Relaxationsverhalten Ermittlung

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Relaxationsverhalten Ermittlung

Beanspruchungsarten für Spannungsrelaxationsexperimente

Das Relaxationsverhalten von Kunststoffen kann unter unter Zug-, Biege- und Druckbeanspruchung [1] oder mit der instrumentierten Härtemessung [2-4] ermittelt werden. Voraussetzung ist die Messung der zeitabhängigen Kraft und die Messung der Deformation zur Kontrolle der Konstanz der Prüfbedingungen. Die Belastung des Prüfkörpers, ausgedrückt durch die konstante Dehnung ε₀, sollte für verschiedene Deformationsstufen variierbar sein. Zur Realisierung dieser Belastungsstufen können Zeitstand-Prüfstände oder einfache Universalprüfmaschinen genutzt werden, wobei diese zur Sicherung konstanter Prüfbedingungen mit Temperierkammern ausgestattet sein sollten. Unter ökonomischen und zeitlichen Gesichtspunkten sollten dabei mindestens 10 Einzelprüfstände verfügbar sein, die entweder mit variabler Deformation bei identischer Temperatur oder mit gleichem Verformungslevel aber gestaffelten Temperaturen betrieben werden. Zur Bestimmung der Spannungsrelaxation zu festgelegten Zeitpunkten muss jedes Prüfsystem mit elektromechanischen Kraftmesszellen ausgerüstet sein, die über einen angeschlossenen Rechner im Multiplex-Betrieb abgefragt werden (Bild 1). Moderne Prüfsoftware kann zudem zu Beginn der Experimente und kurz vor dem Bruch des Prüfkörpers die Daten der Kraftmesszellen (siehe: Piezoelektrischer Kraftaufnehmer) in kürzeren Intervallen (Variable Sampling Rate) abfragen, so dass in diesen Versuchsstadien eine höhere Datendichte gewährleistet wird.

Bild 1:

Schematische Darstellung der Erfassung der zeitabhängigen Spannungsrelaxation von Kunststoffen unter Zugbeanspruchung a), Biegebeanspruchung b) und Druckbelastung c)

Auswertung von Spannungsrelaxationsversuchen

Da der Auswertealgorithmus unabhängig von der Art der Beanspruchung (Dehnung, Randfaserdehnung oder Stauchung) identisch ist, wird hier nur die allgemeine Vorgehensweise nach der Registrierung der Zeit-Spannungs-Linien erläutert. Basis der Auswertung von Spannungsrelaxationsexperimenten ist die Registrierung der Kraftabnahme bis zu einem festgelegten Zeitpunkt oder zum Bruch des Prüfkörpers, was entscheidend durch die eingestellte Verformung und die Prüftemperatur der Prüfeinrichtung beeinflusst wird (Bild 2).

Bild 2:

Technische Variante des Zeitstand-Prüfstands zur Ermittlung des Spannungsrelaxationsverhaltens [1]

Problematisch ist bei der Untersuchung des Zeitstandrelaxationsverhaltens, dass derzeitig keine Norm zur Prüfung von Kunststoffen verfügbar ist. Der Auswertealgorithmus kann deshalb nur anhand der zurückgezogenen Norm DIN 53441 [5] dargestellt werden. Aus den registrierten Zeit-Spannungs-Linien, die in doppelt-logarithmischem Maßstab aufgetragen werden, wird der Relaxationsmodul E_r entsprechend der allgemeinen Gl. (1) aus der zeitabhängigen Spannung und der vorgegebenen Dehnung für die Zug- und Druckbelastung berechnet. Bei der Dreipunktbiegebeanspruchung ist dann die Gl. (2) anzuwenden.

Bild 3:

Schema von Zeit-Spannungs-Linien a) und Relaxationsmodul-Zeit-Linien b) im Zeitstandrelaxationsversuch [1]

$E_{r}(t)={\frac {\sigma (t)}{\varepsilon }}$

(1)

$E_{r}(t)={\frac {F(t)L^{3}}{4bh^{3}s}}$

(2)

In Analogie zum Kriechmodul E_c hat der Relaxationsmodul E_r Bedeutung als Konstruktionskennwert, da er die Abminderung der Steifigkeit von der Belastungsdauer und der Zeit berücksichtigt. Da die Unterschiede zwischen beiden Moduli aufgrund identischer molekularer Prozesse gering sind, kann aber bei Dimensionierungsaufgaben näherungsweise der Kriechmodul verwendet werden, zumal dessen Ermittlung standardisiert ist. Weitere Informationen zum Relaxationsmodul sind in [6] enthalten.

Literaturhinweise

[1]	Höninger, H.: Statisches Langzeitverhalten. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 182–192 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	Fröhlich, F., Grau, P., Grellmann, W.: Performance and Analysis of Recording Microhardness Tests. Phys. stat. sol. (a) 42 (1977) 79–89, DOI: https://doi.org/10.1002/pssa.2210420106
[3]	Grellmann, W.: Ermittlung der Härte von Gläsern und Keramiken. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (1978) (Inhaltsverzeichnis als pdf)
[4]	May, M., Fröhlich, F., Grau, P., Grellmann, W.: Anwendung der Methode der registrierenden Mikrohärteprüfung für die Ermittlung von mechanischen Materialkennwerten an Polymerwerkstoffen. Plaste und Kautschuk 30 (1983) H. 3 S. 149–153 Download als pdf
[5]	DIN 53441 (1984): Prüfung von Kunststoffen – Spannungsrelaxationsversuch (zurückgezogen)
[6]	Bierögel, C., Grellmann, W.: Long-term Loading Test. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landoldt Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) S. 286−331 (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)