En jämförelse mellan 3-punktsböjning och dragmodi
Materialet Polykarbonat
Polykarbonat är ett termoplastiskt material och - när det inte är förstärkt med partiklar eller fibrer - mjuknar det extremt vid högre temperaturer. För att kunna bestämma temperaturberoendet för de mekaniska egenskaperna eller glasomvandlingstemperaturen krävs vissa testgeometrier och speciella testförhållanden.
Experimentell
En Eplexor® 500 N (bild 1) utrustad med en 500 N kraftgivare och en värmekammare (-160°C upp till 500°C) används för undersökningar av polykarbonat (PC vit).
3-punktsböjning
För många tillämpningar används vanligen 3-punktsböjningstestet. Eftersom PC börjar mjukna mycket "tidigt", d.v.s. redan många grader under glastemperaturen (Tg), tenderar PC-provet att sjunka ned under sin egen vikt och nudda botten innan glastemperaturen har uppnåtts (bild 2). Det antar till och med konturen av 3-punktsbockningshållaren (här: spännvidd 30 mm)! Denna effekt följer med alla böjhållare oberoende av deras spännvidd. PC-prover som utsätts för böjningsprov genomgår komplexa deformationer (samtidig sträckning-skjuvning-bockning) i temperatursvep. Beroende på materialet kan deformationen börja redan vid temperaturer som ligger 10 till 30°C under glastemperaturen. De deformationsprocesser som ett prov genomgår i ett böjprov skiljer sig för alla temperaturer från de som sker i ett dragprov. Vid böjprov kommer därför energiavledningen att vara högre än vid dragprov eftersom det finns fler energiavledande processer. Detta resultat motiverar förväntningen att högre tanδ-värden uppstår vid böjning än vid dragprovning, även om provmaterialet är detsamma.
Dragprov
Det bättre alternativet för dynamisk-mekanisk analys av PC är dragprovet. Alla dragprov måste uppfylla följande krav:
- Övervinna den inneboende tendensen till sammandragning av provet vid högre temperaturer
- Säkerställa provets planhet (= förhindra buckling)
Lämpligt konfigurerade PC-dragprov minimerar tyngdkraftens inverkan på provets form. Konventionella dragprov ger större statiska belastningar än dynamiska belastningar. På så sätt undviks växlande belastningar under provcyklerna och därmed förhindras buckling av provet. Om man kan vidta vissa åtgärder för att utesluta risken för buckling, behöver man inte följa denna regel! I så fall kan både den statiska och den dynamiska belastningen väljas fritt för att överensstämma med experimentets behov. Knäckning uppstår inte när korta prover (med en mätlängd på några millimeter) och small deformationer (på mikrometrisk skala) används i dragprov. Sådana konfigurationer tillämpas när temperatursvepningar utförs på PC.
Testförhållanden
De PC-prover som används för dragprov är 9,5 mm breda, 3 mm tjocka och 30 mm långa. Det ger en mätlängd på ca 10 mm och lämpar sig för töjningskontrollerade dynamiska belastningar. En låg statisk kraftamplitud (kontaktkraft) håller PC-provet rakt hela tiden under testet när inga datapunkter samlas in. Som jämförelse utförs också ett 3-punkts böjprov (statisk töjning 3%, dynamisk töjning 1%, kontaktkraft 1 N ± 0,5 N, spännvidd 30 mm).
Figur 3 visar dragkraftens betydande inverkan på provets form i tre exempel. Den måste förhindra sammandragning och får inte förlänga PC-provet avsevärt. Det är uppenbart att kontaktkraftnivåerna 0,5 N (figur 3, vänster och figur 3, mitten) och 0,75 N inte är tillräckliga. Det är kontaktkraftnivån på 1 N (figur 3, höger) som håller provet rakt och inte förlänger det alltför mycket.
Faktum är att den kraft som krävs för att begränsa krympningen beror på materialet och provets tvärsnittsarea!
Statiska deformationer på 50 μm (0,5% statisk töjning) och dynamiska deformationer på 10 μm (0,1% dynamisk töjning) kan detekteras väl och orsakar inte buckling i dragprov. Det valda läget för töjningskontroll håller deformationsamplituderna konstanta vid alla temperaturer genom att variera motsvarande statiska och dynamiska kraftnivåer med förändrad temperatur (2°C/min, frekvens: 10 Hz).
Resultat av mätning
Temperaturberoendet för elasticitetsmodulen |E*| och tanδ visas i figur 4 för ett dragprov och ett 3-punktsböjprov.
Elasticitetsmodulen |E*| vid låg temperatur uppvisar ett värde på ca 2300 MPa i båda fallen. Maximum för tanδ-kurvan ligger runt 166,5°C (Tg). Vid temperaturer under 25°C skiljer sig de visade modulerna |E*| avsevärt. Dämpningen tanδböjning är högre eftersom fler olika deformationsprocesser är aktiva än vid dragprovning. Böjningsmodulerna |E*| är mindre meningsfulla eftersom provets ursprungliga dimensioner används för beräkningen av dem, men den faktiska formen skiljer sig mycket från den.
Vid dragprovning minskar provets tvärsnittsarea gradvis vid förhöjda temperaturer på grund av provets töjning. Under förutsättning att provets volym är konstant när det belastas med töjning kan den verkliga (=korrigerade) tvärsnittsarean bestämmas om den faktiska töjningen mäts. Den resulterande modulen |E*| refererar till den korrigerade tvärsnittsarean.
Slutsats
Dragprovet ger bättre definierade provningsförhållanden för dynamiskt-mekaniska analyser av termoplastiska material som - när de inte är armerade - mjuknar betydligt redan 20 °C eller 30 °C under Tg. Provets form bevaras över hela temperaturintervallet mycket bättre i dragprov än i böjprov. De geometriska antaganden som görs för beräkning av de dynamiska mekaniska egenskaperna uppfylls i högre grad i dragprovsgeometrin - ett viktigt skäl till att föredra dragprov i experimentell praxis.