Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der elastischen Eigenschaften von PTFE mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) im Temperaturbereich von –150 °C bis 325 °C.
Zur Charakterisierung der PTFE-Proben wurde deren Oberflächenrauhigkeit mit einem Tastschnittgerät ermittelt.
An zehn Proben aus PTFE und PTFE-Compounds mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Herkunft, wurden DMA-Messungen bei zwei Frequenzen (1 Hz, 10 Hz) und einer konstanten Amplitude (5 µm) vorgenommen. Die gemessenen Verläufe des Speichermoduls E` und des Verlustfaktors tan(Delta) liegen beim Vergleich mit Literaturwerten im zu erwartenden Bereich.
Die zwei Umwandlungen in den amorphen Bereichen des teilkristallinen PTFE bei 127 °C und –97 °C, sowie die Phasenumwandlungen in den kristallinen Bereichen bei 19 °C und 35 °C, konnten nachvollzogen werden. Die bereits bekannte Abhängigkeit des Speichermoduls und des Verlustfaktors von der Frequenz und der Zusammensetzung der Proben, konnte über einen breiten Temperaturbereich für eine umfassende Anzahl reiner PTFE-Werkstoffe und PTFE-Compounds, modifiziert sowie unmodifiziert, bei zwei verschiedenen Messfrequenzen ermittelt werden. Die Messergebisse aus den DMA-Messungen wurden mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen und eingeordnet. Nicht zugeordnet werden konnte bei allen Proben ein Dämpfungspeak im tan(Delta)-Verlauf im Temperaturbereich von 187 °C bis 280 °C.
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
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Ermittlung der elastischen Eigenschaften von PTFE und verschiedenen PTFE-Compounds mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA), um die konstruktive Auslegung von Dichtungen für eine bei tiefen Temperaturen arbeitende Mühle zu ermöglichen.
- Untersuchung des viskoelastischen Verhaltens von PTFE unter Temperaturbelastung.
- Durchführung von DMA-Messungen an zehn verschiedenen PTFE-Probenvarianten.
- Analyse der Einflüsse von Temperatur, Frequenz und Materialzusammensetzung.
- Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit der Proben als qualitätssichernde Maßnahme.
- Vergleich der Messergebnisse mit Literaturdaten zur Validierung der Materialkennwerte.
Auszug aus dem Buch
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 mechanisch-thermischen Eigenschaften des PTFE im Bezug zu denen bei Normalbedingungen. Für die konstruktive Ausführung der Stabdichtung ist die Kenntnis der elastischen Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Darstellung des Forschungskontextes zur Ultrafeinmahlung und der Notwendigkeit der Charakterisierung von PTFE-Dichtungen für den Tieftemperaturbereich.
2 Grundlagen: Erläuterung der Materialeigenschaften von PTFE sowie Funktionsweise und theoretischer Hintergrund der Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA) und Profilometrie.
3 Versuchsdurchführung: Beschreibung der Probenauswahl, der Probenpräparation sowie der methodischen Vorgehensweise bei Rauhigkeits- und DMA-Messungen.
4 Versuchsauswertung: Präsentation und Analyse der experimentellen Daten inklusive der Ermittlung von Rauhigkeitskennwerten und der Auswertung der DMA-Graphen.
5 Diskussion der Ergebnisse: Vergleich der eigenen Messergebnisse mit vorhandenen Literaturdaten zur Validierung der gewonnenen Erkenntnisse über den Speichermodul und Verlustfaktor.
6 Fehlerbetrachtung: Qualitative Analyse potenzieller Fehlerquellen unterteilt in probenspezifische und gerätespezifische Einflüsse auf die Messergebnisse.
7 Zusammenfassung: Abschließender Überblick über die Zielsetzung, die durchgeführten Untersuchungen und die erreichten Ergebnisse der Studienarbeit.
Schlüsselwörter
PTFE, PTFE-Compounds, Dynamisch-Mechanische Analyse, DMA, Elastizitätsmodul, Speichermodul, Verlustfaktor, Glasübergang, Tieftemperatur, Ultrafeinmahlung, Werkstoffprüfung, Oberflächenrauhigkeit, Polymer, Phasenumwandlung, Kältetechnik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der elastischen Eigenschaften verschiedener PTFE-Werkstoffe, um deren Eignung als Dichtungsmaterial für Tieftemperaturanwendungen in einer speziellen Mühle zu bewerten.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die Materialkunde von teilkristallinen Polymeren (PTFE), die physikalischen Grundlagen der Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA) sowie deren praktische Anwendung zur Bestimmung mechanischer Kennwerte in Abhängigkeit von Temperatur und Frequenz.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das primäre Ziel ist die Ermittlung des elastischen Verhaltens von PTFE und PTFE-Compounds im Temperaturbereich von -150 °C bis +325 °C, um die konstruktive Auslegung von Dichtungen bei extremen Temperaturen sicherzustellen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Hauptmethode ist die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA), ergänzt durch Oberflächenrauhigkeitsmessungen mit einem Profilometer zur Charakterisierung der Probenbeschaffenheit.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Messverfahrens, die detaillierte Beschreibung der Versuchsplanung und -durchführung, die Auswertung der gewonnenen Graphen sowie die kritische Diskussion der Ergebnisse im Vergleich zur Fachliteratur.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie DMA, Speichermodul, Glasübergang, PTFE-Compounds, Kristallinitätsgrad und Tieftemperaturverhalten charakterisiert.
Warum ist eine Kalibrierung des DMA-Geräts für diese Versuche essenziell?
Da Messungen im extremen Temperaturbereich von -150 °C bis +325 °C durchgeführt werden, ist eine exakte Kalibrierung (Position, Kraft, Temperatur) notwendig, um gerätebedingte Abweichungen zu minimieren und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
Welchen Einfluss hat die Füllstoffart auf das elastische Verhalten von PTFE?
Die Arbeit zeigt, dass Füllstoffe wie Glasfasern oder E-Kohle den Speichermodul über den gesamten Temperaturbereich erhöhen, wobei die Art des Füllstoffs auch das Dämpfungsverhalten und die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs maßgeblich beeinflusst.
- Citation du texte
- Stefan Kirchberg (Auteur), 2002, Ermittlung der elastischen Eigenschaften von PTFE und PTFE-Compounds mittels Dynamisch-Mechanischer-Analyse (DMA), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/295786
