DE2434910C2

DE2434910C2 - Plastometer

Info

Publication number: DE2434910C2
Application number: DE2434910A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Clyde Wilmington Del. Cessna
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1984-07-05
Also published as: JPS5050976A; FR2239681B1; DE2434910A1; GB1447834A; BE818148A; CA1025232A; NL7410249A; US3864961A; FR2239681A1

Description

Die !Erfindung bezieht sich auf ein Parallei-PIatten-Plastometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Instrument ist aus der US-PS 35 00 677 bekannt.

Es ist bei Polymeren, Harzen und anderen viskosen Materialien, die unter Erhitzung mit oder ohne Anwendung von Druck in Formen verarbeitet oder durch Fließprozesse geleitet werden, wichtig, den Einfluß von Temperatur auf das Fließverhalten zu kennen. Das Fließverhalten von größter Aussagekraft wird von dem Spektrum Viskosität-Temperatur-Zeit angegeben.

Zur Messung der Viskosität von Materialien, deren Viskosität von der Temperatur abhängig ist, sind die verschiedensten Verfahren im Einsatz. Bekannt sind Viskosimeter, die Kapillarröhren, Konen und Platten oder drehende Schalen oder Gewichte verwenden, sowie Vergleichsmeßtechniken, wie z. B. Spiralfluß oder Schalerifluß. Diese üblichen Verfahren sind brauchbar für die Viskositätsmessung von thermoplastischen Materialien und Teer-Rückständen, d. h. Materialien, deren Eigenschaften sich bei einer gegebenen Temperatur nicht schnell mit der Zeit ändern. Diese Verfahren sind jedoch nur schwierig auf tharmofixierende Materialien abzuwandeln und anzuwenden, wo die Verharzung unter Zunahme der Viskosität auf unendliche Werte bei einer gegebenen Temperatur mit der Zeit sehr schnell fortschreitet. Gleiches gilt für Materialien, die mit der Temperatur ihre Phase ändern. Weiterhin sind die genannten Verfahren sehr schwierig dort anwendbar, wo der interessierende Viskositätsbereich breiter ist als ein oder zwei Größenordnungen.

Eines der fruhesten Verfahren zur Messung der Schmelzviskosität, das bei thermofixierbaren Materialien angewendet wurde, ist im journal of Applied Physics 17, 1946, Seite 458, beschrieben. Es arbeitet mit parallelen Platten in der Weise, daß eine bestimmte Harzmenge zwischen zwei koaxiale Scheiben eingeführt und bei einer gewünschten konstanten Temperatur ins Kräftegleichgewicht gebracht wird. Die Viskosität des Materials bei dieser Temperatur wird dann dadurch erhalten, daß man für einen gegebenen Druck auf

ίο die obere Scheibe die Dickenabnahme der Probe zwischen den Scheiben mißt

Eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung ist in der eingangs genannten US-PS 35 00 677 beschrieben. Die über einer feststehenden Scheibe angeordnete parallele Scheibe ist im Verhältnis zum Durchmesser flach. Sie ist mittels eines Stabes in einer Halterung höhenverschiebbar geführt Die Einsatzfähigkeit dieser Vorrichtung ist durch die großen Abmessungen und die thermische Trägheit von Meßanordnung und Probe sowie durch die Erfordernisse isothermer Betriebsweise sehr eingeschränkt Insbesondere können Phasenänderungen, z.B. der Schmelzvorgang, nicht ausgemessen werden. Weiterhin können die schnellen Viskositätsänderungen thermofixierbarer Harze in den für das Gie-Ben interessierenden Temperaturbereichen nicht genau genug gemessen werden; weiterhin kann eine Viskositätsmessung als Funktion der Temperatur nicht ausgeführt werder. Die Probenmenge, die für Kapillar- oder Parallelplatten-Plastizitätsmessung benötigt wird (für jede interessierende Temperatur eine eigene Probe bereitzustellen und einen eigenen Versuch dafür durchzuführen), beschränkt den Nutzen dieser Verfahren bei der Messung neuer Harze, bei denen nur begrenzte Materialmengen zur Verfügung stehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plastometer der eingangs genannten Art anzugeben, das mit nur sehr kleinen Probenmengen (von weniger als 1 g) die Viskositäts-Temperaturverhältnisse von fast allen viskosen Materialien in sehr kurzen Zeitdauern und die Viskositäts-Zeitverhältnisse einer solchen Probe über jeden beliebigen Zeitraum ermitteln läßt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Verfahren wird mit dem Plastometer in der Weise, daß eine scheibenförmige Probe, deren Gewicht kleiner als 1 g und deren Verhältnis Durchmesser : Dicke mindestens 10:1 beträgt, zwischen die einander zugekehrten ebenen Oberflächen der Zylinder eingeführt wird. Alles weitere vollzieht sich je nach den durchzuführenden Versuchen.

Die Erfindung, ihre Vorteile und Ausgestaltungen seien unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipdarstellung eines thermomechanischen Analysiersystems, in dem das Plastometer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
F i g. 2 eine Explosionsdarsteliung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Plastometers.

Der Wunsch nach einem Untersuchungsverfahren, das eine schnelle Bestimmung der Viskosität von Materialien, wie Kunststoffen, Pechen, Gummis usw. als Funktion willkürlicher thermischer Bedingungen, wie

z. B. konstante Aufheizgeschwindigkeit, konstante Temperaturen oder andere programmierte Temperaturänderungen, erlaubt, besteht schon sehr lange. Ein Erfordernis für einen solchen Test besteht darin, daß es mög-

lieh sein muß, das Material in der Meßeinrichtung verfestigen zu lassen oder ein festes Material zur Schmelze zu bringen, damit kontinuierliche Messungen Ober einen breiten Viskositätsbereich, z. B. von 1 bis 10⁷ Pa · s möglich werden.

Meßgeräte, die die gewünschtem Daten aufnehmen und aufzeichnen können, regeln zugleich die Temperatur und zeichnen Temperatur und Temperaturverlauf in einer kleinen Probenkammer auf. Es wird von ihren ein Temperaturbereich von — 15O°Gbis +400⁰Cerfaßt,die Aufheizgeschwindigkeiten betragen bis zu 40°C/min. Ebenso kann isotherme Einstellung gewählt werden. Diese Geräte können auch sehr genau die vertikale Bewegung eines Stabes 10 messen und aufzeichnen, der von einer Probe in der Probenkammer 12 getragen wird. Ein elektromechanischer Fühler 13 mißt die lineare Bewegung des Stabes 10. Die auf eine Probe durch diesen Stab 10 ausgeübte Kraft kann durch Hinzufügen von Gewichten 11 auf den Kopf des Stcbes 10 von 0,1 bis ungefähr 100 g variiert werden.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, sieht die Erfindung eine Halteeinrichtung vor, die tine kleine Probe 14 eines zu untersuchenden Materials zwischen den Stirnflächen zweier koaxialer zylinderförmiger Platten 16 und 18 hält, die rechtwinklig an diesen Platten ausgebildet sind. Die koaxiale Führung der beiden Platten 16 und 18 wird durch einen zylindrischen Käfig 20 erreicht Diese Gesamtanordnung wird in die Probenkammer 12 der thermomechanischen Analysiereinrichtung gebracht und der Stab 10 daraufgesetzt Die thermomechanische Analysiereinrichtung wird damit als dynamische Mikro-Parallelplatten-Plastizitätsmeßvorrichtung verwendet Die zylinderförmige Platte 16 kann an ihrer oberen Stirnseite eine Ausnehmung aufweisen, um ihr Gewicht zu reduzieren und um das Anbringen des Stabes 10 zu erleichtern. Die Temperatur wird von einem programmierbaren Temperaturregler 17 und die Heizung 15 der Kammer 12 eingestellt und von dem Thermoelement 19 aufgenommen. Das Thermoelement 19 und der Sensor 13 sind mit einem Schreiber 21 verbunden. Dieser schreibt die Probendicke als Funktion der Zeit, Temperatur und ausgeübter Pressung auf. Die spezifischen Abmessungen der Probe und der Mikroplastizitätsmeßvorrichtung sowie die konstanten axialen Kräfte, die auf den Schubstab 10 ausgeübt werden, sind beim Betrieb der Einrichtung kritisch.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel des Plastometers gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, umfaßt zwei koaxiale zylinderförmige Platten 16 und 18 mit rechtwinklig angeordneten Stirnflächen, die einen Durchmesser von etwa 9,5 mm ± 0,0127 mm und eine Höhe von ungefähr 5,84 mm ± 0,254 mm aufweisen. Diese koaxialen Platten werden dazu verwendet, Proben zu untersuchen, die kaliverdichtet, gegossen, geschnitten oder in anderer Weise zu Scheiben von ungefähr 9,5 mm ± 0,0508 mm Durchmesser und 0,762 mm oder weniger Dicke geformt wurden. Ein zylindrischer Käfig 20 hält die beiden Platten 16 und 18 koaxial zueinander. Die Seitenöffnungen im Käfig erlauben bei Druckausübung einen praktisch ungehinderten Ausfluß des Probenmaterials. Die hier angegebenen Abmessungen sind nur beispielhaft und nicht etwa Exklusivwerte. Mehr allgemeinere Bedingungen sind: Genügende Geschwindigkeiten zur thermischen Gleichgewichtseinstellung für Versuche mit konstanten Temperaturänderungsgeschwindigkeiten bis zu 10°C/min können bei den meisten organischen Proben und bei allen metallischen Proben einer Dicke bis zu 1,9 mm erreicht werden. Zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit muß die Probe einen Durchmesser aufweisen, der wenigstens !Oma! so groß ist wie ihre Dicke, weiterhin muß der Probendurchmesser gteich oder darf höchstens 1·%ο kleiner sein als der Durchmesser der koaxialen Platten 16 und 18. Weiterhin muß es möglich sein, auf die obere Stirnfläche der Platte 16 eine Kraft von wenigstens 0,5 N bei einem Durchmesser von 9,5 mm und von wenigstens 3 N bei einem

ίο Durchmesser von 19 mm auszuüben. Um ein sanftes axiales Gleiten der koaxialen Platten im Käfig 20 ohne Verklemmen sicherzustellen, sollten die koaxialen Platten 16 und 18 ein Höhe/Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 0,5 aufweisen. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien, aus denen die Platten und der Käfig hergestellt sind, sollten gleich sein, damit sich die gegenseitigen Größenverhältnisse bei Temperaturänderungen nicht verändern. Weiterhin muß der Innendurchmesser des Käfigs 20 geringfügig rößer sein als der Außendurchmesser der koaxialen Platten 16 und 18. Die Ausführungsform des Plastometers läßt sich auch in der Weise abwandeln, daß bei unveränderter oberer Platte 16 ein anderes, hier nicht gezeigtes unteres Bauteil mit geänderter Formgebung und eine geänderte Führung, die ebenfalls nicht dargestellt ist, verwendet werden.

Die auf die obere Stirnfläche der Platte 16 ausgeübte Kraft sollte genügend groß sein, daß ein gewisser Probenfluß bei dem angewandten Temperaturbereich auftritt, der jedoch nur so groß sein soll, daß nicht mehr als eine 75%-Abnahme in der Probendicke auftritt Im allgemeinen werden Drücke zwischen 20 und 10 000 Pa angewendet, die höheren Drücke sind für die höher viskosen Proben bestimmt.

Eine moderne thermomechanische Analysiereinrichtung erzeugt Temperaturen zwischen -15O⁰C und 600° C und zeichnet sie auf und ermöglicht konstante Aufheizgeschwindigkeiten zwischen 0°C/min (Isothermie) und 40°C/min, was ebenfalls aufgezeichnet wird. In ihr sind außerdem die notwendigen Einrichtungen vorgesehen, mit denen die linearen Lageveränderungen aufgrund der axial wirkenden Gewichte auf die parallelen Platten bis herab zu 0,00254 mm aufgelöst werden können. Unter Verwendung der Erfindung zusammen mit einem modernen thermomechanischen Analysiergerät steht eine Meßmethode zur Verfügung, mit deren Hilfe kontinuierlich Viskositäten von 1 bis 10⁷ Pa · s von Proben von nur 0,05 g Masse bestimmt werden können. Wegen des sich sehr schnell einstellenden thermischen Gleichgewichts, das aufgrund der geringen Probenmenge möglich wird, der genauen Messung der Axialbewegung der Schubstange sowie die Möglichkeit, die Temperatur zu programmieren, kann die Geschwindigkeit der Probendickenänderung als unmittelbare Funktion des thermischen Verlaufs aufgezeichnet werden. Es wurde herausgefunden, daß die zu untersuchende Probe auf bis zu 15% ihres äußeren Umfangs dr.ran gehindert werden kann, radial nach außen zu fließen, ohne daß die Genauigkeit der Viskositätsmessung dadurch beeinträchtigt wird. Ein Käfig, dessen äußere Streben zusammengenommen rings um die Probe nicht mehr als 15% des Kreisumfangs ausmachen, kann für die Versuche \ erwendet werden.

Die Probe wird zunächst zwischen die beiden Platten 16 und 18 eingebracht. Beide Platten werden von dem Käfig 20 umgeben. Dann wird das zusammengesetzte Plastometer in die Testkammer 12 des thermomechanischen Analysiergeräts eingesetzt und der Schubstab 10

auf der oberen Platte 16 aufgesetzt. Die Testkammer 12 wird in einen temperaturgeregelten Ofen 15 eingesetzt, das interessierende Temperaturprogramm wird eingestellt, ein vorbestimmtes Gewicht 11 wird auf den oberen Kopf des Schubstabes 10 aufgesetzt und gleichzeitig wird die Abnahme der Probendicke, der Zeitverlauf und der Temperaturverlauf von dem Schreiber 21 aufgezeichnet.

Diese Daten werden dann mittels eines Rechnerprogramms ausgewertet, das aus dem in der eingangs ge- ίο nannten Zeitschrift beschriebenen Analyseverfahren entwickelt wurde. Das Ergebnis dieser Auswertung sind z. B. eine Viskositätskurve als Funktion des Temperaturverlaufs, Viskositäts-Temperatur-Kurven für eine vorgegebene Aufheizgeschwindigkeit oder Viskositäts-Zeit-Kurven für vorgegebene Temperatur. Diese Berechnungen verwenden die unmittelbar anfallenden Werte der Änderungsgeschwindigkeit der Probendicke im Verlauf von Zeit oder Temperatur, wobei die Viskosität der Probe für den Augenblick des betreffenden Zeitpunktes oder Temperaturpunktes aus den Gleichungen errechnet werden kann, die von den Autoren des eingangs genannten Artikels entwickelt worden sind.

Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, um das Viskositäts-Temperaturverhalten von Materialien thermoplastischer Art, wie z. B. Poypropylen, Polyäthylen und Polyestern, zu ermitteln, weiterhin von thermofixierbaren Materialien, wie z. B. Phenolen und Polyestern, von harten Harzen des Vinsol-Typs, von Pechen und Teeren und anderen viskosen Materialien im Viskositätsbereich zwischen 10 und 10⁷ Pa · s und in Temperaturbereichen zwischen —150° C und 300⁰C.

Die Erfindung ermöglicht also die genaue und schnelle Bestimmung grundlegender Viskositäts-Temperatur-Zusammenhänge von Plastikmaterialien über weite Temperatur- und Viskositätsbereiche. Die Erfindung ist insbesondere nützlich zur Erfassung des Fortschreitens der Thermofixierung von Harzen oder des Schmelzens von thermoplastischen Materialien, da sie Viskositätsänderungen in einem Bereich von 10 bis 10⁷ Pa · s in einem einzigen dynamischen Test kontinuierlich zu folgen und aufzuzeichnen in der Lage ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Parallel-Platten-Plastometer mit zwei koaxial zueinander angeordneten zylindrischen Platten, zwischen deren parallele Stirnseiten eine Probe des zu untersuchenden plastisch verformbaren Materials einfiihrbar ist und die mit einer bestimmten Kraft gegeneinander bewegbar sind, sowie mit einer Einrichtung zur Messung der Änderung des Abstandes zwischen den Platten und einer Einrichtung zur Einstellung der Probentemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16,18) von einem sie umgebenden hohlzylindrischen Käfig (20) gieitbar gehalten sind, der seitliche Durchbrüche für den Austritt von Probenmaterial aufweist

2. Plastometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daä die Platten (16,18) und der Käfig (20) aus Materialien mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

3. Plastometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16,18) ein Höhe/Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 0,5 aufweisen.

4. Plastometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16, 18) einen Durchmesser zwischen 9,5 mm und 19 mm aufweisen.

5. Plastometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Durchbräche des Käfigs (20) mindestens 85% der Mantelfläche des Käfigs betragen.