DE1473531C3

DE1473531C3 - Einrichtung zur Messung der rheologischen Eigenschaften elastomerer Stoffe

Info

Publication number: DE1473531C3
Application number: DE1473531A
Authority: DE
Inventors: George Elwood St. Albans W.Va. Decker (V.St.A.)
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1962-10-18
Filing date: 1963-12-12
Publication date: 1975-06-05
Also published as: DE1473523A1; DE1473531A1; DE1473523B2; DE1473531B2; DE1473523C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Theologischen Eigenschaften elastomerer Stoffe, indem eine innerhalb einer Druckkammer zumindest zu Beginn des Prüfvorgangs unter Druck gesetzte und vorzugsweise beheizte Elastomer-Probe durch eine in der Druckkammer rotierende Scheibe einer Scherbeanspruchung ausgesetzt wird und die für die Rotationsbewegung der Scheibe notwendige Drehkraft gemessen wird, wobei die Elastomer-Probe durch eine Oszillationsbewegung der Scheibe über einen kleinen Oszillationsschwenkwinkel einer Torsionswechselbelastüng ausgesetzt wird und das zur Ausübung der Torsionswechselbelastung notwendige Drehmoment und/oder der Oszillationsschwenkwinker gemessen werden, nach P 14 73 523.0-52. Aus der FR-PS 1 324 299 ist ein Schwingscheiben-Rheometer bekannt, dessen das Versuchsmaterial aufnehmende Prüfkammer einen kreisförmigen Grundquerschnitt aufweist Um die Blasenbildung im Innern des Versuchsmaterials zu verhindern, ist die Innenwand der Kammer mit Rippen versehen, die auch verhindern sollen, daß der Prüfkörper bei hohen Schermodulwerten von der Innenwand der Prüfkammer abreißt. Auch in diesem Fall bleibt jedoch der Grundquerschnitt der Kammer immer kreisförmig.

In der US-PS 2 752 778 wird ein »Rheogoniometer« beschrieben, bei dem die Probe zwischen zwei Backen angeordnet wird, wobei eine der Backen als Oszillator ausgebildet ist, der Scherkräfte auf das Versuchsmaterial ausübt. Die geometrische Form der Backen kann zwischen ebenen Platten und Zylindern, Kegeln oder anderen Formen variiert werden, ohne daß damit außer einer Modulation des Raums ein bestimmtes Ziel erreicht werden soll. Weiterhin ist keine geschlossene Kammer vorgesehen, so daß die Proben nicht unter Druck untersucht werden können.

Aus der US-PS 2 862 383 ist ein Verfahren zur Untersuchung von Geweben bzw. Stoffen bekannt, mit dem der Abnutzungswiderstand von trockenem Gewebe oder anderen flexiblen Stoffen geprüft werden soll. Dazu ist jedoch keine Druckkammer nötig, und beim Naßtest wird ein gewählter Krageneinsatz verwendet,

ίο dessen Grundquerschnitt Kreisform hat. Zwar ist auch hier die Innenwand mit Rillen versehen; dadurch ändert sich jedoch nichts an der Tatsache, daß der kreisförmige Grundquerschnitt beibehalten wird.

Bei der Durchführung des Meßverfahrens nach der Hauptanmeldung P 14 73 523.0-52, das auch in der Zeitschrift »Rubber,world«, Dezember 1962, S. 68 bis 71, beschrieben ist, ergeben sich als Kenndaten für die Elastomer-Probe sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernde Werte für das aufgewandte Drehmoment sowie

ao sich ebenfalls mit der Zeit ändernde Oszillationsschwenkwinkel. Diese Meßergebnisse müssen nun mit den üblichen Stoffkoeffizienten der Probe, insbesondere den in 300%-Modul-Einheiten ausgedrückten Werten für den Schermodul korreliert werden. Dazu wird üblicherweise bei dem Verfahren nach der Hauptanmeldung der gemessene Wert für den Modul über den Ausgangsdaten des Rheometers, insbesondere den gemessenen Drehmomentwerten aufgetragen. Dabei ergibt sich eine später noch zu erläuternde, durchgebogene Kurve, mit deren Hilfe jedem für eine Elastomer-Probe gemessenen Drehmoment ein bestimmter Wert des Moduls zugeordnet und damit die zur Erreichung einer optimalen Aushärtung nötwendigen Parameter bestimmt werden können.

Bei diesem Verfahren hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, daß zur genauen Bestimmung des Moduls mit Hilfe der gemessenen Drehmomentwerte der exakte Kurvenverlauf sehr genau bekannt sein muß, so daß wegen der gebogenen Form der Kurve relativ vie-Ie Drehmoment- und Modulmessungen durchgeführt werden müssen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das in der Hauptanmeldung vorgeschlagene Verfahren zur Messung der Theologischen Eigenschaften elastomerer Stoffe durch eine neue Einrichtung zu dessen Durchführung so zu verbessern, daß eine praktisch exakte, lineare Abhängigkeit zwischen den Modulwerten und den Meßdaten des Rheometers, insbesondere den gemessenen Drehmomenten erreicht wird. *

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer einen von der Kreisform abweichenden Grundquerschnitt aufweist

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß mit relativ wenigen Meßwerten der Aushärtungsverlauf einer Probe auch bei hohen Modulwerten fehlerfrei dargestellt werden kann, daß weiter zur Bestimmung der wesentlichen Parameter nur ein Meßwert, nämlich das Drehmoment benötigt wird und daß ferner Messungen durchgeführt werden können, weiche auch bei sehr steifen Werkstoffen eine vollständige Aushärtungskurve für ein vulkanisierbares Material unter den gleichen Bedingungen, die auch beim Aushärten des Materials unter Produktionsbedingungen vorliegen, ermöglichen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Querschnitt durch den Mit_:>

telteil eines Rheometers,

F i g. 2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Aushärtung und

F i g. 3 ein Diagramm, bei dem 300%-Modul-Einheiten gegen Rheometer-Einheiten aufgetragen sind.

Das Verfahren nach der Hauptanmeldung schafft die Möglichkeit, die vollständigen Aushärtkenndaten und die dynamischen Eigenschaften einer einzelnen Testprobe kontinuierlich während der Vulkanisation zu messen, wobei die Probe unter Druck gehalten wird. Im wesentlichen umfaßt dort das zugehörige Gerät einen zu erzwungenen Schwingungen angeregten Oszillator, der unter Druck in ein feststehendes Volumen plastischen Materials eingebettet ist. Die Einrührung und Entfernung der Probe wird durch relativ zueinander verschiebliche Ständerabschnitte ermöglicht, die sich um den Oszillator herumschließen lassen. Der Oszillator bewegt sich über einen kleinen Winkel, während die Probe erhitzt und unter Druck gehalten wird, so daß das plastische Material der Scherwirkung des Oszilla- ao Ws unterworfen ist. Spannung und Dehnung werden durch geeignete Wandler gemessen. Die Dehnung wird durch Mittel bestimmt, die das zur Aufbringung der Scherungsdeformation erforderliche Drehmoment ■> messen; die Spannung wird durch gleichzeitig vornan- as dene Einrichtungen bestimmt, die die oszillatorische Verschiebebewegung messen. Es sind Vorkehrungen getroffen, um sowohl die Frequenz als auch die Spannung ändern, zu können. Dieses Instrument bietet ein bequemes Werkzeug für die Bestimmung der Schmorzeit, der Aushärtegeschwindigkeit, der für eine optimale Aushärtung erforderlichen Zeit und der Änderung der dynamischen Eigenschaften einer Gummiprobe.

Eine senkrechte Querschnittsansicht des Mittelteiles des Rheometers ist in F i g. 1 dargestellt. Eine sinusförmig schwingende Scheibe 1 führt über einen kleinen Winkel von beispielsweise 2° Schwingungsbewegungen aus. Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Amplitude von 1 bis 6° verändern zu können. Obere und untere Matrizen oder Gesenkformen 2,2' bilden die Versuchskammer; sie sind an Metallplatten 3,3' befestigt, welche aus Aluminium gefertigt sein können. Die Platten 3, 3' werden bei bestimmter Temperatur, und zwar mit einer Toleranz von ± 1°F gehalten; diesem Zweck dient eine Temperatursteuerung, die nicht dargestellt ist. Der Hohlraum der Versuchskammer kann zum Zwecke der Einführung und Herausnahme der Versuchsprobe geöffnet werden. Die Versuchskammer ist während,des Versuches durch einen Luftzylinder 4 geschlossen gehalten. Ein Luftzylinder von 20 cm Durchmesser hat sich als ausreichend erwiesen, wobei der Druck etwa 3,5 bis 4,2 kg/cm² betragen kann. Die Größe der Versuchsprobe kann unterschiedlich gewählt werden, sie besteht jedoch gewöhnlich aus zwei Scheiben von etwa 0,6 cm Dicke und etwa 4,3 cm Durchmesser.

Es wurde nunmehr gefunden, daß eine solche kreisförmige Gestalt zu unbefriedigenden Ergebnissen führen kann, wenn der Modul des vulkanisierten Werkstoffes bestimmte Grenzwerte überschreitet, die von der Zusammensetzung des Versuchsmaterials abhän-

Um beispielsweise auswertbare oder in anderer Weise aufschlußreiche Zahlen oberhalb etwa 105 kg/cm² im Falle eines typischen Reifen-Werkstoffes aus Naturgummi mit einem Rußgehalt von etwa 50 Gewichtsteilen zu erhalten, war es erforderlich, einen nicht kreisförmigen Probekörper zu verwenden, der so geformt war, daß eine freie Rotation der Probe ausgeschaltet war. Gummi zeigt die Eigenschaft, während der Aushärtung zu schrumpfen, so daß in einer kreisförmigen Versuchskammer ein Schlupf der Gummiprobe auftreten kann, wenn die Dehnung ausreichend hoch wird. Was auch immer die Erklärung hierfür sein mag, in jedem Fall trat bei einer Versuchskammer mit quadratischer Basis oder anderer Form, die deswegen gewählt war, um durch Abgehen von der vollkommenen Kreisform einen Schlupf der Probe zu vermeiden, das Plateau der Modul-Werte, wie es bei kreisförmigen Kammern beobachtet wurde, nicht auf. Es wird an sich angestrebt, bei einem Verhältnis von Hohlraumgröße zu Rotorgröße zu arbeiten, das so groß als möglich gehalten ist. Jedoch liegen natürlich mit Bezug auf die Hohlraumgröße praktische Beschränkungen vor. Wenn die Größe des Hohlraums gesteigert wird, wird das Instrument zu sperrig und erfordert für praktische Überlegungen zuviel Versuchsmaterial. Bei Reduzierung der Rotorgröße wird ein Punkt erreicht, an dem die Signale zu schwach werden, um mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden zu können. - ■.-:·■....·■..

Die Schwingbewegung der Scheibe kann mit Hilfe eines Exzenters 5 erzeugt werden, der von einem Motor 6 mit variabler Geschwindigkeit angetrieben sein kann. Das für die Oszillation der Scheibe erforderliche Drehmoment und damit die der Gummiprobe aufzuerlegende Scherungsdeformation wird durch einen Dehnungswandler 7 gemessen.. Dieser Wandler umfaßt Spannungslehren, die mit einem Hebel 8 verbunden sind, der seinerseits die Scheibe mit dem Exzenter verbindet. Die oszillatorische Schwingungsverschiebung der Scheibe wird gleichzeitig durch einen Differential-Umwandler 9 gemessen. Dieser verwandelt die mechanische Dehnung in ein elektrisches Signal.

Die Metallplatten 3, 3' enthalten kreisförmige Heizelemente 10 und 10'. Als Beispiel für die Dimensionierung sei ein Durchmesser von 22,5 cm für.die Metall-. platten angegeben; die Tiefe des die Heizelemente und die Matrizen 2, 2' aufnehmenden Hohlraumes kann etwa 1 cm betragen; der Hohlraum für die Aufnahme der Matrize kann einen Durchmesser von etwa 10 cm besitzen. Die untere Metallplatte ruht auf einem Gehäuse 11, das mit Hilfe von Abstützstangen 13, 13' mit Bezug auf eine Zylinder-Paßplatte, 12 in ortsfester Stellung gehalten wird. Das Gehäuse seinerseits ruht auf einer Basis-Platte 14 auf. Eine Welle 15 enthält eine Futter- und Ziehstangenanordnung i6 und 16'. Die Scheibe 1 ist fest an der Welle mit Hilfe der Futter- und Ziehstangenanordnung verbunden. Eine Spindel 17 der Scheibe 1 und die öffnung des Futters sind vorzugsweise quadratisch ausgebildet; um Schlupf und Spiel im Schwingungszyklus zu vermeiden. Die Reibung der Welle während der Schwingbewegung wird durch Kugellager 18 und 18'reduziert. _;

Dadurch, daß ein festes Volumen an elastomerem Stoff derdurch einen Oszillator aufgebrachten Scherungsdeformation unterworfen wird, kann, wie oben erklärt, der Phasenwinkel bestimmt werden. Dies erfolgt dadurch, daß das zur Bewegung des Oszillators erforderliche Drehmoment kontinuierlich gemessen wird. Gleichzeitig damit wird kontinuierlich die Verschiebung des Oszillators und diejenige Phasenverschiebung gemessen, die erforderlich ist, um das Drehmomenten-Signal in Phase mit dem Spannungs-Signal zu bringen.

Die Oszillationsgeschwindigkeit der Scheibe kann je nach dem Zweck der Untersuchung in weiten Grenzen variiert werden. Im praktischen Betrieb können die verschiedensten Gegenstände aus Gummi sehr unter-

schiedlichen Verhältnissen der dynamischen Beanspruchung unterworfen sein. Im allgemeinen überdecken Frequenzen bis zu 3600 Schwingungen pro Minute den gewöhnlich interessierenden Bereich.

Es wird angestrebt, bei niederen Schwingungs-Frequenzen zu arbeiten, um so den Einfluß der Viskosität des elastomeren Stoffes möglichst klein zu halten, wenn die Aushärtkenndaten des Gummis berechnet werden sollen. Für diesen Zweck kann das Spannungs-Signal vernachlässigt und das als kontinuierliche Funktion der Zeit gewonnene Dehnungs-Signal aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnung des vollständigen, sinusförmigen Dehnungs-Signales gegen die Zeit vermittelt eine bequem auswertbare Darstellung des Fortschreitens der Aushärtung, wie dies in F i g. 2 wiedergegeben ist. Bei dieser Figur handelt es sich um ein in der Praxis mit Hilfe eines Aufzeichengerätes aufgenommenes Diagramm, wobei ein Reifenwerkstoff aus Naturgummi mit einem Sulfonamid-Beschleuniger verwendet wurde; in dem Diagramm ist das Drehmoment, z. B. in kgcm, so mit der Zeit in Beziehung gesetzt. Auf Grund einer solchen Kurve ist es einfach, die optimale Aushärtung dadurch herauszufinden, daß lediglich diejenige Zeit festgestellt wird, bei der die Steifheit ein Maximum erreicht.

Die Bedeutung der Geometrie des Hohlraumes wird durch Fig.3 illustriert, in der 300%-Modul-Einheiten gegen Rheometer-Einheiten aufgetragen sind. Gummi-Werkstoffe mit einem weiten Bereich der Modul-Werte bis zu 210 kg/cm² wurden hergestellt; jeder Punkt auf den Kurven wurde mit einem identischen Gummi-Werkstoff erhalten, wobei eine Probe im Rheometer und eine andere in einer Presse ausgehärtet wurde. Der Modul in kg/cm² wurde mit üblichen Mitteln bestimmt und auf der vertikalen (V-Achse) gegen die Rheometer-Einheiten auf der horizontalen (X-Achse) aufgetragen. Für die Gewinnung sämtlicher Rheometer-Daten wurde derselbe Rotor verwendet; die einzige Variable war die Geometrie des Hohlraumes. -

In einem Falle wurde ein zylindrischer Hohlraum mit einem Durchmesser von näherungsweise 4,3 cm benützt, während im anderen Fall ein Hohlraum von quadratischer Grundfläche mit näherungsweise 5 cm Seitenlange zur Anwendung kam. In beiden Fällen betrug die Höhe jedes Abschnittes des Hohlraumes etwa 0,6 cm, so daß der Hohlraum eine Gesamthöhe von etwa 1,2 cm aufwies. Der Rotor hatte die Gestalt eines Doppel-Kegels, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. An der gemeinsamen Grundfläche der beiden Kegel betrug der Durchmesser etwa 3,7 cm. Das Material wurde im 5» Rheometer ausgehärtet. Aus dem Maximum der Aushärt-Kurve wurde die optimale Aushärtung ausgesucht. Die der optimalen Aushärtung entsprechenden Rheometer-Einheiten wurden hierauf mit den entsprechenden Modul-Werten für die optimale' Aushärtung in Beziehung gesetzt. Die Modul-Werte wurden dadurch gewonnen, daß die Materialien während verschiedener Zeitdauern in der Form von Streifen erwärmt wurden, worauf Hantel-Versuchsstreifen zum Auslaufen gebracht wurden; hierauf wurden die Versuchsstreifen auf einer Zugprüfmaschine nach Scott gezögen. Die optimale Aushärtung wurde aufgesucht und der ihr entsprechende 300%-Mödul-Wert aufgetragen. Die Tatsache, daß die Einheiten in verschiedenen Dimensionen (kg/cm² und in Drehmoment-Einheiten, kgcm) äufgetragen sind, hat keine Bedeutung, da hier lediglich die Linearität geprüft werden soll. Aus F i g. 3 geht hervor, daß sich eine lineare Beziehung ergab; wenn die Rheometer-Daten durch Verwendung einer nicht kreisförmigen Versuchskammer gewonnen waren; bei Verwendung eines runden Hohlraumes tritt deutliche Abweichung von der Linearität auf.

Wenn auch eine Versuchskammer von quadratischer Grundfläche zweckmäßig ist und deswegen bevorzugt wird, so sind doch auch andere Formen, die dazu dienen können, einen Schlupf zu vermeiden, für die vorliegenden Zwecke geeignet. So eignen sich beispielsweise elliptische, sternförmige oder rechteckige Ausbildungen. Im allgemeinen wird eine Versuchskammer, die die Form eines Hexaeders oder Parallel-Epipedes hat, die durch eine kreisförmige Kammer gegebenen Beschränkungen vermeiden. Eine Kammer in Gestalt eines rechteckigen Parallel-Epipedes, das auch unter dem Namen Cuboid bekannt ist, läßt sich leichter herstellen als irgendeine unregelmäßige Form und wird deshalb bevorzugt.

Der Winkel, über den sich der Oszillator bewegt, ist natürlich eine Funktion- der Spannung. Der Oszillationswinkel sollte denjenigen Winkel nicht überschreiten, bei dem das Versuchsmaterial sich vom Oszillator oder von der Oberfläche der Kammer in störendem Maße abzuziehen beginnt. Insbesondere sollte dieser Winkel unter demjenigen liegen, welcher der äußersten Dehnung des Versuchsmaterials entspricht. Die numerischen Grenzen ändern sich dabei je nach dem besonderen Versuchswerkstoff und nach der Geometrie des Oszillators und der Kammer. Diese Grenzen lassen sich jedoch unter den besonderen Verhältnissen der gerade vorliegenden Situation leicht bestimmen. .

Die Erfindung wurde unter Verwendung einer oszillierenden, konischen Scheibe beschrieben. Es lassen sich jedoch auch oszillierende Zylinder oder andere Schwingglieder verwenden. Die konische Form ist für die praktische Durchführung der Erfindung in keiner Weise notwendig, sie bringt jedoch den Vorteil mit, daß die Berechnung des dynamischen Moduls aus Gründen, die aus der Literatur bekannt sind, vereinfacht wird. Bei Verwendung einer konischen Scheibe mit einander ähnlichen oberen und unteren Bereichen wird das Scherverhältnis konstant. Aufgerauhte Oberflächen werden bevorzugt, um so die Möglichkeit eines Schlupfes soweit als möglich herabzusetzen. Es ergab sich jedoch auch mit natürlichen und SBR-Gummiwerkstoffen unter Verwendung einer glatten Scheibe, die in einer Gummiprobe zur Schwingung gebracht wurde, die ihrerseits von einer mit glatten Flächen versehenen Matrize aufgenommen war; daß auch unter diesen Umständen kein Schlupf eintrat. Die Oberflächen können durch eine Kreuzschraffur aufgerauht werden. Quadratische Kreuzschraffuren mit etwa 0,75 mm Abstand und etwa 0,37 mm Tiefe sind zweckmäßig. Andererseits können auch radiale V-förmige Rillen auf der Scheibe angebracht werden. Wo von den gewonnenen Daten abzuleitende Berechnungen nicht erforderlich sind, spielt die Geometrie des Schwinggliedes keine Rolle.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann dazu dienen, die Theologischen Eigenschaften unvulWanisierter elastomerer Stoffe zu berechnen. Die Viskositäten einiger elastomerer Stoffe und Ruß-Grundmischungen sind zu groß, um von den gegenwärtig verfügbaren Instrumenten bestimmt zu werden, was beispielsweise für das Mooney-Viskosimeter gilt. Diese Schwierigkeit überwindet die erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung. Mit ihrer Hilfe können die Theologischen Eigenschaften irgendeines beliebigen Elastomeren bestimmt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Theologischen Eigenschaften elastomerer Stoffe, indem eine innerhalb einer Druckkammer zumindest zu Beginn des Prüfvorgangs unter Druck gesetzte und vorzugsweise beheizte Elastomer-Probe durch eine in der Druckkammer rotierende Scheibe einer Scherbeanspruchung ausgesetzt wird und die für die Rotationsbewegung der Scheibe notwendige Drehkraft gemessen wird, wobei die Elastomer-Probe durch eine Oszillationsbewegung der Scheibe über einen kleinen Oszillationsschwenkwinkel einer Torsionswechselbelastung ausgesetzt wird und das zur Ausübung der Torsionswechselbelastung notwendige Drehmoment und/oder der Oszillationsschwenkwinkel gemessen werden, nach Patentanmeldung P 1473 523.0-52, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) einen von der Kreisform abweichenden Grundquerschnitt aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) durch relativ zueinander verschiebbare Ständereinheiten (3, 3') gebildet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (1) Kegelform hat.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) die Form eines Cuboides aufweist.