En sammenligning mellem 3-punktsbøjning og trækmodi
Materialet polykarbonat
Polykarbonat er et termoplastisk materiale, og når det ikke er forstærket med partikler eller fibre, bliver det ekstremt blødt ved højere temperaturer. For at bestemme temperaturafhængigheden af de mekaniske egenskaber eller glasovergangstemperaturen kræves der visse testgeometrier og særlige testbetingelser.
Eksperimentel
En Eplexor® 500 N (figur 1) udstyret med en 500 N kraftsensor og et termisk kammer (-160 °C op til 500 °C) bruges til undersøgelser af polykarbonat (PC hvid).
3-punkts bøjning
Til mange anvendelser er 3-punkts bøjningstesten almindeligt anvendt. Fordi PC begynder at blive blødgjort meget "tidligt", dvs. allerede mange grader under glastemperaturen (Tg), har PC-prøven en tendens til at synke ned under sin egen vægt og røre bunden, før glastemperaturen er nået (figur 2). Den følger endda konturen af 3-punktsbøjningsholderen (her: spændvidde 30 mm)! Denne effekt følger med alle bøjningsholdere uafhængigt af deres spændvidde. PC-prøver, der udsættes for bøjningstest, gennemgår komplekse deformationer (samtidig strækning-forskydning-bøjning) i temperatursvingninger. Afhængigt af materialet kan deformationen allerede starte ved temperaturer, der ligger 10 til 30 °C under glastemperaturen. Deformationsprocesserne, som en prøve oplever i en bøjningstest, adskiller sig for alle temperaturer fra dem, der forekommer i en træktest. Derfor vil energispredningen i bøjningstest være højere end i træktest, fordi der findes flere energispredningsprocesser. Dette resultat retfærdiggør forventningen om, at der i bøjningstilstand forekommer højere tanδ-værdier end i træktest, selv om testmaterialet er det samme.
Trækprøvninger
Det bedste alternativ til dynamisk-mekanisk analyse af pc'er er træktest. Alle trækprøver skal opfylde følgende krav:
- Overvinde den iboende tendens til sammentrækning af prøven ved højere temperaturer
- Sikre prøvens planhed (= forhindre knæk)
Passende konfigurerede PC-træktest minimerer tyngdekraftens indflydelse på prøvens form. Konventionelle træktests anvender større statiske belastninger end dynamiske belastninger. På den måde undgår man vekslende belastninger under testcyklusserne og forhindrer dermed, at prøven knækker. Hvis man kan træffe visse foranstaltninger for at udelukke muligheden for knæk, er der ingen grund til at følge denne regel! I så fald kan både den statiske og den dynamiske StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning vælges frit, så den passer til forsøgets behov. Faktisk opstår der ikke knæk, når der anvendes korte prøver (med en længde på nogle få millimeter) og small deformationer (på mikrometerskalaen) i træktest. Sådanne konfigurationer anvendes, når der udføres temperatursweeps på pc.
Testbetingelser
De pc-prøver, der bruges til træktest, er 9,5 mm brede, 3 mm tykke og 30 mm lange. Det giver en målelængde på ca. 10 mm, og det viser sig at være velegnet til tøjningskontrollerede dynamiske belastninger. En lav statisk kraftamplitude (kontaktkraft) holder pc-prøven lige på alle tidspunkter af testen, når der ikke indsamles datapunkter. Til sammenligning er der også udført en 3-punkts bøjningstest (statisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning 3 %, dynamisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning 1 %, kontaktkraft 1 N ± 0,5 N, spændvidde 30 mm).
Figur 3 viser den betydelige indflydelse, som spændingskraften har på prøvens form i 3 eksempler. Den skal forhindre sammentrækning og må ikke forlænge PC-prøven væsentligt. Det er tydeligt, at kontaktkraftniveauerne på 0,5 N (figur 3, venstre og figur 3, midten) og 0,75 N ikke er tilstrækkelige. Det er kontaktkraftniveauet på 1 N (figur 3, højre), der holder prøven lige og ikke forlænger den for meget.
Faktisk afhænger den nødvendige kraftbegrænsende krympning af materialet og prøvens tværsnitsareal!
Statiske deformationer på 50 μm (0,5 % statisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning) og dynamiske deformationer på 10 μm (0,1 % dynamisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning) kan registreres godt og vil ikke forårsage knæk i spændingstests. Den valgte strain control-tilstand holder deformationsamplituderne konstante ved alle temperaturer ved at variere de tilsvarende statiske og dynamiske kraftniveauer med skiftende temperaturer (2 °C/min, frekvens: 10 Hz).
Resultater af målinger
Temperaturafhængigheden af det elastiske modul |E*| og tanδ er vist i figur 4 for en træk- og en 3-punktsbøjningstest.
Det elastiske modul |E*| ved lav temperatur udviser en værdi på ca. 2300 MPa i begge tilfælde. Maximum for tanδ-kurven er placeret omkring 166,5 °C (Tg). Ved temperaturer under 25 °C er de viste moduli |E*| meget forskellige. Dæmpningen tanδbending er højere, fordi flere forskellige deformationsprocesser er aktive end i spændingstests. Bøjningsmodulerne |E*| er mindre meningsfulde, fordi prøvens oprindelige dimensioner bruges til at beregne dem, men den faktiske form afviger meget fra den.
Ved træk falder prøvens tværsnitsareal gradvist ved forhøjede temperaturer på grund af forlængelsen af prøven. Under antagelse af en konstant prøvevolumen, når den er belastet, kan det reelle (=korrigerede) tværsnitsareal bestemmes, hvis den faktiske forlængelse måles. Det resulterende moduli |E*| refererer til det korrigerede tværsnitsareal.
Konklusion
Træktesten giver bedre definerede testbetingelser for dynamisk-mekaniske analyser af termoplastiske materialer, som - når de ikke er forstærkede - blødgøres betydeligt allerede ved 20 °C eller 30 °C under Tg. Prøveformen bevares over hele temperaturområdet meget bedre i træktest end i bøjningstest. De geometriske forudsætninger for beregning af de dynamiske mekaniske egenskaber opfyldes i højere grad i træktestgeometrien - en vigtig grund til at foretrække træktest i eksperimentel praksis.