DE2827593C3

DE2827593C3 - Verfahren zur Ermittlung rheologischer Kenngrößen von viskoelastischen Stoffen

Info

Publication number: DE2827593C3
Application number: DE2827593A
Authority: DE
Inventors: Richard 5000 Köln Juffa
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1981-07-16
Also published as: AU519120B2; JPS554594A; ES481817A1; DE2827593A1; GB2025070A; CA1115549A; FR2429423A1; IT7923783A0; DE2827593B2; AU4830379A; NL7904902A; BE877180A; FR2429423B1; JPS6240653B2; IT1121882B; US4238952A; BR7903947A; GB2025070B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung Theologischer Kenngrößen von viskoelastischen Stoffen, insbesondere Kautschuk und Kautschukmischungen, bei dem eine auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmte, zylindrische Probe durch eine auf die Stirnseiten wirkende Kraft auf eine vorgegebene Probenhöhe von weniger als 60% der ursprünglichen Probenhöhe zusammengedruckt und anschließend über die gleiche Zeit entlastet wird, wobei jeweils der zeitliche Probenhöhenverlauf untersucht wird.

In zunehmendem Maße steigen die Anforderungen der Verarbeiter an die Einhaltung eines Qualitätsstandards. Weiter sind für die Fertigung von Produkten frühzeitige Aussagen über das Verarbeitungsverhalten nützlich. Auch die Entwicklung neuer Produkte wird vi durch eine Charakterisierung mit Hilfe Theologischer Kenngrößen erleichtert Deshalb wurden schon lange Untersuchungsmethoden entwickelt, die allerdings nur bedingt diesen Forderungen gerecht wurden.

Ein bekanntes Verfahren ist die Prüfung im « Deformations-Meßgerät (Bauart Continental) — auch Parallelplatten-Kompressions-Plasiimeter genannt (T. H. Baader, Kautschuk und Gummi 3. Jahrg. 1950 Nr. S. 159-164).

Hier wird ein zylindrischer Körper (0 10 mm, eo Λ— 10 mm) nach Temperierung bei Prüftemperatur einer stirnseitigen Belastung und anschließend einer Entlastung ausgesetzt, wobei die Verformungsvorgänge untersucht werden. In der bei einer Defo- Prüfung üblicherweise gewählten Einheits-Verformung des Prüf- βϊ körpers wird durch wiederholtes Probieren als Meßzahl für das viskose Materialverhalten die Kraft (Defohärte) gesucht, die eine jungfräuliche Probe in 30 s auf Λ=4 mm zusammendrückt Nach der Entlastung wird nach 30 see. der Ausdehnungsgewinn gemessen, der als Defoelastizität bezeichnet wird und als Maßzahl für das elastische Materialverhalten angesehen werden kann.

Die Untersuchung liefert nur zwei punktuelle Meßgrößen, die für eine Charakterisierung des Materials nicht hinreichen, da einerseits die Beanspruchungsbedingungen in der Praxis stark variieren, andererseits sich die Materialeigenschaften während der Verarbeitung verändern können und über beides in dieser Prüfung keine Aussage gemacht wird. Wetter ist das Suchen der entsprechenden Kraft abgesehen von der Fehlergefahr zeit- und materialaufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung ist das Auffinden eines Meßverfahrens für fließfähige viskoelastische Stoffe, das bei geringem Aufwand an Meßeinrichtung, Materialeinsatz sowie Zeit ausreichende Theologische Kenngrößen, wie Viskosität Elastizität und ihre Abhängigkeit von der Deformationsgeschwindigkeit sowie von vorangegangenen Verformungsbeanspruchungen, zur sicheren Bestimmung der Qualität und der Verarbeitungseigenschaften ergibt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß mindestens zwei gleiche Proben mit voneinander verschiedenen, vorgegebenen Kräften, die zu Zusammendrückzeiten zwischen 5—150 s fiihren, be- und entlastet werden, wobei während der Be- und Entlastung jeweils eine Zeit über einen Wegabschnitt im Verformungsbereich unterhalb 60% der ursprünglichen Höhe gemessen wird

Für den Fachmann war überraschend, daß viskoelastische Stoffe mit ihrem ganz speziellen Verformungsverhalten — wie die Abweichung vom Newtonschen Fließverhalten, die Existenz von elastischen Verformungsanteilen bei Fließvorgängen und das Vorhandensein von Relaxationszeitspektren — bei Variation der Kraft unter vorgegebenen Versuchsbedingungen einen zeitlichen Verlauf der Probenhöhe ergeben, der sich altein als Funktion h (ixt) angebep IaBt wobei in die Konstante α nur die Kraft eingeht

Die einfach zu ermittelnden Meßgrößen Kraft und Zeit ergeben durch Umrechung Werte, die der scheinbaren Viskosität und der mittleren Deformationsgeschwindigkeit proportional sind. Im Gültigkeitsbereich des Potenzgesetzes sind durch Messung mit zwei verschiedenen Kräften alle erforderlichen Werte zur Kennzeichnung der Viskosität in Abhängigkeit von der Deforme fluggeschwindigkeit vorhanden.

Weiter ergab sich-erstaunlicherweise, daß unabhängig von der Kraft durch Wahl der Entlastungszeit gleich der Belastungszeit etwa gleiche Rückverformungshöhen erreicht werden. Es steht also die Rückverformungsgeschwindigkeit in einem bestimmten Verhältnis zur jeweiligen Verformungsgeschwindigkeit Damit ist auch die Rückverformung mit ihrer Abhängigkeit von der Deformationsgeschwindigkeit bekannt

Der geringe Bedarf an Probenmaterial und Zeit zur Ermittlung der Theologischen Eigenschaften von viskoelastischen Stoffen ermöglicht Fertigungsbedingungen im voraus festzulegen und erleichtert die Qualitätsüberwachung. Auch für die Entwicklung neuer Produkte ist das Verfahren von großem Vorteil, weil mit wenigen Messungen praxisnahe Ergebnisse zu erzielen sind. Weiter zeigen die Prüfungen eine gute Selektivität bei geringen Prüfungsverfahrensschwankungen und großer Prüfgenauigkait.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jede Probe nach der

ersten Be- und Entlastung abwechselnd durch ihre Kraft bis zum Erreichen der unteren vorgegebenen Probenhöhe belastet, um sich danach ohne Belastung durch eine Kraft bis zur oberen Probenhöhe, die durch die erste Entlastung bestimmt wird, rückzuverformen, wobei jeweils eine Zeit Ober einen Wegabschnitt im Verformungsbereich unterhalb 60% der ursprünglichen Höhe gemessen wird.

Durch die Wechselbeanspruchung treten in dem viskoelastischen Stoff der Verarbeitung ähnliche Beanspruchungen auf, die schon nach wenigen Last-Wechseln für die Praxis brauchbare Theologische Kenngrößen ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 zeitlicher Verlauf der Probenhöhe bei verschiedenen Kräften F,

Fig.2 zeitlicher Verlauf bei Belastung durch eine Kraft und Entlastung (ohne Kraft) zwischen zwei Probenhöhen,

F ϊ g. 3 Viskositätszahl V in Abhängigkeit von der

Deformationsgeschwindigkeitszahl -τ—,

/I Ip

F i g. 4 Rückverformung R in Abhängigkeit von der Deformationsgeschwindigkeitszahl -j—.

In F i g. 1 ist der zeitliche Verlauf der Probenhöhen h(t) eines viskoelastischen Stoffes bei Belastung durch verschiedene konstante Kräfte F dargestellt Es wurde gefunden, daß die Kurven (Geraden) für alle Kräfte funktionell gleich sind

wobei ho axt Anfangshöhe der Probe und α eine nur von Fabhängige Größe bedeutet

Die Auswertung des zeitlichen Höhenverlaufs kann daher im Bereich unter 60% der Anfangshöhe bei

ίο beliebiger Höhe erfolgen. Verstreicht z. B. eine Zeitspanne (Δ ty)\ für die Verformung von 4,5 auf 4 mm Höhe — siehe F i g. 2 — dann ist die mittlere Deformationsgeschwindigkeit γ proportional 1/(4 t,)u Außerdem gilt Proportionalität zwischen F und Scherkraft τ. Damit wird die scheinbare Viskosität

'h = 4- proportional (F · (,I^)₁),

so daß dieses Produkt als eine Viskositätszahl V angesehen werden kann. Das beka>r:te Potenzgesetz für die Abhängigkeit der scheinbaren Viskosität^ von der Deformationsgeschwindigkeit γ führt damit auf:

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wobei K alle Proportionalitätskonstanten enthält π den Viskositätsexponenten darstellt und F und (At,)i die Meßgrößen sind.

Die Untersuchung der Viskosität eines Acrylnitril-Butadien-Kautschuks (NBR) ergibt

Versuchszeit

Stauchkraft

Deformationszeitkonstante

Visk.c.sitätszahl

Deformationsgeschwindigkeitszahl

\HA /,),[s- ¹I

136,2	3,43	44,7	153,3	0,0224
23.5	8,09	7,2	58,3	0,139
5,0	17,66	1,5	26,5	0,667

Die Auftragung von Ig Vgegen \g(\IAt,)\ in Fig.3 ergibt eine Gerade, die durch zwei Größen vollständig charakterisiert wird. Ali Kenngröße wird hier ausgewählt Exponent π =»-0,52 und die zu (zli,)i = 10s gehörende Viskositätszahl Vj₀- 70 [Ns].

Das elastische Materialverhalten kann durch die prozentuale Rückverformung R der Probenhöhe bezogen auf die Probenstauchung nach Entlastungszeit (Ir)\ gleich der Versuchszeit (t,), angegeben werden.

Aus der Probenhöhe A₂ — wie sie aus der F i g. 2 zu ersehen ist — errechnet sich

50 η _

100.

Die Untersuchung der Elastizität eines Acrylnitri!-Sutadien-Kautschuks (NBR) ergibt

Versuehszeit

Deformationsreitkonstante

Deformation?' geschwindigkeit Rückverformungshöhe Rüekverformiing

36.2	44,7	0,0224	5,58
23.5	7,2	0,139	5,70
5.0	1.3'	0.667	5.80

26,3
28,3
30.0

Die leichte Abhängigkeit von der Deformationsgeschwindigkeit wird durch Darstellung von R gegen \%(\/(At,)i) in Fig.4 erkennbar, wobei eine Gerade entsteht. Diese wird durch zwei Größen vollständig gekennzeichnet, wie z. B. durch die Steigung

m=ARIa Ig[11(A fv)i]-2,5%/Dekade

und /?io = 28,0% als die zu (A t,)\ = 10 Sekunden Versuchszeit gehörige RUckverformung.

Die Verformungs-/Rückverformungsvorgänge können gemäß Fi g. 2 am gleichen Prüfling mehrfach, z. B. auch unmittelbar nacheinander wiederholt werden.

Für das viskose Verhalten des Materials wird die Probe im Anschluß an die erste Belastung jeweils nach einer Rückverformung auf eine bestimmte Probenhöhe /?2 erneut mit der gleichen Kraft belastet, ;o daß auf vorbeschriebene Art und Weise die Werte η und Vio

-, ermittelt werden können.

Für die Kennzeichnung der Materialveränderung in der elastischen Rückverformung wird wiederholt jeweils nach Erreichen der Probenhöhe h\ die Probe entlastet und die Zeit (AtR), für eine vorgegebene

in RUckverformung gemessen. So kann beispielsweise die Veränderung der mittleren Rückverformungsgeschwindigkeit durch die Veränderung der reziproken Zeitkonstante 1 /(A tu),charakterisiert werden.

Hier/u 4 Bliill /cichminucn

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zur Ermittlung Theologischer Kenngrößen von viskoelastjschen Stoffen, insbesondere Kautschuk und Kautschukmischungen, bei dem eine auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmte, zylindrische Probe durch eine auf die Stirnseiten wirkende Kraft auf eine vorgegebene Probenhöhe von weniger als 60% der ursprünglichen Probenhöhe zusammengedrückt und anschließend über die gleiche Zeit entlastet wird, wobei jeweils der zeitliche Probenhöhenverlauf untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleiche Proben mit voneinander verschiedenen, vorgegebenen Kräften, die zu Zusammendrückzeiten zwischen 5—150 s führen, be- und entlastet werden, wobei während der Be- und Entlastung jeweils eine Zeit über einen Wegabschnitt im Verformungsbereich unterhalb 60% der ursprünglichen Höhe gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Probe nach der ersten Be- und Entlastung abwechselnd durch ihre Kraft bis zum Erreichen der unteren vorgegebenen Probenhöhe belastet wird, um sich danach ohne Belastung durch eine Kraft bis zur oberen Probenhöhe, die durch die erste Entlastung bestimmt wird, rückzuverformen, wobei jeweils eine Zeit über einen Wegabschnitt im Verformungsbereich unterhalb 60% der ursprüngli- jo chen Höhe gemessen wird.