Beitrag zur thermoelastischen Formbarkeit von Polyäthylen PDF
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FORSCH U NGSBE RICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRH EIN -WESTFALEN Herausgegeben von Staatssekretär Prof. leo Brandt Nr. 327 Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler Dr.-Ing. Heinz Peukert Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen Beitrag zur thermoelastischen Formbarkeit von Polyäthylen Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-03542-8 ISBN 978-3-663-04731-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04731-5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e der u n g Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen . S. 4 1. Einführung S. 5 1.1 Erläuterungen zur AufgabensteIlung S. 5 . . . . 1 .2 Der Versuchswerkstoff Polyäthylen S. 5 2. Versuchsaufbau und Versuchs durchführung der Tiefziehversuche S. 8 3. Formungs- und Rückformversuche an Polyäthylenplatten S. 11 3.1 Versuchsdurchführung S. 11 3.2 Versuchs ergebnisse S. 12 3.3 Diskussion der Versuchsergebnisse •. S. 16 4. Warmreckverhalten von Polyäthylen .• S. 20 4.1 Versuchsdurchführung ..•. S. 20 4.11 Versuche bei Raumtemperatur S. 20 4.12 Versuche bei höheren Temperaturen S. 21 4.13 Mehrfachreckung und Rückformung S. 22 4.2 Versuchsergebnisse und ihre Diskussion S. 22 4.21 Temperatur- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Zugfestigkeit •.•.••. •••• S. 22 4.22 Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Dehnung •. S. 30 4.23 Spannungs dehnungs diagramme , Vorgang des Fließens, Bruchaussehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S. 35 4.24 Die Hysterese bei Mehrfachreckung und Rückformung .. s. 40 5. Schlußbetrachtung •• s. 43 6. Literaturverzeichnis S. 44 Sei te 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen Zeit bis zum Erreichen der oberen Fließgrenze Zeit bis zum Erreichen der unteren Fließgrenze Zeit bis zum Erreichen des Bruches Vorwärmzei t Rückformungszeit Formungstemperatur Vorwärmtemperatur Rückformungstemperatur Last an der oberen Fließgrenze Last an der unteren Fließgrenze Bruchlast Spannung an der oberen Fließgrenze l (J oFl bezogen auf Ursprungs S querschnitt Spannung an der unteren Fließgrenze Bruchspannung wirkliche Spannung, bezogen auf tatsächlichen Querschnitt 6 gesamte Dehnung ges tJ eingefrorene Dehnung eing rückgestellte Dehnung Orück 6 elastische Dehnung el v Zerreißgeschwindigkeit F Ursprungs querschnitt o f eingeschnürter Querschnitt h Höhe der Halbkugel der tiefgezogenen Teile h Ursprungshöhe der Halbkugel der tiefgezogenen Teile o Sei te 4 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Einführung 1.1 Erläuterungen zur AufgabensteIlung Unter Standfestigkeit soll in diesem Bericht der Gestaltänderungswider stand eines im überwiegend thermoelastischen Zustand spanlos erzeugten Formkörpers verstanden werden. Somit gehören in den Rahmen dieser Unter suchungen nur solche Erzeugnisse, die aus Platten- bzw. Rohrhalbzeug auf dem Wege der spanlosen Formgebung (Tiefziehen, Schlagpressen usw.) ent stehen. Als Ursachen für eine Gestaltsänderung kommen sowohl innere wie auch äußere Kräfte in Betracht. Da die Festigkeitseigenschaften der thermoplastischen Kunststoffe in hohem Maße von der Beanspruchungstemperatur und vom For mungszustand abhängig sind, sind also zwei Haupteinflußgrößen zu unter suchen: 1) Die mechanischen Eigenschaften von Polyäthylen in Abhängigkeit von der Temperatur 2) Die Änderung der Werkstoffeigenschaften bei der spanlosen Formgebung mit dem Formungsgrad unter besonderer Berücksichtigung der inneren Formungsspannungen. Die Überlagerung dieser beiden Einflußgrößen gibt weitgehend ein Kriterium für die Standfestigkeit eines Werkstoffes. 1 .2 Der Versuchswerkstoff Polyäthylen Polyäthylen wird schon seit Jahren in Amerika und England in einem erheb lichen Umfang hergestellt und auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt. Auch in Deutschland gewinnt dieser Werkstoff mehr und mehr an Bedeutung. Aufßrund seiner vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten als halbstarrer Werk stoff wird ihm eine außerordentliche Entwicklung vorausgesagt. Schon heute ist die Anwendung dieses Materials nur noch durch die Produktionskapazität der Kunststoffindustrie begrenzt. Polyäthylen ist ein Polymerisationsprodukt von einfachstem chemischen Auf bau, dessen Formel für das Polymere lautet: H H H H H H H I I I I I I I ,/' c _____ c ~C --""'C ~ C ~C ~C "" --- I I I I I I I H H H H H H H Sei te 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Um die späteren Ausführungen verständlich zu machen, muß zunächst einiges über den strukturellen Aufbau und die dadurch bedingten Eigenschaften des Werkstoffes gesagt werden. Thermoplaste sind in den meisten Fällen aus Fadenmolekülen in sogenannter Wattebauschstruktur aufgebaut. Die Fadenmole küle des Polyäthylens wiesen in ihrer Anordnung zueinander stellenweise eine so starke Symmetrie auf, daß man von kristallinen Bereichen spricht, wobei der Begriff "kristallin" in der Kunststoff technologie eine grundsätz lich andere Bedeutung hat als in der Metallurgie. Kristalline Bereiche bei Polyäthylen sind Werkstoffpartien in denen sich viele Fadenmoleküle ab J weichend von der Wattebauschstruktur parallel gelagert haben. Der nicht kristalline Anteil wird analog zur Metallkunde als amorph bezeichnet. Diese teilkristalline Struktur macht Polyäthylen bei Raumtemperatur halb starr, obwohl thermoelastisches Verhalten zu erwarten wäre, da die Ein friertemperatur bei _70°C liegt. Der kristalline Anteil beträgt bei Raum % % temperatur etwa 75 und fällt mit steigender Temperatur auf 0 bei etwa 110°C ab. Die Änderung des kristallinen Anteils mit der Temperatur zeigt Abbildung 1. Mit abnehmendem kristallinen Anteil, was gleichbedeutend mit zunehmender Temperatur ist, nimmt auch das spezifische Gewicht des Mate rials ab. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 2 dargestellt. [%] 100 +--------------., 75r-----__ 50 25 20 40 60 80 120 Temperatur A b b i I dun g 1 Kristalliner Anteil von Polyäthylen in Abhängigkeit von der Temperatur (nach SCHWARZ) Der kristalline Anteil kann durch Anwendung verschiedener Herstellungsver fahren weitgehend beeinflußt werden, so daß technische Produkte von ver schiedener Starrheit .erzeugt werden können. Die Verarbeitung von Poly äthylen mit hohem kristallinern Anteil ist noch verhältnismäßig schwierig. Seite 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1 ,0 0,9 0,8 0,7 -50 -25 o 25 50 75 100 125 Temperatur [OCJ A b b i 1 dun g 2 Spezifisches Gewicht von Polyäthylen in Abhängigkeit von der Temperatur (nach SCHWARZ) Polyäthylen wird nach den üblichen Verfahren für thermoplastische Kunst stoffe zu Rohren, Profilen und Platten verarbeitet. Seine wichtigsten tech nischen Anwendungsgebiete sind im Augenblick: Rohre und Behälter in der Chemietechnik, Kabelisolierungen und sonstige Bauteile in der Elektrotech nik, Folien für die Verpackungsindustrie und Beschichtungsmaterial für ver schiedene Trägerwerkstoffe. Von den Herstellerfirmen werden für Raumtemperatur eine Zerreißfestigkeit 2 % von 110 - 150 kg/cm und Bruchdehnungen von 200 bis 500 angegeben. Für die Untersuchungen standen folgende Materialien zur Verfügung: Versuchsmaterial VM I Die Polyäthylenplatten dieser Versuchsreihe waren mit bereits verarbei tetem Material verschnitten. Die Dehnwerte dieser Mischung lagen des halb wesentlich tiefer. Versuchsmaterial VM 11 Versuchsmaterial VM 111 Die Polyäthylenplatten der Versuchsreihen 11 und 111 waren aus reinem Polyäthylen verschiedener Hersteller gepreßt. Die Dicke der Versuchsplatten betrug 3 mm. Sei te 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 2. Versuchs aufbau und Versuchsdurchführung der Tiefziehversuche Die Tiefziehversuche wurden mittels einer Handpresse durchgeführt, wie sie in Abbildung 3 im Prinzip dargestellt ist. / A b b i 1 dun g 3 Schematische Darstellung der Handpresse A b b i 1 dun g 4 Zerreißmaschine mit Warmluftapparatur, daneben der Wärmeofen zum Vorwärmen der Proben Für die spanlose Formgebung wurden die Platten in einem Wärmeofen auf Glas platten liegend auf die erforderliche Formungstemperatur vorgewärmt. Die Formung zu einer Halbkugel von 80 mm Außendurchmesser erfolgte dann in einer zweiteiligen Preßform aus Schichtpreßholz. Für die Durchführung der Zerreiß- und Reckversuche stand eine Zerreißma schine der Firma Frank 1) zur Verfügung. Um bei den Temperaturversuchen Sei te 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Wärmekast en Warmluft-Schweißgeräte C\J ..- ....., ft..i ~ rl .!<: () -v H~ 220 V 1=1 A b b i 1 dun g 5 Aufbau der Versuchs anlage (schematische Darstellung) eine Abkühlung der im Wärmeofen auf Versuchstemperatur vorgewärmten Proben während des Versuches zu verhindern, mußte die Zerreißmaschine mit einer Vorrichtung versehen werden, die es gestattete, die Proben auch während des Versuches warm zu halten. Außerdem sollten die Proben während des Ver suches beobachtet werden kannen. 1. Fußnote von Seite 8: Zerreißmaschine der Firma Karl Frank G.m.b.H., Weinheim-Birkenau, 2 Lastbereiche: 0 - 10 kg und 0 - 50 kg; stufenlose Regelung der Zerreißgeschwindigkeit von 1 - 1000 mm/min; Zerreißlänge: 350 mm; Einspannung: Schraubbacken; Backenbreite: 50 mm Sei te 9
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