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Werkstoffprüfung: Thermische Eigenschaften von Polymeren

Messmethoden zur Formbeständigkeit

Alle bekannten Verfahren verlaufen nach dem gleichen Grundprinzip. Ein definiert belasteter Probekörper wird mit konstanter Aufheizgeschwindigkeit in einem Bad (von Flüssigkeit oder Gas durchströmte Umgebung definierter Temperatur) erwärmt. Ist eine bestimmte Verformung erreicht, wird die Umgebungstemperatur dokumentiert und als Wärmeformbeständigkeit angegeben. Es ist zu beachten, dass die angegebene Temperatur nicht der Temperatur des Probekörpers entspricht.

Verfahren nach VICAT (Penetrometer-Verfahren)

Bei diesem Verfahren wird auf den waagerecht liegenden Probekörper eine mit insgesamt 10 N (Verfahren A) bzw. 50 N (Verfahren B) belastete zylinderförmige Nadel von 1 mm 2 Querschnitt aufgesetzt und die komplette Anordnung entweder im Wärmeschrank oder im Flüssigkeitsbad mit einer Temperatursteigerung von 50 K· h -1 erwärmt. Das Prüfergebnis ist erreicht, wenn die Nadel genau 1 mm tief eingedrungen ist. Die Genauigkeit des Verfahrens beträgt ±1 K. Wird die Messung in Luft durchgeführt, wie es bei manchen handelsüblichen Vicat-Nadelapparaten der Fall ist, liegt die Endtemperatur aufgrund der schlechteren Wärmeübertragung um ca. 5 bis 10 K über der im Flüssigkeitsbad ermittelten Formbeständigkeitstemperatur.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass keine besonderen Probekörper notwendig sind. Es muss nur eine Mindestdicke des untersuchten Materials von 3 mm eingehalten werden.

Abb.1
Messanordnung zur Bestimmung der Wärmeformbeständigkeit nach Vicat

Verfahren nach MARTENS

Bei diesem Verfahren wird ein Probekörper in Vierpunkt-Biegeanordnung über ein Gewicht so belastet, dass auf die beanspruchte Stablänge eine Biegespannung von 5.0 N· mm -2 ausgeübt wird. Die gesamte Versuchsanordnung befindet sich in einem Wärmeschrank, dessen Temperatur ausgehend von Raumtemperatur um 50 K· h-1 erhöht wird. Es wird diejenige Temperatur als MARTENS-Temperatur bezeichnet, bei der das freie Ende des Hebelarmes der Belastungsvorrichtung genau um 6 mm abgesunken ist. Der Messpunkt der Temperatur ist 2 bis 4 mm von der Mitte der Oberfläche des Probekörpers entfernt. In der Regel kann mit dem Verfahren nach MARTENS eine Messgenauigkeit von ± 1 K erzielt werden. Zunächst wurde die MARTENS-Zahl für vernetzte, nicht mehr plastisch erweichende Polymere (Duromere) angewendet, da sie überwiegend elastische Verformung erfasst. Bei der Untersuchung thermoplastischer Polymere ist darauf zu achten, dass die einzelnen Werkstoffe sehr unterschiedliche Formstabilität aufweisen. Bei weniger formsteifen Werkstoffen werden deshalb zu niedrige Werte erhalten.

Abb.2
Messanordnung zur Bestimmung der Wärmeformbeständigkeit nach Martens

HDT-Verfahren (heat distortion temperature)

Bei diesem Verfahren wird der zu prüfende Werkstoff in einer Dreipunkt-Biegeanordnung belastet. Das Biegemoment ist über die beanspruchte Stablänge nicht konstant, sondern nimmt von den Auflagepunkten bis zum Angriffspunkt der Einzellast zu. Im Probekörper liegt eine maximale Biegespannung von 1,80 N·mm-2 (Verfahren A), 0,45 N·mm-2 (Verfahren B) oder 5,0 N·mm-2 (Verfahren C) vor. Aufgrund der höheren Biegespannung eignet sich das Verfahren C besonders für die Prüfung hochwärmebeständiger, gefüllter und verstärkter Polymere. Die Messanordnung wird in ein Flüssigkeitsbad gegeben und zuerst in unbeheiztem Zustand belastet. Die Temperatur des Bades wird stetig um 2 K·min-1 gesteigert. Auch hier beträgt die Genauigkeit des Verfahrens ±1 K.

Die Messergebnisse der Formbeständigkeitsprüfungen sind keine allgemein gültigen Stoffeigenschaften. Vielmehr werden sie zu einer gezielten Überwachung, Kontrolle und Prüfung z.B. bei der Fertigung herangezogen.

Abb.3
Messanordnung zur Bestimmung der Wärmeformbeständigkeit nach dem HDT-Verfahren
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