DE19806905A1 - Einrichtung zur Bestimmung viskoelastischer Kenngrößen eines festen oder flüssigen Stoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Bestimmung viskoelastischer Kenngrößen, beispielsweise des komplexen Schubmoduls oder des komplexen Elastizitätsmoduls von Stoffen wie Flüssigkeiten, Gelen, Elastomeren, Thermoplasten und Duromeren können bis zu Frequenzen von ca. 1 kHz nichtresonante dynamisch-mechanische Analysegeräte (DMA-Geräte) eingesetzt werden, wie sie z. B. in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 43 06 119 A1 beschrieben sind. Bei höheren Frequenzen können Resonatormethoden oder Methoden, die die Ausbreitung von Ultraschall beobachten, angewandt werden. So erfahren in der älteren Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 196 41 115.7 beschriebene Torsionsresonatoren durch Eintauchen in oder Ankoppeln an ein Probenmedium eine Verschiebung ihrer Resonanzfrequenz und eine Änderung ihrer Dämpfung, woraus der komplexe Schubmodul bei der Resonanzfrequenz errechnet werden kann. Derartige Torsionsresonatoren eignen sich jedoch nicht besonders gut dafür, viskoelastische Eigenschaften von Stoffen zu messen, die in Form dünner Schichten vorliegen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der viskoelastische Kenngrößen für Stoffe bestimmt werden können, die in Form einer dünnen Schicht vorliegen, wie z. B. Lack- oder Kunststoffüberzüge, und die meist erst als dünne Schicht die zu bestimmenden Eigenschaften annehmen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch Verwendung einer sehr dünnen Platte aus einem Material mit sehr niedriger Eigendämpfung wie z. B. Aluminium, Messing, Stahl oder Quarzglas als Probenkörper wird erreicht, daß dessen Schwingungsverhalten als Torsions- oder Biegeschwinger auch von sehr dünnen Beschichtungen noch deutlich beeinflußt wird und somit gut auswertbare Verschiebungen der Resonanzfrequenzen der Plattenschwingungen und zugehörige Dämpfungsänderungen erhalten werden, aus denen der dynamische Schubmodul und der dynamische Elastizitätsmodul des Beschichtungsmaterials bestimmt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:
So betreffen die Patentansprüche 2 und 3 die dämpfungsarme Lagerung der Platte auf dünnen, federnden Ringen aus elastisch hartem Material, mit der eine extrem hohe Güte (Q < 1000 für die unbeschichtete Platte) sowohl für Torsions- als auch für Biegeschwingungen der Platte erreicht wird.

Patentanspruch 4 sieht eine Anordnung mit einer schräggestellten, rechteckigen Platte vor, die drei-Punkt-gelagert ist. Bei dieser Anordnung wird durch Verwendung von Piezo- Elementen als mechanisch elektrische Wandler und durch besonders geringe, auf die durch Ringe gebildeten Lager wirkende Gewichtskräfte eine besonders hohe Güte erreicht. Die Lagerpunkte sind dabei so angeordnet, daß sowohl Schwingungsamplituden von Torsionsschwingungen als auch solche von Biegeschwingungen der Platte von den Piezoelementen angeregt oder aufgenommen werden können. Auch die Auswertung einer gegenüber den Torsions- oder Biegeschwingungen der Platte niederfrequenten Schwingung der starren Platte gegen ihre Lagerung ist möglich und erlaubt, Gewichtsveränderungen der zu untersuchenden Schicht mit der Zeit, wie sie z. B. beim Verdampfen von Lösungsmitteln aus einer trocknenden Lackschicht auftreten können, zu erfassen.

Patentanspruch 5 betrifft die Ausgestaltung des den größten Teil des Plattengewichtes aufnehmenden ersten Lagers und dessen Anordnung an einem Punkt der Platte, an dem es weder deren Torsionsschwingungen noch deren Biegeschwingungen beeinflußt.

Mit der Ausgestaltung nach Patentanspruch 6 kann auf einen zusätzlich zu den beiden Piezo-Elementen vorgesehenen Aktor verzichtet werden. Die als Aktor oder Sensor arbeitenden Piezo-Elemente können so in einer Halterung gegenüber der Platte verschoben werden, daß ihr Resonanzverhalten die Plattenschwingung möglichst wenig beeinflußt.

Eine in Patentanspruch 7 beschriebene Weiterbildung der Erfindung sieht ihre Anordnung in einer Temperierkammer vor, deren Innentemperatur nach vorgegebenen Zeitprogrammen geändert werden kann. Damit können Heiz- oder Kühlkurven der dynamischen Moduln von Beschichtungsmaterialien gemessen werden und daraus, z. B. bei Lackschichten, die Glastemperaturen sehr genau bestimmt werden. Auch der Temperatureinfluß auf das Aushärtungsverhalten, die Nachhärtung oder das Trocknen von Schichten kann untersucht werden.

In einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8 läßt sich noch zusätzlich der Einfluß von erhöhtem oder vermindertem Druck untersuchen und es lassen sich chemische Reaktionen der Oberfläche des Beschichtungsmaterials, die insbesondere bei höheren Temperaturen auftreten können, verhindern oder auch absichtlich herbeiführen.

Eine in Patentanspruch 9 beschriebene Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung betrifft eine zweckmäßig ausgelegte Steuer- und Auswerteschaltung, die z. B. in Verbindung mit einem PC unter Verwendung entsprechend den vorzunehmenden Berechnungen gestalteter Programme eingesetzt werden kann.

Patentanspruch 10, schließlich, betrifft die Auswertung der niederfrequenten Schwingung der starren Platte gegen ihre Lagerung zur Bestimmung des Gewichtes der Platte. Über die zeitliche Änderung des Plattengewichtes kann z. B. das Verdampfen von Lösungsmittel aus einer trocknenden Lackschicht verfolgt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung anhand zweier Figuren eingehend beschrieben:

Fig. 1 zeigt einen Sockel mit Piezoelementen und Lagern für eine rechteckige, schräggestellte Platte als Probenkörper in Frontansicht.

Fig. 2 zeigt den Sockel mit einer darauf gelagerten Platte in einer schematisch wiedergegebenen Klimakammer in Seitenansicht.

In Fig. 1 ist die Frontansicht eines Socke!s wiedergegeben mit einem über einer Grundplatte 4a aufragenden Teil 4b, dessen Vorderfläche, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit etwa 10° nach hinten geneigt ist. Der Sockel trägt eine Klemmvorrichtung 5 zur Befestigung zweier Piezoelemente 2 (Bimorphe). Letztere sind parallel zur Sockel - Vorderfläche ausgerichtet und in der Klemmvorrichtung verschiebbar angeordnet. Das in Fig. 1 links angeordnete Piezoelement trägt nahe seines oberen Endes, das rechts angeordnete Piezoelement nahe seines unteren Endes je ein Lager 3, das aus einem schmalen, auf der schwingungsaktiven Fläche des jeweiligen Piezoelements senkrecht stehenden Ring aus sehr dünnem, elastisch hartem Material besteht. Eine rechteckige, zwischen 0,2 und 1 mm dicke Platte 1 (Fig. 2) aus dämpfungsarmem Material, die auf ihrer Vorderseite und ggf. zusätzlich auf ihrer Rückseite mit dem zu untersuchenden Stoff beschichtet ist und deren Kontur in Fig. 1 mit 1a bezeichnet ist, ist an einem dünnen, am Sockel befestigten, steifen Draht 6 beweglich aufgehängt und liegt mit einer geringen Kraft, die ihrer gegen die Vorderfläche des Sockels hin gerichteten Gewichtskomponente entspricht, auf den Lagern 3 auf. Der Draht 6, der mit einem an seinem Ende befindlichen Haken in ein in die Platte gebohrtes Loch eingreift, verläuft auf seinem zur Platte hin führenden, letzten geraden Teilstück parallel zur Plattenebene, so daß er die parallel zur Plattenebene wirkende Komponente des Plattengewichtes aufnimmt, ohne jedoch die zur Vorderfläche des Sockels hin gerichteten Kräfte zu beeinflussen. Damit ist die Platte drei-Punkt-gelagert und somit statisch bestimmt und kann sowohl Torsions- als auch Biegeschwingungen ausführen, ohne daß sich an der Verteilung der statischen Lagerkräfte etwas ändert.

Ist das Loch, in das der Draht 6 eingreift, im Schnittpunkt der Plattenlängsachse, die die Knotenlinie der Torsionsschwingung der Platte bildet, mit einer der Knotenlinien der auszuwertenden einfachsten Biegeschwingung der Platte angeordnet, so übt das durch den Draht gebildete Lager auch auf das Schwingungsverhalten der Platte keinen Einfluß aus. Es können Torsions- und Biegeschwingungen der Platte sowohl einzeln als auch gleichzeitig angeregt werden. Sehr wichtig für eine hohe Güte der Plattenschwingungen ist das elastische Verhalten der die Lager 3 bildenden Ringe, die weich federnd, dabei aber extrem dämpfungsarm ausgebildet sein müssen. Im Versuch mit einer 20 × 50 mm großen, 0,3 mm dicken Platte haben sich Ringe aus hartem Edelstahlblech von 25 µm Dicke mit einem Durchmesser von 7 mm und 1 mm Breite bewahrt. Es wurde eine Leergüte (Platte ohne Beschichtung) von 2000 erreicht.

In Fig. 2 ist die als Probenkörper verwendete Platte 1, auf dem Sockel 4a, 4b gelagert, in einer Klimakammer 7 dargestellt. Über Heizelemente 10 und kalten Stickstoff 9 kann die Temperatur in der Kammer vorgegeben werden. Mit Hilfe nicht dargestellter Thermofühler und einer geeigneten Steuerung lassen sich sowohl konstante als auch zeitlich veränderliche Temperaturen im Bereich zwischen -150°C und +250°C einstellen. Über einen Ein/Auslaßstutzen 8 läßt sich die Klimakammer evakuieren oder mit einem Gas höheren oder niedrigeren Druckes befüllen.

Die Anregung der Platte zu den gewünschten Eigenschwingungen erfolgt zweckmäßig mittels eines der Piezoelemente 2, während das andere Piezoelement als Sensor dient. Beide Piezoelemente können z. B. aus einer PZT-Keramik bestehen. Für Temperaturen über +250°C können LiNbO₃-Elemente eingesetzt werden. Zur Anregung der Schwingung wird das als Aktor arbeitende Piezoelement mit Wechselspannung einer Frequenz beaufschlagt, die der Eigenfrequenz der gewünschten Schwingung der Platte - Torsion oder Biegung - entspricht. Eine Auswertung des Sensorsignals in Verbindung mit einer PLL-Funktion der Anregungsschaltung sorgt dafür, daß immer mit der Resonanzfrequenz erregt wird. Dabei wird jede Veränderung der Resonanzfrequenz über der Zeit aufgezeichnet. Eine Auswertung des Abklingvorgangs nach Abschaltung der Erregung liefert die Dämpfung bei der Resonanzfrequenz.

Alle interessierenden Resonanzfrequenzen der Platte (Resonanzkurve) erhält man, wenn mit dem Frequenzsweep eines Lock-in-Verstärkers angeregt wird. Durch sogenannte Fit- Prozeduren können derartige Resonanzkurven durch Funktionen angenähert und so auch die Dämpfung bestimmt werden.

Außer über ein Piezoelement kann die Platte auch mit Hilfe anderer Mittel zu Schwingungen angeregt werden. So kann z. B. - insbesondere dann, wenn die Platte aus ferromagnetischem Werkstoff besteht - mittels eines Magnetfeldes angeregt werden. Auch akustische Anregung mittels eines in der Nähe der Platte installierten Lautsprechersystems ist möglich. Ebenso kann die Auskoppelung der Schwingungssignale z. B. kapazitiv oder mittels Auswertung eines von der Plattenschwingung beeinflußten Magnetfeldes erfolgen. Derartige Verfahren arbeiten berührungsfrei. Anstelle der vorhandenen Piezoelemente können dann fest mit dem Sockel verbundene Ringe als Lager vorgesehen werden.

Die Berechnung der viskoelastischen Kenngrößen des die Beschichtung der Platte bildenden Stoffes erfolgt mittels eines geeigneten Rechnerprogrammes z. B. aus der Änderung Δf der Resonanzfrequenz f der Torsionsschwingung und der Änderung ΔD der Dämpfung bei der Resonanzfrequenz f nach folgender, in guter Näherung geltender Beziehung:

Auch die Biegeschwingung kann für eine solche Berechnung herangezogen werden. Für diese gelten dieselben Formeln, wenn Realteil G_L' und Imaginärteil G_L'' des Schubmoduls der Beschichtung durch Realteil E_L' und Imaginärteil E_L'' des Elastizitätsmoduls der Beschichtung und der Schubmodul G₀ des Plattenmaterials durch den Elastizitätsmodul E₀ des Plattenmaterials ersetzt werden. ρ_L, ρ₀ sind dabei die Dichten von Beschichtung und Platte.

Der Index L bezieht sich jeweils auf die Beschichtung, der Index 0 auf das Plattenmaterial. Δh ist die Gesamtdicke der Beschichtung, h die Dicke des Trägers.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Bestimmung der viskoelastischen Kenngrößen eines festen oder flüssigen Stoffes mit Hilfe eines dämpfungsarm gelagerten oder aufgehängten, mit dem Stoff in Kontakt befindlichen Probenkörpers aus dämpfungsarmem Material, der mittels eines Aktorsystems zu Schwingungen anregbar ist, und dessen durch den Stoff beeinflußtes Schwingungsverhalten mittels eines Sensorsystems erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenkörper von einer mit dem zu untersuchenden Stoff beschichteten dünnen Platte (1) gebildet wird, die, an mehreren Punkten gelagert, über mindestens eines ihrer Lager eine Kraft auf einen als Sensor arbeitenden mechanisch- elektrischen Wandler (2) ausübt.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Lager durch einen in radialer Richtung belasteten Ring (3) aus dünnem, elastisch hartem Material, vorzugsweise Edelstahlblech mit weniger als 50 µm Dicke, gebildet wird, der in dem Frequenzbereich, in dem die Platte zu Schwingungen angeregt werden soll, keine Eigenresonanzen aufweist.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Ringe gebildeten Lager jeweils einen Teil der senkrecht zur Plattenebene gerichteten, durch das Gewicht der Platte verursachten Kraftkomponente aufnehmen, wobei die Ringe, soweit sie keinen mechanisch-elektrischen Wandler beeinflussen, auf einer festen Unterlage aufsitzen.

4. Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1, 1a) rechteckigen Zuschnitt hat und so auf einem schrägen Sockel (4b) gelagert ist, daß die kürzere Seite der Plattenfläche horizontal verläuft und die Plattenlängsachse einen spitzen Winkel mit der Senkrechten bildet, daß ein erstes Lager oberhalb des Plattenschwerpunktes vorgesehen ist, das alle nicht senkrecht zur Ebene der Plattenfläche gerichteten statischen Kräfte aufnimmt, und daß zwei weitere, von auf Piezoelementen (2) aufsitzenden Ringen (3) gebildete Lager die Platte an beiderseits der Plattenlängsachse, jeweils in der Nähe eines der schmalseitigen Enden der Platte und symmetrisch zum Plattenmittelpunkt gelegenen Punkten abstützen.

5. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lager durch einen am Sockel (4b) befestigten, steifen Draht (6) gebildet wird, der mit einem an seinem Ende befindlichen Haken in ein in der Platte angebrachtes Loch eingreift, welches sich am Schnittpunkt der Plattenlängsachse mit einer Knotenlinie der einfachsten, von der frei schwingenden Platte ausführbaren Biegeschwingung befindet.

6. Einrichtung nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (2) parallel zur Platte (1) verschiebbar am Sockel (4b) befestigt sind und eines von ihnen als Aktor und eines als Sensor arbeitet.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Temperierkammer (7) angeordnet ist, deren Innentemperatur in einem weiten Temperaturbereich eingestellt und entsprechend vorgegebenen Temperaturkurven zeitlich verändert werden kann.

8. Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierkammer Ein- und/oder Auslaßstutzen (8) besitzt, über die sie evakuiert oder unter erhöhtem oder vermindertem Druck mit einem Schutz- oder Reaktionsgas beschickt werden kann.

9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Auswerteschaltung vorgesehen ist, die einerseits das Aktorsystem mit den zur Schwingungsanregung der Platte erforderlichen Wechselspannungen versorgt, andererseits aus vom Sensorsystem abgegebenen Meßspannungen Resonanzfrequenzen verschiedener Schwingungszustände der Platte und deren Dämpfungen in Abhängigkeit von der Beschichtung und deren Zustand ermittelt und aus den Änderungen der Resonanzfrequenz und der Dämpfung für die jeweilige Schwingung den komplexen Schubmodul und den komplexen Elastizitätsmodul des die Beschichtung bildenden, zu untersuchenden Stoffes berechnet.

10. Einrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteschaltung aus den vom Sensorsystem abgegebenen Meßspannungen zusätzlich die Frequenz einer niederfrequenten Schwingung der Platte (1) gegen ihre Lagerung erfaßt und aus dieser das Gewicht der beschichteten Platte ermittelt.