Änderungen der mechanischen Eigenschaftswerte thermoplastischer Kunststoffe bei Beanspruchung in verschiedenen Medien

60 Pages·1956·1.941 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler (auth.)

FORSC H U NGS BERICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORD RH EIN -WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt
Nr.287
Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler
Änderungen der mechanischen Eigenschaftswerte
thermoplastischer Kunststoffe
bei Beanspruchung in verschiedenen Medien
aus dem
Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk
an der Rhein.·Westf. Technischen Hochschule Aachen
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG I KOLN UND OPLADEN
1956
ISBN 978-3-663-03510-7 ISBN 978-3-663-04699-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04699-8
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
I. Einführung in die Versuchsaufgabe · · · · · 5
S~
II. Versuchsmaterial und ermittelte Kenngrößen S. 5
. .
III. Versuchseinrichtungen und Maschinen · · · · s. 6
IV. Versuchsdurchführung · · · · · · S. 8
. .
V. Auswertung der Messungen · · S. 12
VI. Versuchsauswertung · · · · · · · · s. 13
1 • Einfluß der Lagerung in den Medien auf die Festigkeit
.
der Schweißstäbe · · · · · · · · · · · · · s. 13
2. Einfluß der Lagerung in den Medien auf die Quellung
.
der Schweißstäbe · · · · · · · · s. 19
3. Einfluß der Lagerung in den Medien auf die beim
Zerreißen auftretende bleibende Fließdehnung · · · S. 32
4. Einfluß der Lagerung in den Medien auf die Färbung
.
der Proben · · · · · · · · s. 33
VII. Zusammenfassung und Beurteilung der Versuchsergebnisse S. 33
VIII. Protokolle · · · · · · · · · · · · · · · · s. 36
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Zusammenstellung der Bezeichnungen
Bezeichnung Dimension Formel
Probenlänge 1 mm
Probendurchmesser d mm
bzw. -dicke
Probenzahl n
Tauchzeit der Proben Z h
Probengewicht bei Z=O Go g
Probengewicht bei Z=T g
Gewichtsdifferenz g G - Go
T
2 . 1t'd 2
Oberfläche der Proben o mm n l'1rd + 2n -4-
.
Quellung q g/m2 G/o 106
maximale Quellung 0/00 G~2000 Std) . 103
Go
Quellung Q nach 355 Std. 0/00 G~355 Std·2 . 103
Go
Zeit bis zum Erreichen
z sec
der oberen Fließgrenze
Last an der oberen
Fließgrenze bzw. Zer P kg
reißlast
Fließdehnung ~. 100
1
Festigkeit der Proben
obere Fließspannung kg/cm2
Größte negative Festig kg/cm2
( -ll~) % C' _C' 0
keitsdifferenz max oder T=O T •
Festigkeitsdifferenz (11 0') 2000 kg/cm2 C' - - C'
% T-2000 T=O
nach T = 2000 Std. oder
Std.
C" - C"
T=2000 T=O
100
----~--------.
C" T=O
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. Einführung in die Versuchsaufgabe
Es ist heute noch üblich, den harten thermoplastischen Werkstoff Polyvinyl
%
chlorid (kurz Hart-PVC) mit Zusatzstäben aus PVC mit 8 bis 12 Weichma
chergehalt unter Heißgaseinwirkung zu verschweißen. Durch den Weichmacher
zusatz wird der Erweichungspunkt des PVC erniedrigt, wodurch der Schweiß
vorgang erheblich erleichtert wird, ohne daß die Kurzzeitfestigkeit bei
Raumtemperatur eine bemerkenswerte nachteilige Beeinflussung erfährt. Es
ist aber bekannt, daß der Weichmachergehalt auf die chemische Beständig
keit des PVC von Einfluß ist. Da in den bisher bekanntgewordenen Unter
suchungen immer wieder herausgestellt wurde, daß reines Hart-PVC eine
höhere chemische Resistenz aufweist, schien es uns erforderlich, den
Schweißwerkstoff der Heißgasschweißung näher zu untersuchen. Die Schweiß
naht ist wegen ihrer, teilweise in der Natur der Heißgasschweißung lie
genden Sprödigkeit ohnehin eine gefährdete Stelle der Hart-PVC-Konstruk
tion. Diese schwache Stelle unterliegt also wegen des Weichmachergehaltes
im Schweißdraht noch einem höheren chemischen .Angriff. Die Höhe und Art
%
des Einflusses bei den niedrigen Weichmachergehalten bis 20 ist noch
nicht eindeutig ermittelt worden.
In diesen Untersuchungen sollen die Eigenschaftsänderungen von PVC-Schweiß
stäben mit verschiedenen Weichmachergehalten ermittelt werden, die sich
durch Lagern in aggressiven Medien ergeben, um Schlüsse auf die Eigenschaf
ten der Schweißkonstruktionen ziehen zu können.
Im allgemeinen wird die Schädigung nach als zulässig erachtet, die gleich
der durch Wasser von 40 °c hervorgerufenen Schädigung über längere Zeit
ist. Diese Vergleichswerte mußten also in Parallelversuchen ermittelt
werden.
11. Versuchsmaterial und ermittelte Kenngrößen
Die Versuche wurden mit Schweißstäben der Firma Dynamit-Actien-Gesell
schaft, Troisdorf, durchgeführt. Die Schweißdrähte unterschieden sich
durch Weichmachergehalt und Gleitmittelzusätze und wurden für Untersu
chungszwecke hergestellt.
Folgende Schweißdrahtansätze aus Hart-PVC standen zur Verfügung:
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Ansatz I: 2 3 4 5 6 7 8
Weichmachergehalt in % 4 8 12 20 16 o o
Diese Schweißstäbe hatten einen Durchmesser von 3 mm und wurden auf der
Kreissäge zu Proben von 120 mm Länge zerschnitten. An Proben mit diesen
Abmessungen wurden alle Versuche durchgeführt.
Die Untersuchungen wurden mit folgenden Medien und Temperaturen durchge
führt:
Medium Versuchstemperatur
konz. Salzsäure Raumtemperatur
%
Schwefelsäure 60 11
Kalilauge 45 % "
Methylalkohol 96 % "
%
Seifenlösung 2 "
Wasser
In diesen Medien wurden die PVC-Proben gelagert und nach Lagerzeiten von
0, 100, 200, 500, 1.000 und 2.000 Stunden je folgende Materialkenngrößen
ermittelt:
1. Quellung q in g/m2; das ist die Gewichtsaufnahme bzw. -abnahme der
Probe bezogen auf 1 m2 der Probenoberfläche.
2. Obere Fließspannung C in kg/cm2; das ist die Spannung, bei der ein
bleibendes thermoplastisches Fließen des Werkstoffes beginnt bzw. die
Probe zu Bruch geht. Als Belastungszeit bis zum Erreichen dieser Fließ
grenze wurde in Anlehnung an die übliche Festigkeitsprüfung 1 Minute
gewählt.
3. FließdehnungÖ; das ist die bleibende Dehnung, die eine Probe nach
dem Zerreißen im ausgeflossenen Bereich aufweist.
4. Maximale Quellung Q (in 0/00); das ist die Gewichtszunahme bzw.
max
-abnahme nach einer Lagerung von 2.000 Std. in einem Medium bezogen
auf das Gewicht der Probe vor Einwirkung des Mediums.
111. Versuchs einrichtungen und Maschinen
Die Quellversuche im Wasser wurden in einem Ultrathermostaten der Firma
Gebr. Haake, Berlin, mit etwa 10 I Inhalt durchgeführt. Die Versuchs-
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A b b i 1 dun g 1
Ultrathermostat mit Proben im Probenständer
temperatur war bis auf eine Abweichung von ~ 0,3 oe vom Sollwert genau
regelbar. Die Proben wurden in einem Ständer direkt in dem temperierten
Wasser aufgestellt. Das umgepumpte Wasser umspülte die Proben ständig.
Die Aufstellung der Proben erfolgte so, daß sie einander nicht berührten.
Thermostat und Ständer sind in Abbildung 1 dargestellt.
Die Versuche mit den anderen 5 Medien wurden bei Raumtemperatur durchge
führt. Jeweils 7 1 der verwendeten Medien wurden in Glasbehälter der Aus
senabmessungen 20 x 20 x 50 cm gefüllt. Die Glasbehälter standen in eirem
Versuchsraum mit etwa 20 + 2 oe Temperatur. Die Versuchsproben wurden in
Ständern aus pve so angeordnet, daß sie frei standen, sich also nicht ge
genseitig berührten, und dann mit den Ständern unter den Flüssigkeits
spiegel gedrückt (vgl. Abb. 2).
Zum Wiegen der Proben stand eine Mettler-Analysenwaage der Firma E. Mett
ler, Zürich, Type E - 5 zur Verfügung. Mit dieser Waage konnte das Ge
wicht in g bis auf 1/10.000 g mit Sicherheit abgelesen werden. Die Dicken
messung wurde mit einer Schieblehre durchgeführt, so daß eine Genauigkeit
von etwa 0,05 mm erreicht wurde.
~
Die Festigkeitsprüfung der Versuchsproben erfolgte auf einem Festigkeits
prüfer der Firma Karl Frank G.m.b.H., Weinheim-Birkenau. Die Meßbereiche
der Maschine gingen von 0 bis 20 und 0 bis 100 kg Prüflast bei einer Ablese-
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A b b i I dun g 2
Glasbehälter mit Proben im Probenständer
genauigkeit von 50 bzw. 100 g. Für die Versuche fand der Meßbereich von
obis 100 kg Anwendung. Der Zerreißvorschub war mechanisch und stufenlos
von 5 bis 1.000 mm/min regelbar.
IV. Versuchsdurchführung
Die Proben wurden von den 3 mm dicken gespritzten Schweißstäben mit der
Kreissäge auf 1 = 120 mm Länge abgesägt und ihre genaue Dicke d bestimmt.
Für einen Meßpunkt, d.h. eine bestimmte Beanspruchungszeit Teines Schweiß-
drahtansatzes in einem bestimmten Medium, wurden jeweils n 5 Proben
gewählt.
Vor dem Wiegen der Proben wurden die PVC-Späne, die etwa vom Sägen her
noch an den Proben hafteten, entfernt und dann das Gesamtgewicht Go der
5 Proben bestimmt. Darauf wurden die Proben in den Probenhaltern den
Versuchsmedien ausgesetzt und die Beanspruchungszeiten T in den Medien
aufgenommen.
Nach Ablauf der Zeit T wurden die Proben aus den Medien genommen und durch
Hin- und Herrollen auf Löschpapier oberflächlich abgetrocknet. Durch eine
nachfolgende einstündige Lagerung der Proben bei Raumtemperatur sollte
die letzte oberflächlich anhaftende Feuchtigkeit abtrocknen. Daran an-
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
schließend wurden die Proben gewogen, um das Gesamtgewicht G der 5 Ein
T
zelproben nach der Quellung zu bestimmen.
Vor dem Zerreißen der Proben, das innerhalb 48 Stunden nach der Quellung
erfolgte, wurden auf den Proben mit einer Schablone und einem weichen
Bleistift Markierungen in Abständen von 10 mm angebracht, die zur Bestim
0
mung der bleibenden Dehnung dienten. Die Proben wurden mit selbstspan
nenden Froschklemmen in der Zerreißmaschine so eingespannt, daß eine freie
Dehnstrecke von ca. 80 mm entstand. Der Zerreißvorschub wurde so gewählt,
daß die obere Fließgrenze bzw. der Bruch in 1 Minute erreicht wurde. Man
erhielt so die obere Fließlast, die über den Probenquerschnitt in die
obere Fließgrenzspannung umgerechnet wurde. An den geflossenen Proben
0
wurde nach dem Zerreißen die bleibende Dehnung im geflossenen Bereich
der Probe mit dem Maßstab bestimmt.
In einem Vorversuch wurde für das Medium "Methylalkohol und die Ansätze
11
%
5 und 9 mit den Weichmachergehalten von 20 bzw. 0 der Verlauf der Quel
lung q über der Lagerzeit nach der Einwirkung des Mediums ermittelt. Die
Proben wurden also 450 Stunden bei Raumtemperatur in Methanol gelagert,
nach diesen 450 Stunden, wie beschrieben, abgetrocknet und dann in be
stimmten Zeitabständen gewogen. Als Ergebnis sind in den Abbildungen 3
und 4 über der im logarithmischen Maßstab aufgetragenen Zeit die Quel
lungen der Proben aufgetragen. Man erkennt, daß nach einer Stunde in
beiden Fällen die Steigungen der Kurven so gering sind, daß Ungenauig
keiten in der Lagerzeit nach der Quellung vor dem Wiegen der Proben sich
auf das Gewicht und damit auf die zu bestimmende Quellung kaum auswirken.
Nach unserer Erfahrung darf angenommen werden, daß der Einfluß der übrigen
Medien auf die Schweißdrähte auch der anderen Ansätze ähnlich ist.
Der Einfluß der Lagerzeit nach der Quellung vor dem Zerreißen wurde eben
falls in einem Testversuch untersucht. Jeweils 5 Proben der Ansätze 5
und 9 mit 20 bzw. 0 %W eichmachergehalt wurden nach einer Beanspruchungs
zeit von 450 Stunden in Methylalkohol vor dem Zerreißen bei Raumtempera
tur verschieden lange gelagert. Die dabei erzielten Ergebnisse sind in
der Tabelle (s. Seite 11) zusammengefaßt.
Die Zahlenwerte der Tabelle lassen erkennen, daß z.B. bei Lagerung in
Methylalkohol die Zeit, die zwischen der Entnahme aus dem Medium und der
Prüfung liegt, keinen Einfluß auf die Festigkeit ausübt. Die geringen
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Verlauf der Quellung nach der Einwirkung von Methylalkohol T=45o
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Verlauf der Quellung nach der Einwirkung von Methylalkohol T=45o
%
Ansatz 5; 20 Weichmacher
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