3. Der Rheotens-Versuch

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1 3. Der Rheotens-Versuch Um den Verstreckungsvorgang beim Schlauchreckprozeß rheologisch untersuchen zu können, ist eine Meßmethode notwendig, die hohe Dehngeschwindigkeiten realisieren kann, die instationär arbeiten sollte, da die Dehngeschwindigkeit im Laufe des Verstreckvorgangs zunimmt, die die geometrischen Verhältnisse beim Schlauchreckverfahren möglichst gut nachstellt und die für Messungen an Hochtemperaturthermoplasten geeignet ist. Während dehnrheologische Untersuchungen an Polymerlösungen sehr stark von der Meßmethode abhängen [Obe], können für Polymerschmelzen in den beiden üblichen Dehnrheometer-Bauarten nach Münstedt [Mün] und Meißner [MeH] weitestgehend übereinstimmende Meßergebnisse für die Dehnviskosität gewonnen werden [Hep]. Für die Untersuchung des Deformationsvorgangs im Schlauchreckverfahren sind die Dehnrheometer jedoch grundsätzlich nicht geeignet, weil die im Prozeß auftretenden Dehngeschwindigkeiten die mit den Rheometern erreichbaren um mehrere Größenordnungen übersteigen. Die Ermittlung einer stationären Dehnviskosität ist nur am Rande von Interesse, denn es wird sich bei wachsender Dehngeschwindigkeit kein stationärer Zustand einstellen. Viel interessanter ist der Verlauf der Stranggeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung von der Düse, weil daraus die Entwicklung der Dehnung, der Dehngeschwindigkeit, der Zugspannung und die Fadenform berechnet werden können. Wegen ihrer hohen Schmelztemperatur können die anwendungsrelevanten Polymere PEEK und PPS nicht bzw. nur sehr eingeschränkt mit den Dehnrheometern untersucht werden. Ihr nichtlinear viskoelastisches Dehnverhalten ist daher nicht so einfach zugänglich wie z.b. bei LDPE. Eine Meßmethode, die eine dem Anwendungsprozeß vergleichbare Deformationsentwicklung bietet, wurde 1971 von Meißner [Mei,Me2] entwickelt und hat sich unter der Bezeichnung Rheotens-Versuch im einschlägigen Fachgebiet etabliert. Rheotens ist zwar ein Warenname des Meßgeräteherstellers Fa. Göttfert, jedoch ist der Name in der Fachsprache zur allgemein akzeptierten Bezeichnung für die Meßmethode geworden [z.b. RaL, WCV,WSG]

2 Ob und wie mit diesem einfachen Meßgerät ein relativ komplizierter Beschichtungsvorgang analysiert werden kann, ist die zentrale Themenstellung dieser Arbeit. 3.1 Meßprinzip Der Dehnungstester Rheotens (Abb. 3.1) verstreckt einen extrudierten Schmelzestrang mit Hilfe zweier gegenläufiger, gezahnter Walzen. Innerhalb eines bestimmten Intervalls ist die Drehzahl dieser Walzen und somit die Abzugsgeschwindigkeit v des Extrudats stufenlos einstellbar. Außer konstanten Geschwindigkeiten erlaubt der mit einem Tachogenerator gesteuerte Motor auch lineare Beschleunigungen. Die gesamte Abzugseinrichtung ist auf einem Wägebalken gelagert, mit dem die zur Verstreckung der Schmelze notwendige Kraft gemessen wird. Bei Krafteinwirkung auf den Wägebalken wird ein Federsystem ausgelenkt und die Drehung des Wägebalkens um sein Kreuzfedergelenk mit Hilfe eines induktiven Wegaufnehmers gemessen und dessen Spannungssignal in eine Kraft umgerechnet. Abb. 3.1: Funktionsprinzip des Dehnungstesters Rheotens [Mei] Als Schmelzequelle dienen z.b. ein Kapillarrheometer oder ein Extruder (wie in dieser Arbeit), wobei auf eine ausreichende Konstanz des Massestroms zu achten ist. Für alle Experimente (mit Ausnahme der LDA-Messungen in Kapitel 12) wurde ein - 7 -

3 Rheologie-Meßextrudervorsatz Rheomex 252 der Fa. Haake verwendet, der von einer Steuereinheit Rheocord 90 des selben Herstellers angetrieben wird. Es wurde eine Dreizonenschnecke mit einem Durchmesser von 19 mm und einer Länge von 30 D verwendet. An den Extruder schließt sich ein Umlenkkopf an, der den Schmelzestrom von der Horizontalen in die Vertikale nach unten bringt. An seinem Ende können Düsen verschiedener Geometrien angebracht werden. In vorgegebenem senkrechtem Abstand zur Düse steht das Rheotens-Gerät, mit dem die zur Verstreckung eines Schmelzefadens benötigte Kraft gemessen wird. Das Rheotens- Gerät, genauer der Tachogenerator und der induktive Wegaufnehmer, geben Spannungssignale aus, die über eine geeignete elektronische Meßplatine in einem Personalcomputer mit dafür vorgesehenem Meßprogramm registriert werden. Im Gegensatz zur Dehnrheometrie gilt der (beschleunigte) Rheotensversuch als ein technologisches Meßverfahren, d.h. es lassen sich keine Materialfunktionen bestimmen, weil inhomogene und vor allem instationäre Zustände vorliegen. Wegen seiner guten Reproduzierbarkeit und seines hohen Auflösungsvermögens ist der Rheotensversuch jedoch als vergleichendes Meßverfahren sehr gut anwendbar. Besonders herausragend ist zudem seine Fähigkeit, geringste Materialunterschiede, die in Scherexperimenten nicht sichtbar sind, deutlich herauszustellen. Seine Empfindlichkeit auf Chargenschwankungen wurde von der IUPAC Working Party on Commercial Polymers bestätigt [Me3, WSG]. In jüngerer Zeit wurde das Rheotensgerät konstruktiv verändert [Göt], um dem Problem der Haftung des abgezogenen Schmelzestrangs an den Walzen bei niederviskosen und stark klebrigen Schmelzen beizukommen. Dies ist sehr wichtig, weil die Kontaktreaktion der Schmelze mit den Abzugsrollen sowie die Strangführung von Bedeutung für das Abrißverhalten sind. Im Verlauf dieser Arbeit hat sich gezeigt, daß dieses Problem bei Hochtemperaturpolymeren mit geringer Schmelzeelastizität besonders stark zutage tritt (vgl. Kap. 14) 1. 1 Es ist davon auszugehen, daß diese Messungen mit dem weiterentwickelten Gerät wirklichkeitsnähere Ergebnisse liefern würden, weil apparative Einflüsse deutlich reduziert sind. Beim weiterentwikkelten Gerät befinden sich am selben Wägearm untereinander zwei Rollenpaare, wobei das obere die eigentliche Verstreckung leistet und das nachfolgende den für haftende Polymere typischen Mitnahmeeffekt verhindert. Auf ein in dieser Weise verbessertes Meßgerät konnte bei der Erstellung dieser Arbeit nicht zugegriffen werden

4 In der Schwäche des Rheotensversuchs, wegen instationärer Zustände nur ein technologisches Meßverfahren zu sein, liegt gleichzeitig seine Stärke, wenn es darum geht, instationäre Verarbeitungsprozesse zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit zeigt ausführlich einen neuen Weg auf, wie auf der Basis dieser Eigenschaft die Deformationsvorgänge bei der Drahtummantelung mit dem Schlauchreckverfahren berechnet werden können. 3.2 Beschleunigte Rheotensversuche Üblicherweise wird ein Rheotensversuch unter konstanter Beschleunigung ausgeführt. Zu Beginn des Versuchs drehen sich dabei die Abzugswalzen mit der Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Schmelzestrangs. Mit dem eigentlichen Start des Versuchs werden die Abzugswalzen linear beschleunigt, bis entweder der verstreckte Schmelzestrang abreißt oder die maximale mit dem Gerät mögliche Rollenumfangsgeschwindigkeit erreicht ist (hier 1200 mm/s). Das Ergebnis eines Rheotensversuchs unter konstanter Beschleunigung wird meist in einer Auftragung der Abzugskraft als Funktion der Abzugsgeschwindigkeit dargestellt. Ein allgemeines Beispiel für diese Art der Auftragung ist in Abb. 3.2 zu sehen

5 Abzugskraft Abzugsgeschwindigkeit Abb. 3.2: Typische Rheotens-Meßkurve für ein Polyethylen, vierfach wiederholt Darin sind zwei charakteristische Größen ablesbar, die zur Beurteilung des Dehnverhaltens einer Schmelze dienen: Die beim Abriß des Schmelzefadens erreichte Abzugsgeschwindigkeit ist ein Maß für die Verstreckbarkeit und die maximale Kraft liefert eine Relativangabe für die Schmelzefestigkeit. Typischerweise steigt die Abzugskraft mit wachsender Abzugsgeschwindigkeit zunächst steil an. Die Steigung der Kurve nimmt immer mehr ab und strebt einem Kraftniveau ( Plateauwert ) entgegen, bis der Schmelzefaden schließlich so weit verstreckt ist, daß er abreißt. Häufig tritt beim Rheotensversuch eine hydrodynamische Instabilität auf, die sogenannte Abzugsresonanz (draw resonance), die sich in beschleunigten Messungen im höheren Abzugsgeschwindigkeitsbereich als periodische Schwingungen der Meßkurve mit wachsender Amplitude äußert (s. Kap. 7). Dieses Phänomen ist auch im Endbereich der Rheotenskurven in Abb. 3.2 deutlich zu sehen. Parallel dazu sind Fluktuationen im Strangdurchmesser zu beobachten. Eingehend untersucht wurde die Abzugsresonanz in der Literatur, z.b. [GhE]. Im Rahmen dieser Arbeit werden alle beschleunigten Experimente viermal wiederholt (s. Abb. 3.2), um Aufschluß über die Reproduzierbarkeit generell und die Lage des Abrißpunktes im speziellen zu erhalten

6 Neben der in Abb. 3.2 gezeigten Auftragung ist zur Klärung einiger Fragestellungen (s. z.b. Kapitel 7) auch eine Darstellung der Zugspannung als Funktion des Abzugsverhältnisses v/v 0 aussagekräftig (s. Abb. 3.3). Sie heißt auch Technisches Dehnungsdiagramm. Die Zugspannung errechnet sich aus der Abzugskraft F, dem Abzugsverhältnis und dem Düsenquerschnitt A 0 wie folgt: F A v = (Gl. 3.1) 0 v 0 Zugspannung σ Abzugsverhältnis v/v 0 Abb. 3.3: Typische Rheotens-Meßkurve für ein Polyethylen, Auftragung als technisches Dehnungsdiagramm, vierfach wiederholt. In dieser Auftragung ist die Meßkurve zunächst linksgekrümmt und erreicht bereits bei kleinem Abzugsverhältnis eine konstante Steigung. Das bereits erwähnte Phänomen Abzugsresonanz erscheint in ähnlicher Form wie in Abb

7 3.3 Unbeschleunigte Rheotensversuche Außer den Messungen unter konstanter Beschleunigung der Abzugswalzen sind auch Messungen bei konstanter Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit der Abzugswalzen möglich und sinnvoll. Es handelt sich dabei aber nicht wirklich um stationäre Zustände, weil in axialer Richtung keine konstante Deformationsgeschwindigkeit vorliegt. Eine treffendere Bezeichnung wäre unbeschleunigte Messung oder Messung bei konstanter Abzugsgeschwindigkeit. Unbeschleunigte Messungen dienen u.a. zur Bestimmung der Verstreckbarkeitsgrenzen einer Polymerschmelze unter bestimmten Bedingungen. Bei unbeschleunigten Messungen wird keine Meßkurve aufgezeichnet, sondern die gewünschte konstante Abzugsgeschwindigkeit wird von Hand eingestellt und das angezeigte Meßsignal für die Abzugskraft notiert, nachdem sich ein zeitlich konstanter Wert eingestellt hat. Bei der Bestimmung der Verstreckbarkeitsgrenzen tritt häufig Abzugsresonanz auf, so daß die gemessene Kraft periodisch pendelt. Hier ist jedoch weniger die Abzugskraft interessant, sondern vielmehr, ob bei der vorgegebenen Geschwindigkeit der Strang abreißt oder nicht, bzw. welche Geschwindigkeit die höchste ist, mit der der Strang ohne abzureißen verstreckt werden kann. Diese Geschwindigkeit sei als Grenzgeschwindigkeit bezeichnet. Eine Beobachtungsdauer von einer Minute hat sich hierbei als sinnvoll und praktikabel erwiesen, weil nach geringer Überschreitung der Grenzgeschwindigkeit der Abriß stets innerhalb weniger Sekunden eintritt. Mehrere Wiederholungsmessungen zeigen, ob bei der gefundenen Grenzgeschwindigkeit tatsächlich kein Abriß auftritt. Das generelle Fehlen von Fehlerbalken in den Auftragungen zu Grenzgeschwindigkeiten erklärt sich also direkt aus der Beschreibung dieser Vorgehensweise, da nur eine einzige Geschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Eine Rheotenskurve aus einer beschleunigten Messung und eine Rheotenskurve, die aus vielen einzelnen unbeschleunigten Meßwerten bei verschiedenen Abzugsgeschwindigkeiten zusammengesetzt wird, unterscheiden sich nicht prinzipiell (siehe Anhang A-2). Aufgrund von Trägheitseffekten können im Experiment bei großen Beschleunigungen jedoch Differenzen auftreten. Die zumeist verwendete Beschleunigung a=2,4 mm/s 2 führt nicht in erkennbarem Maße zu derlei Erscheinungen