MWD und nicht von der mittleren Molmasse M ab,

De_i (p, M, MWD) = De_i (p, MWD) (13)

Bei konstantem Extrusionsdruck p und gleicher Molmassenvertei lung MWD existieren also temperatur- und molmasse-invariante Masterkurven der Form

F = F (De_i (p, MWD), V) (14)

Vergleicht man Kraftdehnungsdiagramme, die bei konstantem Ex trusionsdruck gemessen wurden, so entfällt bei Auftragung der Abzugskraft F über der Verstreckung V jeder Einfluß der Tempe ratur und der mittleren Molmasse. Unterschiede, die sich in den Kraftdehnungsverläufen unterschiedlicher Meßproben ergeben, sind ausschließlich auf unterschiedliche Molmassenverteilungen, einschließlich unterschiedlicher Art, Anzahl und Länge der Ket tenverzweigungen, zurückzuführen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten der Verfahrensführung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wesentlich ist, daß immer die Möglichkeit einer online-Erfassung bzw. einer konti nuierlichen Ermittlung des Dehnverhaltens der Meßprobe im Pro duktionsprozeß gegeben ist. In einer vorteilhaften Variante wird die Meßprobe mit konstanter Beschleunigung abgezogen, so lange bis der Probenstrang reißt. Nach einer frei wählbaren Wartezeit kann diese Messung beliebig oft wiederholt werden. Bei einer anderen vorteilhaften Variante wird die Abzugskraft bei diskreten, konstant vorgegebenen, freibestimmbaren Abzugs geschwindigkeiten ermittelt, wobei diese Geschwindigkeiten in einem Bereich vor dem Abreißen des Probenstranges liegen. Auch diese Verfahrensführung ermöglicht eine permanente Überwachung der Dehneigenschaften der extrudierten Meßprobe.

Vorteilhaft ist es nun, wenn zusätzlich zu der eigentlichen Meßwerterfassung auch ein Reißen der Meßprobe detektiert wird. Dadurch kann zum einen die Abfolge der Messungen beschleunigt werden, zum anderen können vorbeugende Maßnahmen gegen eine Verunreinigung der Meßvorrichtung getroffen werden.

Wie bereits angedeutet können aus den im Rahmen des erfindungs gemäßen Verfahrens ermittelten Meßergebnissen in besonders vor teilhafter Weise Rückschlüsse auf die Molmassenverteilung der Meßprobe gezogen werden. Außerdem stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Möglichkeit zum prozeßunabhängigen Vergleich der Dehnungseigenschaften von verschiedenen Meßproben dar. Die Meßergebnisse sind insbesondere unabhängig von der Temperatur der Meßprobe und der mittleren Molmasse der Meßprobe. Aufgrund der vorgenannten Eigenschaften läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zur produktionsbegleitenden, vorzugsweise kontinuierlichen Qualitätsprüfung einsetzen.

Bevor nun im folgenden verschiedene vorteilhafte Ausgestaltun gen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln von dehnelastischen Eigenschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben eines thermo-rheologisch einfachen Materials erörtert werden sollen, sei hier nochmals ausdrücklich darauf hingewie sen, daß die Extrudiereinrichtung eine Fördereinrichtung für die Meßprobe aufweist, die gewährleistet, daß die Meßprobe mit einem konstanten Extrusionsdruck p aus der Austrittsdüse aus tritt. Die Fördereinrichtung muß dazu mindestens einen Druck sensor zum Erfassen des aktuellen Extrusionsdrucks umfassen und eine Regeleinrichtung, die den aktuell gemessenen Extrusions druck mit einem Solldruck vergleicht, um die Betriebsparameter der Fördereinrichtung im Falle von Abweichungen nachzuregeln.

Als Extrudiereinrichtung im Rahmen der erfindungsgemäßen Vor richtung können in vorteilhafter Weise ein Kleinextruder oder aber auch ein Kapillarrheometer eingesetzt werden. Zum Fördern der Meßprobe aus der Extrudiereinrichtung kann nun entweder eine der Austrittsdüse vorgeschaltete Schmelzenpumpe oder auch ein vorzugsweise spannungsgesteuerter Stempel eingesetzt wer den.

Als ein wesentlicher Bestandteil der Abzugseinrichtung können Abzugswalzen oder Abzugsräder dienen, die vorzugsweise in Form von paarweise ineinandergreifenden Zahnrädern vorliegen. Insbe sondere wenn die Abzugseinrichtung verschiebbar oder ver schwenkbar gelagert ist und dadurch wahlweise in der Spinnstrecke angeordnet werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Mantelfläche der Abzugsräder konisch geneigt ausgebildet ist. Bei entsprechender Anordnung der Abzugsräder entsteht näm lich durch diese konische Ausbildung ein Mitnahmeeffekt, der den Meßprobenstrang in die ineinandergreifenden Zähne der Ab zugsräder leitet, wenn die Abzugsräder mit dem extrudierten Meßprobenstrang in Kontakt kommen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor richtung ist eine Lichtschranke zum Detektieren eines Reißens der Meßprobe vorgesehen. Vorteilhaft ist es auch, wenn Mittel zum Auswerten der Meßgrößen und Mittel zum Speichern und Ausge ben der Meßergebnisse vorgesehen sind, also ein elektronisches Meßwerterfassungssystem, das eine kontinuierliche Speicherung der Meßergebnisse gewährleistet und also eine permanente Über wachung der Dehneigenschaften der extrudierten Meßprobe ermög licht.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei terzubilden. Dazu ist einerseits auf die den unabhängigen Pa tentansprüchen nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfin dung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Aus gestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von dehnelastischen Eigen schaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben,

Fig. 2 und Fig. 3 Kraftdehnungsdiagramme von zwei PE-Typen, die bei konstantem Volumendurchsatz und in einem Temperatur bereich von 190° bis 220°C aufgenommen wurden,

Fig. 4 sechs Kraftgeschwindigkeitsverläufe, die an einer Meßprobe bei konstantem Extrusionsdruck in einem Tem peraturbereich zwischen 170° und 220°C gemessen wur den,

Fig. 5 die den in Fig. 4 dargestellten Kraftgeschwindig keitsverläufen entsprechenden Kraftdehnungsverläufe,

Fig. 6 den Zusammenhang zwischen dem Temperaturverschie bungsfaktor a_T und der Temperatur T und

Fig. 7 die Kraftdehnungsdiagramme von fünf verschiedenen PE- Schmelzen, die bei etwa gleichem Extrusionsdruck ver messen wurden.

Auf die Fig. 2 bis 6 wird an dieser Stelle nicht näher ein gegangen, da diese Figuren bereits in Verbindung mit dem Stand der Technik und der Erörterung des Gegenstands der Erfindung näher erläutert worden sind.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Ermitteln von dehnelastischen Eigenschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben 2 eines thermo-rheolo gisch einfachen Materials, insbesondere in einem Produktions prozeß. Die Vorrichtung 1 umfaßt eine Extrudiereinrichtung 3 mit einer Austrittsdüse 4 für die Meßprobe 2 und einer der Aus trittsdüse 4 vorgeschalteten Fördereinrichtung 5 zur Gewährlei stung eines konstanten Extrusionsdrucks p, eine Abzugseinrich tung 6 und hier nicht näher dargestellte Mittel zum Erfassen der Abzugskraft F, der Abzugsgeschwindigkeit v und zum Ermitteln der Molmassenverteilung.

Da die Meßwerterfassung erfindungsgemäß immer bei einem kon stanten Extrusionsdruck p erfolgen soll, umfaßt die Förderein richtung 5 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel neben einer Schmelzenpumpe 7 als eigentliches Förderelement und einem zugeordneten Antrieb 8 auch einen Drucksensor 9, mit dem der jeweils aktuelle Extrusionsdruck p erfaßt wird. Der aktuelle Extrusionsdruck p wird dann mit einem Sollwert verglichen. Bei Abweichungen des aktuellen Extrusionsdrucks p von diesem Soll wert wird der Antrieb 8 der Schmelzenpumpe 7 entsprechend nach geregelt, so daß die Meßprobe 2 immer mit einem konstanten Ex trusionsdruck p aus der Austrittsdüse 4 auftritt.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient als Extru diereinrichtung 3 ein Kleinextruder, dem die Schmelzenpumpe 7 der Fördereinrichtung 5 nachgeschaltet ist. Die Aufgabe der Ex trudiereinrichtung kann aber genausogut auch ein Kapillarrheo meter übernehmen, bei dem der Volumenstrom durch die vorzugs weise spannungsgesteuerte Vorschubgeschwindigkeit eines Stem pels geregelt wird.

Die Abzugseinrichtung 6 umfaßt Abzugsräder 10, die paarweise angeordnet sind und vorzugsweise zahnradartig ausgebildet sind, was hier allerdings nicht dargestellt ist. Ebenfalls nicht dar gestellt ist, daß die Abzugseinrichtung 6 auf einer axial ver schiebbaren Bühne gelagert ist und so wahlweise in der Spinnstrecke der Meßprobe 2 angeordnet werden kann. Um eine problemlose Erfassung des extrudierten Meßprobenstranges 2 zu gewährleisten, sind die Abzugsräder 10 auf der Außenseite ko nisch ausgebildet. Kommen nun die Abzugsräder 10 mit dem extru dierten Meßprobenstrang 2 in Kontakt, so wird der Strang 2 auf grund der konischen Oberfläche der Abzugsräder 10 in die inein andergreifenden Zähne der Abzugsräder 10 geleitet.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die dargestellte Vor richtung zu betreiben. Nach einer Fahrweise wird der extru dierte Meßprobenstrang 2 von den Abzugsrädern 10 erfaßt und nach elektronischem Abgleich mit konstanter Beschleunigung ab gezogen. In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn Vorkehrungen wie bspw. eine Lichtschranke vorhanden sind, um einen Strangriß zu erkennen und die Abzugseinrichtung 6 in eine Position zu verfahren, so daß sich die Schmelze der Meßproben 2 nicht auf den Abzugsrädern 10 sammeln kann. Nach einer frei wählbaren Wartezeit kann die Messung beliebig oft wiederholt werden, wo mit eine quasi kontinuierliche Ermittlung des Dehnverhaltens im Produktionsprozeß möglich ist.

Bei einer alternativen Fahrweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird die Abzugskraft bei diskreten, vorgegebenen, freibestimmbaren, konstanten Abzugsgeschwindigkeiten ermittelt, wobei die Abzugsgeschwindigkeiten in einem Bereich liegen, in dem es nicht zu einem Abreißen des Meßprobenstranges 2 kommt.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Vorrichtung zusätzlich noch an ein elektronisches Meßwerterfassungssystem angeschlossen ist, welches eine kontinuierliche Speicherung der Meßwerte gewähr leistet.

Fig. 7 zeigt die Kraftdehnungsdiagramme von fünf verschiedenen PE-Schmelzen, die bei etwa gleichem Extrusionsdruck vermessen wurden. Die Kurvenverläufe zeigen, daß eine größere Vertei lungsbreite der Molmasse mit einer stärkeren Dehnfestigkeit korreliert ist. Fig. 7 verdeutlicht, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit bietet, das Dehnverhalten verschiede ner Schmelzenmaterialien unter Praxisbedingungen, d. h. bei Be anspruchung mit konstanter Kraft, quantitativ zu vergleichen und zu werten.

In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kon tinuierlich betreibbarer Dehnungstester vorgeschlagen, mit dem - unter der Bedingung einer spannungskontrollierten Extrusion der Meßprobe - temperaturunabhängige Kraftdehnungsdiagramme er mittelt werden können. Die Unterschiede in den Kraftdehnungs verläufen von thermo-rheologisch ähnlichen Stoffen sind dann ausschließlich auf unterschiedliche Molmassenverteilungen zu rückzuführen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei Vorliegen von isothermen Randbedingun gen eingesetzt werden kann, sondern die temperatur-invariante Charakteristik des spannungskontrollierten Dehnversuchs eine prozeßunabhängige Meßprobencharakterisierung auch bei nicht isothermen Randbedingungen ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln von dehnelastischen Eigenschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben von Polymerschmelzen und thermo-rheologisch ähnlichen Materialien, insbesondere in einem Produktionsprozeß, wobei die zum Dehnen der Meßprobe erforderliche Abzugskraft F und die Abzugsgeschwindigkeit v der Meß probe erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V=v/v₀ erfaßt wird, wobei v₀ die Extrusionsgeschwindigkeit der Meßprobe ist, daß die Meßwerterfassung bei konstantem Extrusionsdruck p erfolgt, und daß durch Auswertung der Meßwerte Rückschlüsse auf die Molmassenvertei lung der Meßprobe gezogen werden, indem Unterschiede in den Kraftdehnungsver läufen - Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V - unterschiedlicher Meßproben ausschließlich auf unterschiedliche Molmassenverteilungen, einschließ lich unterschiedlicher Art, Anzahl und Länge der Kettenverzweigungen, zurückzufüh ren sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßprobe mit konstanter Beschleunigung abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugskraft F bei mehreren definierten vorgebbaren Abzugsgeschwindigkeiten v_i erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reißen der Meßprobe detektiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zur prozeßunabhängigen, insbesondere zur temperatur- und molmasseninvarianten, Meßprobencharakterisierung eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zur produktionsbegleitenden, vorzugsweise kontinuierlichen Qualitätsprüfung einge setzt wird.

7. Vorrichtung zum Ermitteln von dehnelastischen Eigenschaften an kontinuierlich extrudierten Meßproben (2) von Polymerschmelzen und thermo-rheologisch ähnli chen Materialien, insbesondere in einem Produktionsprozeß, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mindestens umfassend eine Extrudiereinrichtung (3) mit einer Austrittsdüse (4) für die Meßprobe (2) und einer der Austrittsdüse (4) vorgeschalteten Fördereinrichtung (5) zur Gewährleistung eines konstanten Extrusionsdrucks p, eine Abzugseinrichtung (6), Mittel zum Erfassen der Abzugskraft F und der Abzugsgeschwindigkeit v, Mittel zum Ermitteln der Abzugskraft F in Abhängigkeit von der Verstreckung V=v/v₀, wobei v₀ die Extrusionsgeschwindigkeit der Meßprobe (2) ist, und Mittel zum Ermitteln der Molmassenverteilung der Meßprobe (2) aus dem Verlauf der Abzugskraft F in Ab hängigkeit von der Verstreckung V.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kleinextruder (3) als Extrudiereinrichtung dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kapillarrheome ter als Extrudiereinrichtung dient.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (5) eine Schmelzenpumpe (7) umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung einen vorzugsweise spannungsgesteuerten Stempel umfaßt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugseinrichtung (6) Abzugsräder (10) vorzugsweise in Form eines Zahnrad paares umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschiebbare oder verschwenkbare Bühne als Lagerung für die Abzugsein richtung (6) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen der Abzugsräder (10) jeweils konisch ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtschranke zum Detektieren eines Reißens der Meßprobe vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Auswerten der Meßgrößen und Mittel zum Speichern und Ausgeben der Meßergebnisse vorgesehen sind.