DE202004000556U1 - Automated, no-pressure volumetric dilatometer - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zum Messen der Dichte, des Volumens oder des physikalischen oder
chemischen Härtungsschrumpfs
einer Probe oder von deren mit diesem einhergehenden Parametern
unter Verwendung der Volumendilatometrie, umfassend
– ein Volumendilatometer
mit einem Probengefäß und einer Kapillare
zur Aufnahme einer Flüssigkeit
mit einer vom Volumen der Probe abhängenden Füllhöhe und
– ein Lichtschrankensystem
zur Erfassung der Flüssigkeits-Füllhöhe in der
Kapillare.Apparatus for measuring the density, volume or physical or chemical hardening shrinkage of a sample or its associated parameters using volume dilatometry
A volumetric dilatometer with a sample vessel and a capillary for receiving a liquid with a filling height dependent on the volume of the sample and
- A light barrier system for detecting the liquid filling level in the capillary.
Description
Reaktivharze werden in den verschiedensten Bereichen der Wirtschaft insbesondere im Leichtbau, in der Elektronik und Elektrotechnik sowie im Maschinenbau eingesetzt. Bei Reaktivharzen erfolgt die Formgebung während der chemischen Härtungsreaktion, d.h. während der Bildung des polymeren Netzwerkes. Mit dieser chemischen Härtungsreaktion ist ein Reaktionsschrumpf (chemischer Schrumpf) verbunden. Darüber hinaus schrumpfen heiß härtende Reaktivharze beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur (physikalischer Schrumpf). Die Kenntnis sowohl des chemischen als auch des physikalischen Schrumpfes hat enorme Bedeutung für die Qualität und Lebensdauer von Bauteilen. Derzeit existiert jedoch noch keine einfache und zugleich präzise Messmethodik zur Gewinnung von zuverlässigen Daten über den chemischen und physikalischen Schrumpf von Reaktivharzen.reactive resins be in the various sectors of the economy in particular in lightweight construction, in electronics and electrical engineering as well as in mechanical engineering used. With reactive resins shaping takes place during the chemical curing reaction, i.e. while the formation of the polymeric network. With this chemical curing reaction is a reaction shrinkage (chemical shrinkage) connected. Furthermore shrink hot curing reactive resins on cooling at ambient temperature (physical shrinkage). The knowledge has both chemical and physical shrinkage tremendous importance for the quality and Lifetime of components. However, there is no simple one yet and at the same time precise Measuring methodology for obtaining reliable data on the chemical and physical shrinkage of reactive resins.
Als einziges kommerziell erhältliches Gerät existiert bisher ein amerikanisches Gerät (Pressure-Volume-Temperature (PVT) Apparatus der Firma GNOMIX Inc.), mit dem die Druck-Volumen-Temperatur-Zeit-Funktion für Polymere messbar ist. Dieses Gerät wurde hauptsächlich für grundlagenwissenschaftliche Fragestellungen entwickelt. Die Messungen sind mit diesem Gerät jedoch nur unter Druck möglich, wodurch die Bedienung sehr kompliziert und der Messaufwand sehr hoch ist. Zudem ist das Gerät in der Anschaffung sehr kostenintensiv. Dadurch ist dieses Gerät für Aufgaben der Qualitätssicherung und Materialentwicklung im physikalisch-chemischen Labor kleiner und mittlerer Unternehmen nicht geeignet.When only commercially available Device exists so far an American device (Pressure-Volume-Temperature (PVT) Apparatus of the company GNOMIX Inc.), with the the pressure-volume-temperature-time function for polymers is measurable. this device became main for basic scientific Issues developed. However, the measurements are with this device only possible under pressure, which makes the operation very complicated and the measuring effort very is high. In addition, the device in the purchase very expensive. This makes this device suitable for tasks quality assurance and material development in the physicochemical laboratory smaller and medium-sized businesses are not suitable.
Im großen Maße wird bisher die thermisch-mechanische Analyse (TMA) eingesetzt, um die thermische Ausdehnung gehärteter Reaktivharze zu erfassen. Dies erfordert allerdings ausgehärtete Probekörper einer definierten Geometrie. Neben dem zusätzlichen Aufwand zur Herstellung von Probekörpern hat die TMA aber vor allem den Nachteil, dass nur die thermische Ausdehnung gehärteter Reaktivharze gemessen werden kann, jedoch keinerlei Informationen über den chemischen Härtungsschrumpf gewonnen werden können.in the huge Dimensions will So far, the thermal-mechanical analysis (TMA) used to the thermal expansion hardened To detect reactive resins. However, this requires cured specimens of a defined geometry. Besides the extra effort to manufacture of specimens But above all, the TMA has the disadvantage that only the thermal Extension of hardened Reactive resins can be measured, however, no information about the chemical hardening shrinkage can be won.
Bisher gibt es also kein kommerzielles Gerät, mit dem auf einfache Weise sowohl der physikalische als auch der chemische Härtungsschrumpf messbar ist.So far So there is no commercial device with which in a simple way both physical and chemical cure shrinkage is measurable.
Unter Zugrundelegung der Methodik der Quecksilber-Volumendilatometrie (vgl, hierzu Snow, A.W.; Armistead, J.P.: Dilatometry on Thermoset Resins; NRL Memorandum Report 6848, 1991) ist erfindungsgemäß ein Gerät entwickelt worden, mit dem auf einfache Weise physikalischer und chemischer Härtungsschrumpf messbar sind. Mit dem automatisierten, drucklosen Volumendilatometer werden das spezifische Volumen bzw. die Dichte als Funktion der Temperatur und Zeit gemessen. Durch geeignete Temperatur-Zeit-Messprogramme lassen sich aus der Messkurve der Härtungsschrumpf, der thermische Volumenausdehnungskoeffizient sowie die Glastemperatur bestimmen.Under Based on the methodology of mercury volume dilatometry (cf., Snow, A.W .; Armistead, J.P .: Dilatometry on Thermoset Resins; NRL Memorandum Report 6848, 1991), a device has been developed according to the invention, with the on simple way physical and chemical hardening shrinkage are measurable. The automated, unpressurized volume dilatometer becomes the most specific Volume or density measured as a function of temperature and time. By suitable temperature-time measuring programs can be from the Trace of cure shrinkage, the thermal expansion coefficient and the glass transition temperature determine.
Das
Grundprinzip des Messung ist in
Das Messprinzip beruht darauf, dass eine bekannte Menge Harz von einer bekannten Menge Flüssigkeit, vorzugsweise Quecksilber, in einem bekannten Volumen luftfrei umschlossen wird. Bei einer isothermen Härtung ändert sich die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Kapillare nur in Abhängigkeit vom Volumen der Harzprobe. Bei temperaturabhängigen Messungen wird das spezifische Volumen mit Hilfe einer vorherigen (einmaligen) Kalibrierung bestimmt, indem die thermische Ausdehnung der Flüssigkeit (z. B. des Quecksilbers) und der Glasapparatur korrigiert wird (die mathematischen Beziehungen hierfür sind angegeben in: Snow, A.W.; Armistead, J.P.: Dilatometry on Thermotet Resins; NRL Memorandum Report 6848, 1991).The Measuring principle is based on that a known amount of resin from a known amount of liquid, preferably mercury, enclosed in a known volume without air becomes. In an isothermal cure changes the height the liquid column in the Capillary only in dependence from the volume of the resin sample. For temperature-dependent measurements, the specific Volume determined using a previous (one-time) calibration by the thermal expansion of the liquid (eg of mercury) and the glass apparatus is corrected (the mathematical relationships for this are given in: Snow, A.W .; Armistead, J.P .: Dilatometry on Thermotet Resins; NRL Memorandum Report 6848, 1991).
Kernstück des Volumendilatometers
bilden ein abnehmbarer Glaskolben und eine Präzisionskapillare (
Das automatisierte, drucklose Volumendilatometer ermöglicht die automatisierte und drucklose Bestimmung des physikalischen und chemischen Härtungsschrumpfes von Materialien. Bei den zu untersuchenden Materialien kann es sich dabei sowohl um feste als auch um flüssige Proben handeln. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Volumenausdehnung von Festkörpern als auch von Flüssigkeiten messbar ist und somit die Volumen-Zeit-Temperatur-Funktion eines härtenden Harzes vom anfänglichen flüssigen Zustand (Monomer) bis zum vernetzten Polymernetzwerk (Festkörper) in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur in einer Messung bestimmt werden kann. Mit Hilfe des automatisierten drucklosen Volumendilatometers kann somit die Volumen-Zeit-Temperatur-Funktion von Harzen für exakt die gleichen Bedingungen gemessen werden, wie sie im industriellen Einsatz vorliegen. Die Kenntnis solcher Verläufe ermöglicht z.B. materialspezifische Optimierungen von Härtungsreaktionen in der industriellen Fertigung. So lassen sich beispielsweise durch Anpassung der Heizrate Einsparungen bei der Prozessdauer und den Energiekosten realisieren. Als weiterer Vorteil wäre zu nennen, dass die zu untersuchenden Proben regellos geformt sein können, also kein hoher Probenpräparationswaufwand notwendig ist. Ferner reichen schon sehr geringe Probenmengen zur Bestimmung des physikalischen und chemischen Schrumpfes aus.The automated, unpressurized volume dilatometer allows automated and Pressure-free determination of the physical and chemical hardening shrinkage of materials. The materials under investigation may be doing both solid and liquid samples. this has the advantage that both the volume expansion of solids as also measurable by liquids is and thus the volume-time-temperature function of a hardening Resin from the initial liquid State (monomer) to the networked polymer network (solid state) in Dependence on Time and temperature can be determined in one measurement. With help of the automated unpressurized volumetric dilatometer can thus the Volume-time-temperature function of resins for exactly the same conditions be measured as they are in industrial use. The Knowledge of such processes allows e.g. Material-specific optimizations of curing reactions in the industrial sector Production. This can be done, for example, by adjusting the heating rate Achieve savings in process time and energy costs. Another advantage would be to mention that the samples to be examined are randomly shaped can, So no high Probenpäparationswaufwand necessary is. Furthermore, even very small amounts of sample are sufficient Determination of physical and chemical shrinkage.
Das erfindungsgemäße Volumendilatometer erlaubt die automatisierte drucklose Messung des Volumenschrumpfes, des Spezifischen Volumens, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Glastemperatur und der Dichte von Materialien (Werkstoffen).The Volume dilatometer according to the invention allowed the automated pressure-free measurement of volume shrinkage, the Specific volume, the thermal expansion coefficient, the glass transition temperature and the density of materials.
Wesentlich bedeutsamer als diese Kennzahl ist jedoch, dass, wie hier beispielhaft gezeigt, nicht nur der Schrumpf als Differenz des Anfangs- und Endvolumens (bezogen auf das Ausgangsvolumen) bei Raumtemperatur erhalten wird, sondern die exakte Volumen-Temperatur-Zeit-Funktion für den gesamten Härtungszyklus (sowie den Lebenszyklus des Bauteils). Somit lässt sich mit dem automatisierten drucklosen Volumendilatometer die Volumen-Temperatur-Zeit-Funktion für exakt den Härtungs- und Lebenszeit-Zyklus bestimmen, der auch in der industriellen Anwendung des jeweiligen Harzes gefahren wird. Darin liegt die eigentliche Bedeutung der Methode. Denn auf Grund dieser Daten können wesentlich genauere, d.h. realistischere FE-Simulationen von Bauteilen (z.B. in der Elektronik oder Elektrotechnik) durchgeführt werden, als das auf Basis der bisher verwendeten, zumeist mittels TMA gemessenen linearen Ausdehnungskoeffizienten möglich ist.Essential more significant than this metric, however, is that, as exemplified here not just the shrinkage as the difference between the initial and final volumes (based on the starting volume) is obtained at room temperature, but the exact volume temperature-time function for the whole cure (as well as the life cycle of the component). Thus, with the automated unpressurized volume dilatometer the volume temperature-time function for exact the hardening and lifetime cycle determine, which is also in industrial application of the particular resin is driven. Therein lies the real one Meaning of the method. Because of this data can be essential more accurate, i. more realistic FE simulations of components (e.g. in electronics or electrical engineering), than that based on the previously used, mostly measured by TMA linear Expansion coefficients possible is.
- 11
- Linearachse mit Servomotorlinear axis with servomotor
- 22
- Kapillare mit Quecksilbercapillary with mercury
- 33
- Phototransistorphototransistor
- 44
- Laserlaser
- 55
- Spiegelmirror
- 66
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 77
- Thermostatthermostat
- 88th
- PC zur Messwerterfassung (Position der Lichtschranke,PC for measured value acquisition (position of the light barrier,
- Temperatur, Füllstandssignal), Motoransteuerung,Temperature, Level signal) Motor control,
- Temperaturregelung, Auswertung und grafischen DarstellungTemperature control, Evaluation and graphical representation
- 99
- LichtschrankensystemLight barrier system
Das
Lichtschrankensystem, das in
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