Ermittlung der elastischen Eigenschaften von PTFE und PTFE-Compounds mittels Dynamisch-Mechanischer-Analyse (DMA)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 PTFE und seine Eigenschaften
2.2 Dynamisch-mechanischer Analysator (DMA)
2.2.1 Messprinzip
2.2.2 Aufbau
2.2.3 Funktionen
2.3 Profilometer
2.3.1 Aufbau
2.3.2 Funktionen

3 Versuchsdurchführung
3.1 Auswahl der Proben
3.2 Rauhigkeitsmessungen
3.3 Dynamisch-mechanische Messungen
3.3.1 Kalibrierung der Apparatur
3.3.2 Frequenzbestimmung
3.3.3 Amplitudenbestimmung
3.3.4 Versuchsdurchführung

4 Versuchsauswertung
4.1 Rauhigkeitsmessungen
4.2 Dynamisch-mechanische Messungen

5 Diskussion der Ergebnisse

6 Fehlerbetrachtung

7 Zusammenfassung

A Symbolverzeichnis

B Literaturverzeichnis

C Anhang

1 Einleitung

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens sollen Partikel auf einen Primärpartikeldurchmesser dp < 100 nm zerkleinert werden. Hierzu soll eine Mühle entworfen werden Die herkömmliche trockene Ultrafeinmahlung mit Kochsalz als Additiv erzielt Ergebnisse entsprechend der obigen Zielsetzung /Sch97/, jedoch gestaltet sich die Abtrennung des Kochsalzes vom Mahlgut als schwierig. Das zerkleinerte Mahlgut muss in dem Lösungsmittel, mit dem das zugesetzte Additiv ausgewaschen wird, unlöslich sein. Weiterhin bleiben gewisse Verunreinigungen zurück, was bei vielen Produkten, so z.B. bei Pharmazeutika, nicht annehmbar ist. /Wei00/ Derzeit wird am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik ein neues Verfahren entwickelt, das mit festem Kohlendioxid als Additiv arbeitet. Durch das Sublimieren des Kohlendioxids nach dem Mahlvorgang, bleiben keine Verunreinigungen durch das Additiv zurück. Unter der Voraussetzung, dass keine weiteren Verunreinigungen im Mahlprodukt vorliegen, können somit z.B. Pharmazeutika vermahlen werden.

Für die Zu- und Abfuhr des Kältemittels (Flüssig-Stickstoff) sind im Mahlbehälter Anschlüsse vorgesehen, die durch Stabdichtungen aus PTFE abgedichtet werden sollen. Aufgrund der hohen Thermostabilität von PTFE, ist einen dauernde Verwendbarkeit im Temperaturbereich von -270 °C bis +260 °C gegeben /Dom98/. Durch die tiefe Temperatur des Kältemittels (< -196 °C) verändern sich die mechanischthermischen Eigenschaften des PTFE im Bezug zu denen bei Normalbedingungen. Für die konstruktive Ausführung der Stabdichtung ist die Kenntnis der elastischen Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung.

Die Ermittlung der elastischen Eigenschaften von PTFE sowie PTFE-Compounds mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) als Funktion der Temperatur ist Gegenstand der Arbeit. Der Temperaturbereich ist infolge des geringen Mess- aufwandes, aus wissenschaftlichem Interesse auf einen Bereich von +325 °C bis -150 °C festgelegt. Die untere Temperaturgrenze von -150 °C entspricht der unteren Grenze des Messgerätes. Die obere Temperaturgrenze von +325 °C wurde gewählt, da die Schmelztemperatur von PTFE (T = +327 °C) nicht überschritten werden darf.

2 Grundlagen

2.1 PTFE und seine Eigenschaften

Die Verwendung von Kunststoffen in der Industrie erlangte in den vergangenen Jah- ren stark an Bedeutung. Besonders in der Dichtungstechnik stieg der Einsatz von PTFE und PTFE-Compounds aufgrund der Konstanz ihrer Eigenschaften über einen sehr weiten Temperaturbereich. Die Vorzüge dieses hochwertigen Produktes liegen vor allem in: /Dom98/

- nahezu universeller Chemikalienbeständigkeit,
- Unlöslichkeit in allen bekannten Lösungsmitteln unter 300 °C,
- hohe Thermostabilität, dauernd verwendbar im Bereich von -270 °C bis +260 °C,
- geringes Adhäsionsvermögen, niedrige Reibungszahl,
- vorzügliche elektrische und dielektrische Eigenschaften,
- Beständigkeit gegen Spannungsrissbildung und Witterungseinflüsse,
- unter Normalbedingungen nicht entflammbar und unbrennbar,
- nahezu unverzweigte, linear aufgebaute Struktur.

Im Unterschied zu anderen Kunststoffen erfordert PTFE keine Zusatzstoffe, die als Stabilisatoren wirken. Jedoch kann das Beimischen von Substanzen bestimmte Ei- genschaften gezielt beeinflussen, so dass beispielsweise wartungsfreie Lager aus PTFE-Compounds hergestellt werden können /Dyn98/. Weitere Anwendungsbeispie- le von PTFE können /Dom98/ entnommen werden. Einen Überblick über die wich- tigsten anorganischen Zusatzstoffe und die dadurch verbesserten Eigenschaften lie- fert Tab. 2 - 1.

Tab. 2 - 1: Füllstoffe in PTFE und deren Eigenschaftsverbesserung im Vergleich zu ungefülltem PTFE /Heu01/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch chemische Modifikationen von PTFE erhält man weitere Eigenschaftsverbesserungen, wie hervorragende Verschweißbarkeit, geringe Deformation unter Last, dichteres Polymergefüge, geringere Gasdurchlässigkeit, glattere Oberfläche der mechanisch bearbeiteten Fertigteile und höhere Transparenz /Dyn98/. Die weiteren Eigenschaften des unmodifizierten PTFE bleiben dabei erhalten.

Die Korngröße, Rieselfähigkeit und Härte des PTFEs sind stark von der jeweiligen Verarbeitungsart, wie Pressformen, Strangpressen oder Pastenextrusion abhängig /Dom98/. Die unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen bei der Herstellung von PTFE-Formteilen beeinflussen die Orientierung der Molekularketten. Dies wird durch den Kristallinitätsgrad charakterisiert. Wie lange ein Teil aus PTFE im Temperaturbe- reich der Kristallisation von 307 bis 327°C verbleibt, ist hier von besonderer Bedeu- tung. Schnelles Abkühlen führt zu einer geringeren Kristallinität und somit zu einem niedrigeren Kristallinitätsgrad /DuP92/. Ein hoher Kristallinitätsgrad nach langsamer Abkühlung, wirkt sich vor allem auf die mechanischen Eigenschaften aus. Die Tem- peraturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls von PTFE bei verschiedenen Kristallinitätsgraden zeigt Abb. 2 - 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 1: Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls von PTFE bei verschiedenen Kristallinitätsgraden /Dom98/

Bei durch Extrusion verarbeiteten Teilen liegt die Kristallinität zwischen 50 und 70% /DuP92/.

PTFE ist somit ein thermoplastisches teilkristallines Polymer und im Vergleich mit anderen Polymeren, ein zäh-elastischer und verhältnismäßig weicher Werkstoff.

Die amorphen Bereiche des teilkristallinen PTFE bilden zwischen -269 °C und dem Schmelzpunkt der Kristallite bei 327 °C, drei verschiedene Phasen: /McC59a/ Die unterkühlte Flüssigkeit, die unterhalb 327 °C auftritt, wandelt sich bei einer Tem- peratur in der Nähe von 127 °C in einen amorphen Festkörper um. Dieser Festkörper erfährt bei etwa -100 °C eine weitere Umwandlung und bildet eine dritte Phase. Die- se ist bis zu -269 °C stabil.

Bei der Umwandlung in der Nähe von 127 °C werden Bewegungen in den ungeord- neten Bereichen der Polymerstruktur hervorgerufen. Die van-der-Waals-Bindungen lösen sich und die Moleküle diffundieren durch die Kristalllamellen hindurch /Rie01/. Somit werden kooperative Bewegungen längerer Kettensegmente angeregt, wodurch der amorphe Anteil des Gefüges in eine unterkühlte Flüssigkeit übergeht. Folglich bewegen sich die Fehlstellen in der zerrütteten kristallinen Phase /Dom98/.

Diese Umwandlung wird Glasübergang (engl.: glas transition) genannt. Die Glasübergangstemperatur Tg stellt eine der wichtigsten Kenngrößen der Polymere dar und vermittelt einen Anhaltspunkt über die Formbeständigkeit des Kunststoffs in der Wärme /Bat85/. Oberhalb Tg = 127 °C liegen die amorphen Anteile des PTFE im entropieelastischen oder flüssigen (viskosen) Zustand vor, unterhalb Tg sind sie glasig hart (energieelastischen Bereich).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 2: Schematische Darstellung typischer DMA-Kurven eines amorphen Kunststoffs /Ehr98/

Durch Absenken der Temperatur ändern sich die Materialeigenschaften beim Einfrieren der amorphen Bereiche, so dass Modul und Sprödigkeit zunehmen. Die Aktivierungsenergie für diesen Prozess wird mit 18 kcal/Mol angegeben /McC91/. Diese Aktivierungsenergie ist unabhängig vom Kristallisationsgrad. /Jen58/

Die Ursachen für die zweite Umwandlung bei etwa -100 °C, liegen in der zunehmen- den Beweglichkeit der Kettensegmente und der Fluorgruppen mit steigender Tempe- ratur. Dadurch kommt es zu einem Glasübergang des amorphen Anteils im Gefüge. /McC59a/

Des weiteren tritt eine Kristallrelaxation auf, die durch zwei Phasenumwandlungen in den kristallinen Bereichen hervorgerufen wird. Der kristalline Anteil von PTFE ist viel- schichtig und besteht aus drei kristallinen Phasen. Die bei niedrigen Temperaturen liegende Phase I ist die trikline Phase /Sch01/, dessen Gefüge durch die Molekülab- stände a = b = 5,59 Å und c = 16,88 Å, in den drei räumlichen Richtungen x, y und z, charakterisiert wird. Die zugehörigen Winkel zwischen den Molekülen betragen α = β = 90 ° und γ = 119,3 °. Nach Kisbenyi /Kis79/ ist die Molekülkette der Phase I spiralförmig gedreht, wobei 13 C-Atome an einer 180 °-Drehung beteiligt sind.

Die erste Phasenumwandlung vollzieht sich zwischen 19 °C und 35 °C /Kis79/. Hier wandelt sich die trikline Phase I in eine weniger geordnete hexagonale Packung (Phase II) um. Diese neue Phase II ist durch die Molekülabstände a = b = 5,66 Å und c = 19,50 Å gekennzeichnet, wobei jetzt 15 C-Atome an einer 180°-Drehung beteiligt sind. Das Volumen der Kristallite vergrößert sich dabei um 0,0058 cm³/g bzw. 1,2 Vol. -%. Mit steigendem Druck nimmt die Übergangstemperatur um etwa 0,013 K/bar zu. Die Umwandlungswärme liegt bei 13,4 kJ/kg. Weil die 19 °C-Umwandlung nur die kristallinen Bereiche umfasst, verändern sich die angegebenen Volumenzunah- men und die Umwandlungswärme nach Maßgabe des amorphen Anteils. /Dom98/

Ab 35 °C beginnt die zweite Umwandlung des kristallinen Gefüges, bei der die be- vorzugte kristallographische Richtung verloren geht und Phase III entsteht. Hierbei spalten sich Kettensegmente ab, oder rotieren entlang ihrer Achsen /McC91/. Die dabei zu beobachtende Volumenänderung beträgt nur etwa ein Zehntel derjenigen bei 19 °C. /Dom98/

Diese Phasenumwandlungen bedingen einen Erweichungseffekt im Speichermodul aufgrund der Umordnung des Gefüges. Die Ursache der zweiten Umwandlung bei 35 °C ist eine hohe Fehlerdichte im Kristall nach dem Abkühlen. /Sch01/

Diese thermisch aktivierten Vorgänge ziehen somit auch Gestaltänderung in den Makromolekülabschnitten nach sich. Ursachen hierfür sind: /Sch01/

- "ausbauchen" der Bögen zwischen den C-C Bindungen
- umklappen der C-C Bindungen
- Drehung um die C-C Bindungen
- lösen der van-der-Waals-Bindungen

Insbesondere die Drehung um die C-C Bindungen ist bei tiefen Temperaturen nicht mehr möglich, da die Mikrobrownschen Bewegungen erstarrt sind. Damit die Molekü- le diese schwingenden Bewegungen um ihre Ruhelage ausführen können, ist Akti- vierungsenergie in Form von Wärme nötig. Die Mikrobrownschen Bewegungen neh- men vom absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C (0 K) mit Erhöhung der Temperatur zu. Die Molekülketten von Polymeren sind in der Regel nicht ausgerichtet, so dass sich sogenannte Verschlaufungen bilden. Mit sinkender Temperatur kommt es zur Bil- dung von festen Vernetzungspunkten in den Molekülketten, die ebenfalls festigkeits- steigernd wirken.

Bei hohen Temperaturen können die nun leicht beweglichen Molekülabschnitte den Belastungen mühelos folgen. Die Verschlaufungen bleiben weitgehend fest, können aber gelegentlich verrutschen oder gelöst werden. Dies erklärt den Abfall des Speichermoduls E` zu hohen Temperaturen hin.

2.2 Dynamisch-mechanischer Analysator

2.2.1 Messprinzip

Allgemein können beim Verformungsverhalten von Stoffen zwei Grenzfälle unter- schieden werden - rein elastisches und rein viskoses Verhalten. Das Verhalten der meisten Polymere stellt eine Mischform beider Grenzfälle dar und wird als visko- elastisch bezeichnet. Dieses Verhalten ist dadurch gekennzeichnet, dass bei höhe- ren Belastungen zusätzliche Kriech- und Fließvorgänge auftreten. Belastungen, die den Werkstoff schwingend beanspruchen, haben stets eine zweifache Wirkung /Men98/:

Zum einen wirkt die mittlere Last genau wie eine statische Belastung. Unter ihrer Einwirkung kriecht der Werkstoff. Zusätzlich wird jedoch der Werkstoff durch die dy- namische Lastamplitude erwärmt. Diese kann oft so hoch sein, dass es zum Erwei- chen und Ausfließen unter dieser Last kommen kann. Diese Vorgänge bewirken ein Abgleiten von Gitterebenen, wodurch eine Streckung der Molekülketten hervorgeru- fen wird /Men98/. Diese Änderung der Molekülstruktur ist in Abb. 2 - 3 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 3: Abrutschen und Umlagern von Kristallitblöcken beim Verstrecken von teilkristallinen Thermoplasten /Men98/

Dies lässt sich am besten anhand eines mechanischen Modells erklären, das in Abb.

2 - 4 dargestellt ist. /Dob88/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 4: Modell zur Erläuterung erzwungener Schwingungen /Dob88/

Eine Schubstange (2), an der ein einfaches Federpendel (1) hängt, wird über einen verstellbaren, elektrisch angetriebenen Exzenter (3) auf und ab bewegt. Ein Pendelkörper, der am Federpendel aufgehängt ist, taucht in ein Gefäß (4) ein, das mit verschiedenen Dämpfungsflüssigkeiten gefüllt werden kann.

Die Eigenkreisfrequenz ω0 des nahezu ungedämpften Federpendels bestimmt man zunächst bei stehendem Motor und leerem Gefäß.

Wird nun, ebenfalls bei leerem Gefäß, der Motor bei einer sehr kleinen Kreisfrequenz ω1 (ω1<< ω0) betrieben, so beobachtet man nach einer anfänglichen Einschwingpha- se mit unregelmäßiger Bewegung des Federpendels, dass sich ein stationärer Zustand einstellt. Das Federpendel und die Schubstange bewegen sich nun mit gleicher Frequenz und Amplitude und durchlaufen ohne Phasenverschiebung Δϕ die Ruhelage und die Umkehrpunkte.

Da die Kraft F eine vektorielle Größe ist, soll sie im Folgenden betragsmäßig be- trachtet werden. Somit stellt sich unverzüglich zu jeder Kraft F eine zugehörige Län- genänderung Δl der Feder ein, so dass mit der Federkonstante k als Proportionali- tätsfaktor gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei Vergrößerung des Hubes der Schubstange verringert sich die Einschwingzeit, wobei die Anfangsamplitude abnimmt.

Der Frequenzgang von Amplitude s und Phasenverschiebung Δϕ ist für das ungedämpfte und gedämpfte System in Abb. 2 - 5 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 5: a.) Frequenzgang der Amplitude s (Maxima der Kurven 2 und 3 bei v) b.) Frequenzgang der Phasenverschiebung Δϕ Kurven: 1 = ungedämpft, 2 = gedämpft, 3 = stark gedämpft /Dob88/

Beim ungedämpften System bewirkt eine schrittweise Erhöhung der Motorkreisfre- quenz zunächst eine Zunahme der Amplitude im stationären Zustand. Kurz vor Errei- chen der Eigenfrequenz ω0 werden die Amplituden nahezu unendlich groß. Nun sind

Erreger und System in Resonanz. Nach Überschreiten der Eigenfrequenz sinken die Amplituden bis auf Null ab. Die Phasenverschiebung Δϕ zwischen Schubstangen- und Pendelbewegung ändert sich gleichzeitig vom anfänglichen Wert Null auf π/2, wenn ω = ω0 ist, und nähert sich schließlich asymptotisch π, wenn ω > ω0 wird (Kurve 1 in Abb. 2 - 5).

Füllt man nun das Gefäß mit einer zähen Flüssigkeit, z.B. Glycerin, und wiederholt das schrittweise Erhöhen der Motorkreisfrequenz, so beobachtet man nun, dass mit zunehmender Kreisfrequenz ω die Amplituden langsamer ansteigen und das Reso- nanzmaximum wesentlich flacher wird. Die Resonanzkreisfrequenz ωr ist niedriger als die Eigenkreisfrequenz ωd des gedämpften Systems. Die Phasenverschiebung löst sich früher vom anfänglichen Wert Null und beträgt π/2, wenn ω = ω0 ist. Die asymptotische Annäherung an den Wert π, wenn ω > ω0 ist, verläuft etwas zögernder (Kurven 2 und 3 in Abb. 2 - 5). Des weiteren verkürzt sich die Einschwingzeit gegenüber dem ungedämpften System.

Dieses Phänomen wird bei der DMA ausgenutzt. Die beidseitig eingespannte Probe wird mit definierter Auslenkung und Frequenz in sinusförmige Schwingungen versetzt. Die Frequenz bleibt dabei weit unter der Resonanzkreisfrequenz. Durch die Dämpfungseigenschaften des Materials bleibt das Drehmoment um den Phasenwinkel ϕ hinter der Verformung zurück.

2.2.2 Aufbau

Im verwendeten Gerät DMA 2980 der Firma TA Instruments erfolgt die Belastung der Probe in vertikaler Richtung. Eine Skizze des prinzipiellen Aufbaus des Gerätes liefert Abb. 2 - 6.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 6: Prinzipieller Aufbau DMA 2980 /For/

Die magnetische Feldstärke H, die magnetische Flussdichte B und die Kraft F sind vektorielle Größen. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich auf die Beträge dieser Größen.

Über einen induktiven Kraftgeber, und eine daran angebrachte Schubstange mit Ein- spannklemme, wird eine oszillierende Belastung der Probe realisiert. Der Kraftgeber besteht aus einer Spule der Länge L mit N Windungen, in der durch das Anlegen einer Stromstärke I ein magnetisches Feld in Inneren der Spule entsteht. Die magne- tische Feldstärke H wird, unter der Voraussetzung einer unendlich langen Spule, wie folgt berechnet: /Pae94/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die luftkissengelagerte Schubstange taucht am unteren Teil senkrecht in die Spule ein, wodurch die magnetische Flussdichte B in diesem Bereich induziert wird: /Pae94/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit der magnetischen Feldkonstante µ0 = 1,257⋅10-⁶ Vs/Am, und der Permeabilitätszahl µr, die vom Werkstoff der Schubstange abhängig ist.

Die Kraft F auf diesen stromdurchflossenen Leiter und dessen Eintauchtiefe TE in die Spule, hängen betragsmäßig wie folgt voneinander ab: /Pae94/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Somit kann also die Amplitude der aufgegebenen Beanspruchung über die krafterzeugende Stromstärke I variiert und gemessen werden.

Die Luftkissenlagerung der Schubstange erzeugt eine dünne Luftschicht zwischen der Lager- und der Stangenoberfläche, so dass die Schubstange reibungsfrei gleitet.

Mit einem an der Schubstange angebrachten optischen Wegaufnehmer erfolgt die Aufnahme der auftretenden Längen- bzw. Wegänderung der Probe. Durch Lichtbeu- gung zwischen einem mit der Schubstange beweglichen, und einem starren Raster wird die Positionsänderung der Schubstange gemessen. Aufgrund der sehr hohen Auflösung von 1 nm über den gesamten Verschiebungsbereich (25 mm), können die zu messenden Modulwerte mit einer Exaktheit von 1 % ermittelt werden /For/. Der Vergleich des Aufgabesignals des Kraftgebers mit dem Antwortsignal der Probe er- möglicht eine Aussage über das viskoelastische Verhalten der Probe.

Die im Ofen in der Nähe der Probe angebrachten Thermoelemente dienen zur Er- mittlung der Probentemperatur und ermöglichen die Regelung des Temperaturpro- gramms. Die Thermoelemente messen nur indirekt die Probentemperatur über die Umgebungstemperatur. Bei Probenmaterial mit schlechtem Wärmeleitkoeffizient kann dies besonders bei hohen Heiz- oder Kühlraten zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen.

Eine Fotographie der Messapparatur und der Einspannvorrichtung zeigen Abb. 2 - 7 und Abb. 2 - 8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 7: Fotographie des verwendeten Messgerätes DMA 2980 Einspannschrauben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 8: Fotographie der verwendeten Einspannvorrichtung mit einseitig fest eingespannter Probe aus PTFE

Die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten dieses Gerätes sollen anhand folgender Gerätespezifikationen erklärt werden:

Durch die unterschiedlichen Einspannklemmen für die Proben lassen sich Versuche mit einseitiger und zweiseitiger Einspannung, 3-Punkt-Biegung, Zug, Kompression und Scherung realisieren. Durch die daraus resultierenden unterschiedlichen Beanspruchungsarten können folgende Kennwerte ermittelt werden.

Tab. 2 - 2: Abhängigkeit des ermittelten Kennwertes von der Einspannungsart

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Definitionen der Kennwerte und deren Beziehungen zueinander können /DIN96/ entnommen werden.

Die unterschiedlichen Einspannungsmöglichkeiten sind in Abb. 2 - 9 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 9: Verschiedene Einspannmöglichkeiten des DMA 2980 unter vertikaler Belastung /Ehr98/

Die Frequenz der aufgeprägten sinusförmigen Schwingung lässt sich über 4 Deka- den von 0,01 bis 200 Hz in einem Intervall von 0,01 Hz variieren. Dabei können pro Messung 28 Frequenzen bei jeder Temperatur durchlaufen werden. Der Tempera- turbereich erstreckt sich von -150 bis 600 °C. Die tiefen Temperaturen werden durch Flüssig-Stickstoff-Kühlung erreicht, die mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 10 °C/min erfolgen kann. Das Aufheizen ist mit einer Heizrate von 0,1 bis 50 °C/min durch den integrierten Ofen möglich.

Da das Gerät mit verschiedenen Probenabmessungen betrieben werden kann, ist es möglich, nicht nur feste und viskose Materialien zu messen, sondern erlaubt auch die Messung dünner Schichten und Fasern. Die Gestalt der Proben kann rechtwinklig und zylindrisch sein, sowie die Form von Hohlstäben und Fasern haben. Die belas- tende Kraft kann zwischen 10-⁴ und 18 Newton eingestellt werden. Die daraus resul- tierende Auslenkung ist stark abhängig von der Probengeometrie und darf maximal 50 µm betragen /TAI/.

Des weiteren lassen sich unterschiedliche Messabläufe realisieren: /TAI/

- Temperaturvariation mit linearer Heizrate bei konstanter Frequenz
- Temperaturvariation mit linearer Heizrate und Frequenzdurchlauf zur Ermittlung der frequenzabhängigen Phasenübergänge im Material
- Temperaturabstufung und Halten bei konstanter Frequenz, um Temperatur- differenzen in der Probe zu vermeiden
- Temperaturabstufung und Halten bei Frequenzbestimmung für Messungen des Zeit-Temperatur Verhaltens
- Amplitudenbestimmung bei konstanter Temperatur und Frequenz zur Ermittlung des Bereichs linear-viskoelastischen Verhaltens
- isotherme Spannungs-Dehnungs-Aufnahme unter periodischer Belastung
- Kriechen und Erholung unter konstanter Belastung zur Messung der resultierenden Dehnung in Abhängigkeit von der Zeit
- Spannungsrelaxation
- TMA Mode ermöglicht es dem Nutzer, thermische Ausdehnung und Schrumpfung von Materialien unter konstanter Last zu messen.

2.2.3 Funktionen

Die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) wird für die Thermische Analyse und Rheologie von Materialien eingesetzt. Unter Thermischer Analyse versteht man die Messung von Eigenschaften einer Substanz in Abhängigkeit von der Temperatur oder Zeit. Rheologie ist die Wissenschaft des Fließens und der Deformation von Ma- terie.

Die DMA liefert somit Informationen über den Verlauf mechanischer Eigenschaften unter geringer, meist sinusförmiger dynamischer Belastung als Funktion

- der Temperatur der Probe
- der Frequenz der Belastung
- des Betrages der Belastung (Amplitude) und
- der Dauer der Belastung.

Einsatzgebiete sind die Bestimmung von: /Tho00/

- frequenz- und temperaturabhängigem dynamisch-mechanischem Verhalten
- Dämpfungsverhalten
- thermische Einsatzgrenzen
- Glasübergangstemperaturen
- Erweichungstemperaturen
- Aus- bzw. Nachhärtung
- thermischer Abbau.

Das viskoelastische Materialverhalten wurde bereits im Abschnitt 2.2.1 durch die rheologischen Grundmodelle von Feder und Dämpfer beschrieben. Die weiteren Zusammenhänge werden exemplarisch am Beispiel des Elastizitätsmo- duls E dargestellt.

Wird ein linear-viskoelastisches Material einer sinusförmigen Deformation ausgesetzt, kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen der aufgebrachten Spannung σ und der daraus resultierenden Dehnung ε um den Winkel ϕ. Die Frequenzen der Spannung und der Dehnung bleiben dabei gleich. In Abb. 2 - 10 ist dieser Sachverhalt graphisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 10: Sinusförmige Schwingung und Antwortsignal eines linear- viskoelastischen Materials, δ = ϕ =Phasenwinkel /Ehr98/

Unter periodischer Belastung speichern die Moleküle des Materials einen Teil der aufgebrachten Energie elastisch. Der Rest der Energie wird in Wärme, Schallwellen und Vibrationen umgewandelt /Agl98/. Dieses dynamisch-mechanische Verhalten wird durch den Speicher- und Verlustmodul charakterisiert. Diese Kenngrößen hän- gen neben den Messbedingungen und der Vorgeschichte vor allem von der Fre- quenz ab. Der Speichermodul E` (engl.: tensile storage modulus) ist proportional zur maximal elastisch gespeicherten Energie, und stellt somit die Steifigkeit eines visko- elastischen Werkstoffs dar. Ein Maß für die bei einer Schwingung nicht wiederge- winnbare, umgewandelte Schwingungsenergie ist das Verlustmodul E`` (engl.: ten- sile loss modulus). Die beiden Module lassen sich in komplexer Schreibweise als komplexer Elastizitätsmodul E* darstellen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei entspricht der Speichermodul E` dem Realteil und der Verlustmodul E`` dem Imaginärteil .

Eine graphische Darstellung dieses Zusammenhangs liefert Abb. 2 - 11.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 - 11: Darstellung des komplexen Elastizitätsmoduls E* durch das

Speichermodul E`, das Verlustmodul E`` und den Phasenwinkel ϕ

Der Betrag des komplexen Moduls E* bei einer bestimmten Frequenz ω errechnet sich aus

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Verhältnis zwischen Verlust- und Speichermodul wird Verlustfaktor tanϕ genannt, der die mechanische Dämpfung oder innere Reibung eines viskoelastischen Systems beschreibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein hoher tanϕ-Wert kennzeichnet ein Material mit hohem flüssigkeitsähnlichem, nichtelastischen Verformungsanteil. Elastische Materialien haben einen niedrigen tanϕ-Wert. Bei einem rein elastischen Material sind somit Spannung und Verformung phasengleich, wodurch der komplexe Modul E* dem Speichermodul E` entspricht. Bei DMA-Messungen sind die einwirkenden Beanspruchungen gerätebedingt gering, so dass sich die Werkstoffe weitgehend rein elastisch oder zumindest linear-visko- elastisch verhalten /Ehr98/. Dies ist auch zwingend notwendig, da nur in diesen Be- reichen das Hooke`sche Gesetz:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für die Ermittlung des Elastizitätsmoduls Gültigkeit hat.

Abb. 2 - 12: Schematische Darstellung des Speicher- und Verlustmoduls in Abhängigkeit von der Deformation zur Abschätzung des linear- viskoelastischen Bereichs /Ehr98/

Im linear-viskoelastischen Bereich sind Spannung und Dehnung nur noch von der Zeit abhängig.

Die Probe wird im verwendeten Versuchsaufbau an beiden Enden eingespannt und auf Biegung belastet. Der tatsächliche Spannungszustand in der Probe ist jedoch mehrachsig. Durch die feste Einspannung wird die Probe zusätzlich entlang ihrer Längsachse gedehnt. Deshalb ist es sinnvoll mit sehr kleinen Amplituden zu arbei- ten, da so sichergestellt werden kann, dass die Dehnung sehr klein bleibt. Neben Einspannklemmen, Belastungshöhe und Belastungsart gibt es weitere geräte- und probenspezifische Einflussgrößen: Temperaturprogramm, Frequenz, Probengeomet- rie, Anzugsmoment beim Einspannen und Wärmestrahlung des Ofens /Ehr98/.

2.3 Profilometer

2.3.1 Aufbau

Das für die Rauhigkeitsmessungen verwendete elektrische Tastschnittgerät Tencor P-1 Long Scan Profiler ist ein rechnergestütztes, hoch empfindliches Oberflächenmessgerät zum Messen von Rauhigkeit, Welligkeit und Stufenhöhe in den vielfältigsten Variationen. Die Rauhigkeit einer Probenoberfläche kann bis auf 10-¹⁰ m genau bestimmt werden /Ten/.

Die zu untersuchende Probe wird in der Mitte des Gerätetisches platziert und über eine Automatik unter den Messkopf gefahren. Im Messkopf befindet sich, neben ei- ner Lichtquelle und einer Kamera, ein Taststift aus Diamant. Der Radius des Taststif- tes beträgt 5 µm. Die Spitze des Taststiftes ist 880 µm hoch und wird durch automa- tisches Herabfahren des Taststiftes mit einer variablen Vorkraft auf der Probe plat- ziert. Mit Hilfe der Kamera ist es möglich, eine Startposition manuell anzufahren, und den Messverlauf zu beobachten.

Nach Festlegung von Messlänge, Bewegungsgeschwindigkeit sowie der Bewe- gungsrichtung des Tastkopfes, kann die Messung erfolgen. Der Monitor zeigt nun das Kamerabild und die Messkurve durch eine überlagerte Darstellung an. Der Tastkopf gleitet auf der rauen Probenoberfläche entlang, und wird durch jeden Höhenunterschied auf der Oberfläche ausgelenkt. Diese vertikale Bewegung des Taststiftes wird über einen kapazitiven Sensor erfasst, digitalisiert und für jeden Messpunkt gespeichert. Nach Beendigung der Messung fährt der Tastkopf automa- tisch zur Anfangsposition zurück.

Auf dem Monitor erscheinen nun Messkurve und Messdaten, die über ein Hardwareprogramm modifiziert, gespeichert und ausgedruckt werden können.

2.3.2 Funktionen

Aus dem vom Gerät ermittelten Rauheitsprofil werden wiederum geräteintern Rauhigkeitskennwerte bestimmt. Die Definitionen und Ermittlungen dieser Kennwerte wird in /DIN74/ ausführlich erklärt. Im Folgenden soll kurz auf die beiden wichtigsten Rauhigkeitskennwerte Ra und Rz eingegangen werden.

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