Stefan Wenk, Laborpartner: Matthias Dzung, Philipp Baumli, Marion Frey. Spann- und Frequenzversuch mit einer Polymerschmelze

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1 Spann- und Frequenzversuch mit einer Polymerschmelze Praktikum III Versuch P3 HS Dezember 2011 Stefan Wenk Labor Partner: Matthias Dzung, Philipp Baumli, Marion Frey Assistenz: Dr. Thomas Schweizer 1

2 1. Zusammenfassung Mit PDMS wurde sowohl einen Frequenz als auch einen Spannversuch durchgeführt um die wichtigen Kenngrössen wie Komplexe Viskosität Verlust- und Speichermodul zu bestimmen. Es konnte illustriert werden, dass sich PDMS bei schnelleren Deformationen viskoser wird. Zudem verhält es sich bei langsamer Deformation wie eine Flüssigkeit und bei schneller Deformation elastisch. 2

3 2. Einleitung 2.1. Zielsetzung In diesem Versuch soll die Viskosität in Abhängigkeit der Verformungsgeschwindigkeit bestimmt werden, indem eine PDMS mit einem Rheometer gemessen wurde. 3. Theorie Bei rheologischen Oszillationsversuchen werden zwei Parameter Amplitude und Frequenz, welche zwei linear unabhängige Antwortgrössen haben: die Antwortamplitude und die Phasenverschiebung. Aus diesen beiden Antworten des Materials können Verlust- und Speichermodul berechnet werden Spannversuch Die Schergeschwindigkeit wird konstant gehalten, die Schubspannung und die Normalspannungsdifferenz hingegen wird in Abhängigkeit der Zeit gemessen bei einem Spannversuch Frequenzversuch Bei diesem Versuch bleibt die Amplitude der Schwingung konstant, die Frequenz wird über einen definierten Bereich verlangsamt. Die Probe wird harmonisch geschert und man kann mit den Messergebnissen Reptationszeit, Plateaumodul Speicher- und Verlustmodul berechnen. 4. Material und Methoden 4.1. Spannversuche PDMS 04A006 ist ein Silikonpolymer, welches für den Versuch verwendet wurde. Der Vorteil an diesem Polymer ist, dass es auch bei Raumtemperatur flüssig ist und man den Versuch dadurch nicht bei erhöhter Temperatur durchführen muss. Für den Frequenzversuch wurde ca. 2 cm 3 PDMS 04A006 in den Rheometer gegeben (Modell MCR 300), der die Temperatur konstant auf 25 C hielt. Es wurden fünf verschiedene Messungen durchgeführt, dessen eingestellte Parameter in der Tabelle 1 aufgelistet sind Frequenzversuche Um Verlust-, Speichermodul und komplexe Viskosität zu berechnen wurde das File des Praktikums verwendet, mit einem bereits durchgeführten Frequenzversuch. 3

4 Tab 1: Parameter, die für den Versuch eingestellt wurden. 4

5 1. Normalspannungsdifferenz (Pa s^2) Stefan Wenk, Laborpartner: Matthias Dzung, Philipp Baumli, Marion Frey 5. Resultate 5.1. Graphen Spannversuch Abb. 1: Zeit gegen Viskosität 1.00E E E E E E E E E NSK 1.00E Zeit (s) Abb. 2: Zeit gegen Normalspannungsdifferenz, beide Skalen logarithmisch. NSK steht für Normalspannungskoeffizient. NSK steht für Normalspannungskoeffizient. 5

6 Frequenzversuch Abb. 3: Speicher-, Verlustmodul und komplexe Viskosität in Abhängigkeit der Frequenz 5.2. Ergänzung der Tabelle im Skript Tab. 2: Charakteristische Parameter des Probenmaterials Parameter Wert Einheit Polymer PDMS - Bezeichnung 04A006 - Messtemperatur 25 C η0 2.88*10 4 Pa s ψ1,0 1.55*10 6 Pa s 2 τd = ψ1,0/2η s τd = 1/ωC (von G und G ) 1.4 s G N *10 5 Pa 6

7 6. Diskussion In Abb. 1 (Zeit gegen Viskosität) sind einige Ausreisser zu erkennen, die vermutlich Fehler des Geräts sind. Man sieht sehr schön, dass das Polymer bei grosser Deformation immer viskoser wird. Bei ganz grossen Deformationen beginnt die Kurve wieder etwas zu sinken, was auf eine inhomogene Deformation schliessen lässt. Die Kraft des Geräts kann vermutlich bei zu grosser Deformationen nicht mehr gleichmässig auf das Polymer übertragen werden. In Abb. 2 (Zeit gegen Normalspannungsdifferenz), liegt die oberste Kurve, gemessen bei einer Schergeschwindigkeit von 0.01 s -1 etwas über der berechneten Referenzkurve. Vielleicht war das Gerät nicht ganz richtig kalibriert, denn die Kurve hat mehr oder weniger den gleichen Verlauf wie die Referenzkurve. Das heisst die Normalspannungsdifferenz nimmt mit steigender Deformation zu. Auch hier sind einige Ausreisser zu erkennen, die Fehler vom Gerät sind. Bei grossen Deformationen sind die Werte sehr ungenau, da auch hier die Kraft des Geräts vermutlich nicht regelmässig auf der Probe verteilt werden konnte. In Abb. 3 ist zu sehen, dass sich PDMS bei grossen Frequenzen elastisch verhält und bei niedrigen Frequenzen wie eine Flüssigkeit, da das Material viskoelastisch ist. 7. Referenzen [1] Skript zur Praktikumsanleitung 7