DE2924203A1 - Verfahren und anlage zum messen der haftfaehigkeit eines klebematerials - Google Patents

Description

826.9

OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES

O.N.E.R.A.
29 - 39 Av. de la Division

Leclerc
F - 92320 CHATILLION

VERFAHREN UND ANLAGE ZUM MESSEN DER HAFTFÄHIGKEIT EINES

KLEBEMATERIALS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Messen der Haftfläche und der Haftfähigkeit eines Klebeina terials .

Bisher wird zum Messen der Haftfähigkeit eines Klebematerials eine Bezugsfläche mit bekanntem Flächeninhalt mit diesem in Berührung gebracht, die Bestandteil eines Körpers ist, auf den anschließend eine zunehmende Kraft senkrecht zur Berührungsfläche ausgeübt wird, bis sich die Flächen voneinander abheben. Die Haftfähigkeit wird definiert als das Verhältnis zwischen dem Betrag der zum

909851/0897

Zeitpunkt des Abhebens ausgeübten Kraft und dem Flächeninhalt der Berührungsfläche zwischen der Bezugsfläche und dem Klebematerial.

Nun kann zwar der Betrag der Kraft durch eine dynamometrische Messung genau bekannt sein, doch ist die Information bezüglich der Berührungsfläche ungenau, denn die effektive Berührungsfläche ist im allgemeinen von der nominellen Fläche verschieden, insbesondere im Fall eines heterogenen Klebematerials wie z.B. mit Harz imprägnierter Glasfaser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beheben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Schaffung eines Verfahrens für die Bestimmung der wirksamen Berührungsfläche einer Bezugsfläche mit einem Klebematerial, bei dem als Bezugsfläche ein optischer Bauteil verwendet wird, der aus einem Prisma für Totalreflexion besteht, wobei der Brechungsindex des Prismas kleiner ist als derjenige des Klebstoffs, der dem Klebematerial seine Haftfähigkeit verleiht.

Wenn ein Bündel von parallelen Lichtstrahlen senkrecht auf eine der im rechten Winkel zueinander angeordneten Seiten des Prismas fällt, tritt auf der Hypotenusenseite Totalreflexion ein, wenn diese keine Berührung mit dem Klebstoff aufweist; wenn dagegen ein Teil der Hypotenusenfläche in Berührung mit dem Klebstoff steht, dessen Brechungsindex höher ist als derjenige der Materials, aus dem das Prisma besteht, wird ein Teil des Lichts gebrochen

909851/0897

und tritt aus dem Prisma durch die Hypotenusenfläche aus, anstatt von ihr reflektiert zu werden und durch "die andere der beiden in rechtem Winkel zueinander stehenden Flächen aus dem Prisma auszutreten, so daß die durch diese zweite der in rechtem Winkel zueinander angeordneten Seiten austretende Lichtmenge ein Maß der wirksamen Berührungsfläche zwischen der Hypotenusenfläche oder Bezugsfläche und dem Klebematerial ergibt.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren für die Untersuchung der Haftfähigkeit eines Klebematerials geschaffen, dessen Haftvermögen sich aus dem Vorhandensein eines Klebstoffs ergibt, wobei auf das Klebematerial ein optisches Prisma für Totalreflexion aufgelegt wird, dessen Brechungsindex kleiner ist als derjenige des Klebstoffs, sodann ein Bündel paralleler Lichtstrahlen senkrecht zu einer der beiden in rechtem Winkel zueinander angeordneten Seiten des Prismas gerichtet und ein Licht-Meßfühler so angeordnet wird, daß er das nach der Totalreflexion an der Hypotenusenseite des Prismas austretende Licht einfängt, und schließlich an das Prisma für Totalreflexion eine Kraft angelegt wird, die dieses vom Klebematerial abzuheben strebt, während die angewandte Kraft in Abhängigkeit von der Zeit sowie die vom Meßfühler gelieferte Information gemessen wird.

Die Kenntnis der beiden Informationen im Augenblick des Abhebens gestattet die Bestimmung der Haftfähigkeit des Klebematerials.

Die Erfindung ist sowohl für die Messung der Haftfähigkeit eines einseitigen Kleberaaterials als auch eines

909851/089 7

doppelseitigen Klebematerials verwendbar.

Desgleichen kann sie für die Rheologie von Klebematerial verwendet werden, insbesondere von mit Harz
beschichteten Fasern.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage gemäß der Erfindung;

Fig. 2

bis 6 sehr vereinfachte schematische Darstellungen

bezüglich verschiedener Anwendungsformen des

Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Messen der Haftfähigkeit eines Klebematerials;

Fig. 8 eine Vorderansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine Seitenansicht der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung;

Fig.10 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig.11

bis 15 verschiedene Meßkurven.

909851/0897

■ - θ -

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird auf eine Fläche 22 eines Klebematerials 21, das auf eine Unterlage gelegt ist, z.B. auf ein Folienmaterial aus verwobenen und zum Erzielen der Klebewirkung mit einem Polyesterharz imprägnierten Fesern, mit seiner Hypothenusenseite 24 ein Prisma für Totalreflexion 23 gelegt, das aus einem Crown-Glasstab besteht und dessen Brechungsindex 1,516 beträgt, der also kleiner ist als derjenige des Klebstoffs, der in diesem Fall 1,565 beträgt.

Auf eine der in rechtem Winkel zueinander angeordneten Seiten 25 des Primas 23 fällt senkrecht ein Bündel 26 von parallelen Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle 27 kommen, die im inneren Ende 28 eines Rohres 29 und in der Achse 31 desselben angeordnet ist. Die Lichtquelle 27 ist vorteilhafterweise eine ^Leuchtdiode, wobei eine Einrichtung zum Speisen der Lichtquelle 27 mit einem in der Amplitude modulierten Strom vorgesehen ist. Eine Linsenanordnung 32 im Inneren des Rohres 29 liefert ausgehend von der Lichtquelle 27 das Bündel paralleler Lichtstrahlen, das aus dem Rohr durch eine Blende 33 austritt. Ein Teil des Lichtbündels wird durch eine Einrichtung 34 abgeleitet, die einen fotoelektrischen Meßfühler enthält, der eine elektrische Spannung liefert, die durch eine Schaltung 35 an einen ersten Eingang.36 einer Spannungs«· vergleichsschaltung 37 angelegt wird.

Das Bündel 38 von parallelen Lichtstrahlen, das aus dem Prisma für Totalreflexion 23 austritt, tritt durch eine Blende 39 in ein^Rohr 41 parallel zu dessen Achse 42 ein, in dessen hinterem Ende 43 gegenüber der Blende 39 ein fotoelektrischer Meßfühler 44 angeordnet ist, der^an seinem Ausgang 45 eine Spannung proportional zur empfangenen Lichtenergie liefert, wobei eine Linsenanordnung 46 die Strahlen des Bündels 38 auf den Meßfühler 44

909851/0897

_ 9 —

konzentriert. Die am Ausgang 45 anliegende Spannung wird dem zweiten Eingang 48 der Vergleichsschaltung 37 zugeführt.

Die Bauteile 29, 41 und das Prisma 23 sind Bestandteil einer mechanisch starren Einheit, die durch die strichpunktierte Linie t symbolisiert wird.

Wenn keine Berührung zwischen der Hypotenusenflache des Prismas für Totalreflexion 23 und dem Belag 22 besteht, tritt das gesamte auf die Fläche 22 des Prismas für Totalreflexion auftreffende Licht durch die rechtwinkelige Seite 47 aus, und die am Eingang 48 der Vergleichsschaltung anliegende elektrische Spannung weist ein Maximum auf. Der Ausgang 49 der Vergleichsschaltung 37 überträgt die Spannungsdifferenz auf eine Anordnung 49-1» die aus einem Digitalvoltmeter besteht.

Wenn Berührung zwischen der Hypot e nu senflache 24 und dem Belag 22 besteht, verursacht der auf der Berührungsfläche anliegende Klebstoff aufgrund seines Brechungsindex, der höher ist als derjenige des Materials, aus dem das Prisma 23 besteht, einen Austritt des Lichts durch die Hypotenusenfläche 24, so daß die auf den Meßfühler 44 fallende elektrische Energie abnimmt und die am Eingang 48 an- ' liegende Spannung abfällt, während die am Eingang 36 anliegende Spannung konstant bleibt. - ,

Der Vergleich der an den Eingängen 36 und 48 anliegenden Spannungen, die bei 49-j angezeigt werden, liefert folglich eine Information über die wirksame Berührungsfläche zwischen der Hypot e nusenflache 24 und der Belagfläche 22.

909851/08 9 7

Um die Haftfähigkeit eines Klebstoffs, z.B. eines Harzes zu messen, das die beiden Seiten 51 bzw. 52 (Fig.2 und 3) eines zusammengesetzten Folienmaterials 52 imprägniert, das z.B. aus mit Harz imprägnierten Glasfasern besteht, wird dieses Material gegen eine Fläche, z.B. die obere Fläche 54 einer festen Unterlage 55 mit seiner Fläche 52 angelegt, während auf die andere Fläche 51 des Materials das Prisma für Totalreflexion 53 angelegt wird, das Bestandteil der oben beschriebenen Anlage ist, wobei die Berührungsfläche zwischen der Fläche 52 und der'Unterlage 55 bedeutend größer ist als die Berührungsfläche zwischen der Hypotenusenfläche 24 des Prismas 23 und der Seite 51. Dann wird auf das Prisma 23 eine mechanische Wirkung ausgeübt, die es vom Folienmaterial 53 abzuheben strebt. Der in Fig. 3 gezeigte Zustand ist derjenige, in dem die Kraft ausreichend ist, um das Abheben des Prismas 23 zu bewirken. Die Kenntnis des Betrags F dieser Kraft und der wirksamen Berührungsfläche zum Zeitpunkt des Abhebens der Hypotenusenfläche 24 von der oberen Fläche 51 des Folienmaterials liefert durch einfache Quotientbildung den genauen Wert der Haftfähigkeit des Materials 53.

Bei der in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform wird die mechanische Einwirkung nicht am Prisma 23, sondern an der Unterlage 55 angelegt, die beweglich ist, so daß sie diese vom Prisma abzuziehen strebt. Der Zustand beim Abheben wird in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind das Prisma 23 und die damit verbundenen optischen Teile feststehend.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist das Folienmaterial 61 nur auf einer Seite 62 mit Klebstoff be-

909851/0897

schichtet, während die andere Seite 63 ohne Klebstoff "bleibt. Eine bewegliche Unterlage 66 enthält ein poröses Wandstück 66' , dessen obere Fläche 66.. mit der Oberfläche 65 der Unterlage bündig ist, wobei die untere Fläche der porösen Wand über eine Leitung c_ mit einer Vakuumpumpe in Verbindung steht. Die vom Vakuum ausgeübte Kraft ist ausreichend, um das Abheben der Fläche 63 von der Fläche 65 zu verhindern.

Beim Einwirken einer Kraft F, die die Hypotenusenfläche 24 des Prismas für Totalreflexion 23 von der Klebefläche 62 abzuheben strebt, liefert der Betrag der Kraft F beim Abheben, bezogen auf den Betrag der von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gemessenen Fläche, die Haftfähigkeit des Belags der oberen Fläche 62.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung zum Messen der Haftfähigkeit des Musters 71 eine elektrische Stromversorgung 72, die an das Netz 73 angeschlossen ist und deren erster Ausgang 74 den modulierten Versorgungsstrom für die Leuchtdiode 27 liefert. Der fotoelektrische Meßfühler 44 ist durch eine Schaltung 75 an den Eingang eines Spannungstellers 76 angeschlossen, der durch eine Schaltung 77 mit der Vorrichtung 34 verbunden ist. Der Ausgang 78 des Spannungsteilers 7-6 -ist an «in Voltmeter--79 ^ngeschlosseiL, _das_

mit einem Schreiber 61 verbunden ist.

Das Muster 71 ist mit seiner Fläche 82, die der Klebefläche 83 gegenüberliegt, fest mit einem Klotz 84 verbunden, der von der Stange 85 eines Dynamometers 86 getragen wird, an dessen Anzeigeskala 87 zu jedem Zeitpunkt die anliegende Kraft abgelesen werden kann.

909851/0897 ORIGINAL INSPECTED

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann in tragbarer Form ausgeführt werden,mit geringer Masse und geringen Abmessungen. Eine solche Ausführungsform wird in Fig.8 und 9 gezeigt. Diese Ausführungsform umfaßt die wesentlichen Bauteile der in Fig. 1 und 7 gezeigten Ausführungsformen. Das Prisma 23 wird von einer Gabel 23-i getragen, die es an seinen beiden Außenflächen einklemmt. Die Rohre 29 und 41 sind an der Auflage 90 befestigt, die ihrerseits mit einem röhrenförmigen Körper 86 verbunden ist, der das Dynamometer 87 trägt. Der röhrenförmige Körper 86 ist mit einem Träger 91 verbunden, der auf zwei Säulen 92 und 93 gleitet, die auf dem Sockel 94 der Vorrichtung befestigt sind.

Die Vertikalverschiebung des Trägers 91 erfolgt durch einen im Sockel 94 untergebrachten Elektromotor über ein Schneckenrad und eine Schnecke, die in den Figuren nicht gezeigt werden und mit denen die Herstellung der Berührung des Prismas 23 mit der Klebefläche 22 und anschliessend eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung gesteuert werden kann, welche die Kraft entwickelt, um das Prisma von der Klebefläche abzuheben, wobei die ausgeübten Kräfte auf der Anzeigeskala des Dynamometers 87 angezeigt werden.

Das Dynamometer enthält eine Zusatzeinrichtung 95 zum Einstellen der gewünschten Grenzkraft und zum Regeln der Zeigerstellung.

Der Sockel 94 der Vorrichtung enthält die Stromversorgung 72 und die Vergleichsschaltung 37. Er ruht auf einer Grundplatte 100 aus nichtklebendem Material, z.B. aus Teflon.

909851/0897

Die Bezugszahl 96 bezeichnet einen Schalter zum Einschalten des Gerätes, und die Bezugszahl 97 bezeichnet den Netzanschluß des Gerätes. Die Bezugszahl 98 bezeichnet den Meßausgang zum Voltmeter 79 und zum Schreiber Die Bezugszahl 99 bezeichnet die Einrichtung zum Einstellen des von der Spannungsvergleichsschaltung gelieferten Signals. Wenn das Prisma 23 nicht auf der Klebefläche 22 aufliegt, entspricht das Signal einer Lichtübertragung durch das Prisma von 100 Prozent.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die zeitliche Entwicklung der Berührungsfläche einer gegen das Klebematerial angelegten Bezugsfläche untersucht werden.

In Fig. 10 wird schematisch ein Teil einer Vorrichtung gezeigt, die ein Prisma 101 für Totalreflexion enthält, deren Eintritts- und Austrittsflächen 102 bzw. 103 untereinander einen Winkel von 60 Grad bilden, während die Fläche 104, die gegen die Fläche 105 der Folie 106 aus Klebematerial anliegt, an die Flächen 102 und 103 über die schrägen Flächen 107 und 108 anliegen und das Prisma mit einer Fläche 109 abgeschnitten ist.

Auf diese Weise werden die Abmessungen der Vorrichtung reduziert.

Fig. 11 zeigt eine Kurve, die sich ergibt, wenn das Prisma .23 gegen die Klebefläche anliegt und die von der Vergleichsschaltung gelieferte und vom Voltmeter gemessene Spannung abgetragen wird. Sie liefert zu jedem Zeitpunkt den Prozentsatz der Berührungsfläche S im Verhältnis zur nominalen Fläche S", die der Hypot enu senflache des Prismas 23 entspricht. Wenn sie im Logarithmus von

909851/0897

29242Q3

t ausgedrückt wird, ist die Funktion linear.

Fig. 12 stellt die Kurve der zeitlichen Entwicklung der Berührungsfläche dar, aufgenommen mit einem doppelseitigen Klebematerial, das unter der Bezeichnung SCOTCH bekannt ist, und auf das das Prisma mit einer Kraft von 1 kp angedrückt wird.

Fig. 13 stellt den Betrag der Berührungsflächen dar, .die mit einem Material aus mit Epoxidharz imprägniertem Glasgewebe erzielt werden, wenn das Epoxidharz ein flüssiges Harz Araldit Typ F und ein sehr zähflüssiges Harz Typ B enthält, die im Verhältnis von 0, 50, 65, 75, 85 und 100 % (Gewichtsanteil des festen Harzes) gemischt werden.

Dieses Gewebe ist bekannt unter der Bezugsnummer 664 und wird von Firma BROCHIER vertrieben. Es ist mit 45 % (Gewichtsanteil) Araldit F und Araldit B imprägniert, die in den angegebenen Verhältnissen gemischt werden.

Für Jede dieser Mischungen wird das Prisma mit einer Kraft von 1 kp eine Minute lang angedrückt und der Prozentsatz der Berührungsfläche aufgezeichnet. Die Fläche, die von den Geraden abgegrenzt wird, welche die den Versuchspunkten entsprechenden Kreuze miteinander verbinden, stellt die Streuung der Messungen für 6 gleiche Messungen für jede der Mischungen dar.

Aus der Figur ist die sich ergebende geringe Streuung ersichtlich.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch die Haftfähigkeit eines Klebematerials gemessen werden.

909851/0897

292A203

Fig. 14 zeigt eine Kurve, welche die Abhebekraft darstellt, die auf das in Fig. 12 beschriebene vorimprägnierte Material ausgeübt wird, nachdem es in gleicher Weise mit einer Mischung der Harze in den gleichen Verhältniswerten imprägniert wird.

Für jeden Versuchspunkt wird das Prisma mit einer Belastung von 1kp eine Minute lang angedrückt und anschliessend eine Kraft ausgeübt, welche das Abheben bewirken soll, wobei diese Kraft zum Zeitpunkt des Abhebens gemessen wird.

Fig. 14 stellt die Veränderung der Haftfähigkeit bezüglich des bereits erwähnten vorimprägnierten Materials dar,

909851/0897

Claims (1)

1.

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Messen der Haftfähigkeit eines Klebematerials, insbesondere eines Materials in Folienform aus mit Klebstoff imprägnierten Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß gegen das Material eine Seite eines Prismas angedrückt wird, das eine Totalreflexion ergibt und dessen Brechungsindex kleiner ist als derjenige des Klebstoffs, woraufhin eine Kraft angelegt wird, die das Prisma von dem Material abzuziehen strebt, daß der Betrag der Kraft zum Zeitpunkt des Abhebens bestimmt wird und daß der Quotient dieser Kraft durch den Betrag der zum Zeitpunkt des Abhebens mit Hilfe des durch die Prismenfläche total reflektierten Lichts gemessenen Berührungsfläche gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des total reflektierten Lichts zu dem in das Prisma eintretenden Licht gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abheben bestimmte Kraft auf das Prisma ausgeübt wird.

909851/0897

Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Viilingen (BLZ 69470039) 146332

A. Verfahren nach Anspruch 2, verwendbar für Folienmaterial mit zwei Klebeflächen, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf der der für die Aufnahme des Prismas bestimmten Seite gegenüberliegenden Seite auf eine Unterlage geklebt wird, und zwar mit einer wesentlich größeren Fläche als der Hypothenusenfläche des Prismas entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abheben bestimmte Kraft an der Unterlage angreift,

6. Verfahren nach Anspruch 1 zum Messen der Haftfähigkeit eines auf nur einer Seite klebenden Materials, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material mit der anderen Seite durch pneumatischen Unterdruck auf einer Unterlage festgehalten wird, wobei die durch den Unterdruck ausgeübte Kraft größer ist als die zum Abheben erforderliche Kraft.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage porös ist.

8. Anlage für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Gerät mit einem Prisma für Totalreflexion besteht, aus einer Einrichtung, die auf eine der Seitenflächen des Prismas, die keine Totalreflexion bewirkt, ein Bündel paralleler Lichtstrahlen senkrecht auf diese Seitenfläche wirft, und aus einer Einrichtung zum Vergleichen der einfallenden Lichtmenge mit der durch die andere Seitenfläche des Prismas austretende Lichtmenge, sowie aus einer Einrichtung, die die für Totalreflexion

909851/0897

•ausgelegte Seite des Prismas von der mit dieser in Berührung stehenden Seite des Materials abzuheben strebt, und aus einer Einrichtung für die laufende Aufzeichnung des Betrags der das Abheben bewirkenden Kraft.

9· Vorrichtung mit Prisma für Totalreflexion, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bestandteil für die Anlage nach Anspruch 8 verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Ableiten eines Teils des einfallenden Lichtes für Vergleichszwecke enthält.

9 0 9851/0897