Technologie
Mechanische Eigenschaften
Desmopan® und Texin® lassen sich anhand einer ganzen Reihe an mechanischen Eigenschaften beschreiben, von der Steifigkeit bis hin zur Dehnbarkeit unter Druck.
Der Härtegrad von Desmopan® und Texin®-Typen reicht von 60–98 Shore A bis 30–75 Shore D. Desmopan® und Texin® zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Bruchdehnung aus, aber diese Eigenschaften sind nur im Rahmen der Materialbeschreibung von Bedeutung. In der Praxis sind die Dehnungswerte im kleinen Verformungsbereich entscheidend. Dank seiner hohen Reiß- und Weiterreißfestigkeit in Verbindung mit seiner Elastizität bieten Desmopan® und Texin® eine ausgezeichnete Verschleißresistenz. Unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel nasser Abrieb, können Desmopan® und Texin® sogar eine längere Lebensdauer erzielen als hochwertiger Stahl.
Steifigkeit
Das breite Spektrum an Rohstoffen und teils patentierten Herstellprozessen macht es möglich, Desmopan® mit einem breiten Spektrum an Elastizitätsmoduln herzustellen. Der Bereich bis 2000 MPa wird von nicht verstärkten Typen abgedeckt. Verstärkte thermoplastische Polyurethane (RTPU) (z. B. Desmovit®) können auch höhere Moduln erreichen.
Die unten stehende Grafik zeigt den Elastizitätsmodul für thermoplastische Polyurethane und RTPU im Vergleich zu anderen technischen Kunststoffen.
Die unten stehende Grafik zeigt den Elastizitätsmodul für thermoplastische Polyurethane und RTPU im Vergleich zu anderen technischen Kunststoffen.
Der Elastizitätsmodul wird ermittelt, indem gemäß DIN 53504 ein Zugtest an einer S1-Probe gemäß DIN EN ISO 3167 bei einer Testrate von 2 mm/min durchgeführt wird. Der Elastizitätsmodul wird aus dem Verhältnis von Spannung zu Dehnung entlang der Anfangssteigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve berechnet.
Für Kunststoffe haben Labortests gezeigt, dass der Elastizitätsmodul von folgenden Parametern abhängig ist:
• Orientierung der Makromoleküle und Füllstoffe
• Temperatur
• Feuchtigkeitsgehalt
• Spannungsrate und -dauer
• Geometrie der Probe
• Testaufbau
Steifigkeit als Temperaturfunktion
Das Verhältnis zwischen Steifigkeit und Temperatur wird in den folgenden beiden Diagrammen für verschiedene Rohmaterialien und Härtegrade angegeben.
Shore-Härte A und D
Die Shore-Härte ist ein charakteristischer Wert für die Materialeigenschaften von Elastomeren und Kunststoffen. Sie ist in den Normen DIN 53505 und DIN EN ISO 868 festgelegt. Der „Shore-Durometer“, der zum Testen der Shore-Härte verwendet wird, besteht aus einem federbelasteten Eindringkörper, und die resultierende elastische Einbuchtung ist umgekehrt proportional zur Shore-Härte des Materials. Die Härteskala reicht von 0 bis 100. Ein hoher Wert steht für eine hohe Härte.
Die Stärke des zu testenden Materials sollte mindestens 4 mm betragen (erfahrungsgemäß sind 6 mm wünschenswert). Es ist erlaubt, dünnere Teile des Materials zu stapeln; diese müssen aber in engem Kontakt stehen. Bezüglich der Werte bezieht sich eine Shore-A-Härte auf weiche Elastomere. Der Härtetester für diesen Bereich besitzt eine stumpfe Spitze. Wenn Werte von über 90 Shore A gemessen werden, sollte der Härtetester für Shore D verwendet werden. Die Shore-D-Härte bezieht sich auf härtere Elastomere oder Kunststoffe. Der Tester für diesen Bereich besitzt ein spitzes Ende. Wenn Werte von unter 20 D gemessen werden, sollte der Härtetester für Shore A verwendet werden. Desmopan® ohne Weichmacher kann eine Härte von 60 Shore A bis 85 Shore D erreichen. Bitte beachten Sie, dass zusätzliche Beschichtungen wie Wachs auf Oberflächen zu einer Penetration (und nicht zu einer Einbuchtung) der Oberfläche führen. Derartige Zusätze können daher zu inkorrekten Ergebnissen führen. Wir empfehlen, Materialproben vor dem Test mit Alkohol zu reinigen. Nachdem die Materialprobe vollständig getrocknet ist, kann der Test unter Standardbedingungen durchgeführt werden (23 °C/50 % rel. Feucht.).
Die Stärke des zu testenden Materials sollte mindestens 4 mm betragen (erfahrungsgemäß sind 6 mm wünschenswert). Es ist erlaubt, dünnere Teile des Materials zu stapeln; diese müssen aber in engem Kontakt stehen. Bezüglich der Werte bezieht sich eine Shore-A-Härte auf weiche Elastomere. Der Härtetester für diesen Bereich besitzt eine stumpfe Spitze. Wenn Werte von über 90 Shore A gemessen werden, sollte der Härtetester für Shore D verwendet werden. Die Shore-D-Härte bezieht sich auf härtere Elastomere oder Kunststoffe. Der Tester für diesen Bereich besitzt ein spitzes Ende. Wenn Werte von unter 20 D gemessen werden, sollte der Härtetester für Shore A verwendet werden. Desmopan® ohne Weichmacher kann eine Härte von 60 Shore A bis 85 Shore D erreichen. Bitte beachten Sie, dass zusätzliche Beschichtungen wie Wachs auf Oberflächen zu einer Penetration (und nicht zu einer Einbuchtung) der Oberfläche führen. Derartige Zusätze können daher zu inkorrekten Ergebnissen führen. Wir empfehlen, Materialproben vor dem Test mit Alkohol zu reinigen. Nachdem die Materialprobe vollständig getrocknet ist, kann der Test unter Standardbedingungen durchgeführt werden (23 °C/50 % rel. Feucht.).
Glasübergangstemperatur
Die Glasübergangstemperatur Tg (auch bekannt als Glastemperatur oder Transformationstemperatur) bezeichnet den Übergang eines amorphen, glasähnlichen oder teilkristallinen Polymers mit höherem oder niedrigerem Härtegrad in einen gummiartigen oder zähflüssigen Zustand. Dieser Übergang findet nicht spontan statt. Stattdessen besitzt das Polymer einen sogenannten anfänglichen Erweichungsbereich von etwa 50 K. Das Phänomen der Glasübergangstemperatur wird durch Gefrieren oder Auftauen von ziemlich langen Kettensegmenten (20 bis 50 Atomketten) in den Makromolekülen herbeigeführt. Die Makrokonformation hingegen erfährt keinerlei Veränderung, wenn die Glasübergangstemperatur erreicht ist.
Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) hat verschiedenste Anwendungen, darunter die Bestimmung folgender Werte:
• Viskoelastische Materialeigenschaften, beispielsweise Moduln und den Verlustfaktor tan (δ)
• Temperaturen, die das viskoelastische Verhalten charakterisieren
• Dämpfung
• Insbesondere die Glasübergangstemperatur (für die die DMA die empfindlichste Methode darstellt)
• Frequenzabhängiges mechanisches Verhalten von Materialien
Bei der DMA (Analyse des Zugmoduls / des Elastizitätsmoduls) wird die Materialprobe (die unter konstanter Vorspannung steht, die vom Speichermodul abhängig sein kann) einer sehr kleinen, sich ändernden sinusförmigen mechanischen Beanspruchung bei Temperaturschwankungen unterzogen. Dieser Aufbau führt zu einer Verformung der Probe mit gleicher Periode. Zu den gemessenen Parametern gehörten die Kraftamplitude, die Verformungsamplitude und die Phasenverschiebung Δ φ zwischen dem Kraft- und dem Verformungssignal. Die Vorspannung stellt sicher, dass die Materialprobe bei negativer dynamischer Verformungsamplitude ausreichend unter Spannung steht. Als Ergebnis liefert die dynamisch-mechanische Analyse den komplexen Modul der Probe. Voraussetzung dafür ist, dass die Probe in keinem Fall außerhalb des linear-elastischen Bereichs (Hookescher Bereich) belastet wird; siehe Abbildung 1. Die Proben können auf drei verschiedene Weisen reagieren:
• Rein elastische Proben reagieren ohne Verzögerung auf die angelegte Kraft, der Phasenwinkel ist φ = 0. Sie schwingen verlustfrei.
• Rein viskose Proben erreichen ihr Deformationsmaximum im Nulldurchgang der Kraft. Ihr Phasenwinkel beträgt: φ = π/2 (90°). Sie wandeln die Anregungsenergie vollständig in Wärme um.
• Viskoelastische Materialien, wie Desmopan®, zeichnen sich dadurch aus, dass die Verformung der Probe mit einer gewissen Verzögerung der einwirkenden Kraft folgt. Für den Phasenwinkel Δ φ gilt deshalb 0 < φ < π/2. Je größer der Phasenwinkel, desto ausgeprägter ist die Dämpfung der Schwingung.
• Viskoelastische Materialeigenschaften, beispielsweise Moduln und den Verlustfaktor tan (δ)
• Temperaturen, die das viskoelastische Verhalten charakterisieren
• Dämpfung
• Insbesondere die Glasübergangstemperatur (für die die DMA die empfindlichste Methode darstellt)
• Frequenzabhängiges mechanisches Verhalten von Materialien
Bei der DMA (Analyse des Zugmoduls / des Elastizitätsmoduls) wird die Materialprobe (die unter konstanter Vorspannung steht, die vom Speichermodul abhängig sein kann) einer sehr kleinen, sich ändernden sinusförmigen mechanischen Beanspruchung bei Temperaturschwankungen unterzogen. Dieser Aufbau führt zu einer Verformung der Probe mit gleicher Periode. Zu den gemessenen Parametern gehörten die Kraftamplitude, die Verformungsamplitude und die Phasenverschiebung Δ φ zwischen dem Kraft- und dem Verformungssignal. Die Vorspannung stellt sicher, dass die Materialprobe bei negativer dynamischer Verformungsamplitude ausreichend unter Spannung steht. Als Ergebnis liefert die dynamisch-mechanische Analyse den komplexen Modul der Probe. Voraussetzung dafür ist, dass die Probe in keinem Fall außerhalb des linear-elastischen Bereichs (Hookescher Bereich) belastet wird; siehe Abbildung 1. Die Proben können auf drei verschiedene Weisen reagieren:
• Rein elastische Proben reagieren ohne Verzögerung auf die angelegte Kraft, der Phasenwinkel ist φ = 0. Sie schwingen verlustfrei.
• Rein viskose Proben erreichen ihr Deformationsmaximum im Nulldurchgang der Kraft. Ihr Phasenwinkel beträgt: φ = π/2 (90°). Sie wandeln die Anregungsenergie vollständig in Wärme um.
• Viskoelastische Materialien, wie Desmopan®, zeichnen sich dadurch aus, dass die Verformung der Probe mit einer gewissen Verzögerung der einwirkenden Kraft folgt. Für den Phasenwinkel Δ φ gilt deshalb 0 < φ < π/2. Je größer der Phasenwinkel, desto ausgeprägter ist die Dämpfung der Schwingung.
Abb. 1 Testaufbau zur Bestimmung von:
• Erweichung, Wärmeformbeständigkeit
• Glasübergangstemperaturen
• Weichmachende Wirkung
• Niveau der Moduln
• Phaseneigenschaften
• Morphologie, Kristallisation und Schmelzen
• Strömungsprozess
Testparameter:
• Erhitzen von 0,1 K/min bis hin zu 10 K/min; anpassbar
• Temperaturbereich: -150 °C bis +300 °C
• Frequenz: 0,01 bis 20 Hz in 1-2-5 Sequenzen, anpassbar
• Stärke der Materialprobe: 0,1 bis 2 mm
• Erweichung, Wärmeformbeständigkeit
• Glasübergangstemperaturen
• Weichmachende Wirkung
• Niveau der Moduln
• Phaseneigenschaften
• Morphologie, Kristallisation und Schmelzen
• Strömungsprozess
Testparameter:
• Erhitzen von 0,1 K/min bis hin zu 10 K/min; anpassbar
• Temperaturbereich: -150 °C bis +300 °C
• Frequenz: 0,01 bis 20 Hz in 1-2-5 Sequenzen, anpassbar
• Stärke der Materialprobe: 0,1 bis 2 mm
Abbildung 2 zeigt den Speichermodul für verschiedene Polymer-Typen. Wenn der Speichermodul auf einen leicht höheren Wert als die Glasübergangstemperatur fällt und bis zur Zersetzungstemperatur auf diesem Level bleibt (das heißt, das Material bleibt über den gesamten Temperaturbereich, in dem es über der Glasübergangstemperatur verwendet wird, relativ fest), ist es wahrscheinlich ein ziemlich robustes, vernetztes, kurzkettiges Polymer.
Wenn der Speichermodul deutlich in den Bereich der Glasübergangstemperatur fällt und dann bis zur finalen Erweichung auf einem mehr oder weniger hohen Level bleibt, handelt es sich um ein Elastomer mit variierendem Vernetzungsgrad oder ein thermoplastisches Elastomer (z. B. ein thermoplastisches Polyurethan), je nachdem, ob bei der finalen Erweichung eine Zersetzung stattfindet oder nicht. Wenn der Speichermodul auch unterhalb der Glasübergangstemperatur mit variierender Geschwindigkeit weiter sinkt, ist das Material ein nicht vernetztes Polymer mit hoher oder niedriger Molekülmasse.
Das ist die Standardmethode für die (mechanische / thermische) Bestimmung der Glasübergangstemperatur, der weichmachenden Wirkung, der Phaseneigenschaften oder Multiphasen-Systemen und ihrer entsprechenden morphologischen Strukturen, der Mischbarkeit von Polymeren und der Schmelz- und Kristallisationseigenschaften von teilkristallinen Phasen. Sie ermöglicht insbesondere eine Analyse der verschiedenen Gründe für die Erweichung sowie eine Zuordnung zu molekularen Prozessen (Glasprozess) einer amorphen Phase oder Schmelzung (kristalline Phasen).
Wenn der Speichermodul deutlich in den Bereich der Glasübergangstemperatur fällt und dann bis zur finalen Erweichung auf einem mehr oder weniger hohen Level bleibt, handelt es sich um ein Elastomer mit variierendem Vernetzungsgrad oder ein thermoplastisches Elastomer (z. B. ein thermoplastisches Polyurethan), je nachdem, ob bei der finalen Erweichung eine Zersetzung stattfindet oder nicht. Wenn der Speichermodul auch unterhalb der Glasübergangstemperatur mit variierender Geschwindigkeit weiter sinkt, ist das Material ein nicht vernetztes Polymer mit hoher oder niedriger Molekülmasse.
Das ist die Standardmethode für die (mechanische / thermische) Bestimmung der Glasübergangstemperatur, der weichmachenden Wirkung, der Phaseneigenschaften oder Multiphasen-Systemen und ihrer entsprechenden morphologischen Strukturen, der Mischbarkeit von Polymeren und der Schmelz- und Kristallisationseigenschaften von teilkristallinen Phasen. Sie ermöglicht insbesondere eine Analyse der verschiedenen Gründe für die Erweichung sowie eine Zuordnung zu molekularen Prozessen (Glasprozess) einer amorphen Phase oder Schmelzung (kristalline Phasen).
Abbildung 3 zeigt den Modul für ein im Handel erhältliches TPU. Die Messungen wurden unter Verwendung von erzwungenen Schwingungen bei einer konstanten Messfrequenz von 1 Hz bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt.
Der Glasübergang bei maximalem Verlustmodul E” wird deutlich; die Glasübergangstemperatur kann mit einer Präzision von 0,1 °C bestimmt werden, da sie hier über ein Maximum definiert wird. Die zweistufige Erweichung des TPU ist auf das Schmelzen einer teilkristallinen Weichphase zurückzuführen, die auf eine umfassende Erweichung einer amorphen Hartphase folgt. Molekular gesehen unterscheidet sich der Glasprozess grundlegend vom Schmelzen eines Materials. Der Glasprozess ist ein kooperativer, molekularer Entspannungsprozess von Hauptkettensegmenten des Polymers, das eine Aktivierungsenergie basierend auf dem Zeit-Temperatur-Äquivalenzprinzip besitzt und daher bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Anregungsfrequenzen aufweist. Die Temperatur, bei der ein Material während des Schmelzvorgangs erweicht, hängt jedoch nur von der spezifischen Schmelztemperatur ab und nicht von der Frequenz der dynamischen Anregung.
In der Abbildung 4 unten wird der Elastizitätsmodul eines ausgewählten Desmopan®-Typen mit dem eines gegossenen PU und eines harten Thermoplasts (ABS) verglichen.
Der Glasübergang bei maximalem Verlustmodul E” wird deutlich; die Glasübergangstemperatur kann mit einer Präzision von 0,1 °C bestimmt werden, da sie hier über ein Maximum definiert wird. Die zweistufige Erweichung des TPU ist auf das Schmelzen einer teilkristallinen Weichphase zurückzuführen, die auf eine umfassende Erweichung einer amorphen Hartphase folgt. Molekular gesehen unterscheidet sich der Glasprozess grundlegend vom Schmelzen eines Materials. Der Glasprozess ist ein kooperativer, molekularer Entspannungsprozess von Hauptkettensegmenten des Polymers, das eine Aktivierungsenergie basierend auf dem Zeit-Temperatur-Äquivalenzprinzip besitzt und daher bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Anregungsfrequenzen aufweist. Die Temperatur, bei der ein Material während des Schmelzvorgangs erweicht, hängt jedoch nur von der spezifischen Schmelztemperatur ab und nicht von der Frequenz der dynamischen Anregung.
In der Abbildung 4 unten wird der Elastizitätsmodul eines ausgewählten Desmopan®-Typen mit dem eines gegossenen PU und eines harten Thermoplasts (ABS) verglichen.
Das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul und der Shore-A-Härte sowie die Grenzen eines linearen Verlaufs werden in Abbildung 5 angezeigt. Es wird deutlich, dass der Elastizitätsmodul (oder „Steifigkeit“) eine akkuratere Methode darstellt, das Verhalten eines Materials zu beurteilen (insbesondere durch die Finite-Elemente-Methode oder FEM), als die Bestimmung der Shore-A-Härte, die weitgehend eingesetzt wird, da sie einfacher zu ermitteln ist.
Zugfestigkeit
Das Testen der Zugfestigkeit kommt zum Einsatz, um das Verhalten von Kunststoffen unter uniaxialer Belastung zu beurteilen. Der Vorteil des Zugfestigkeitstests besteht darin, dass er auch das Prüfen dehnbarer Materialien bis hin zum kompletten Riss ermöglicht. Der Elastizitätsmodul ist der für den Vergleich verschiedener Materialien verwendete Parameter und stellt eine Messung der Steifigkeit dar. Der Test wird in der Regel bei 23 °C durchgeführt. Desmopan® erreicht sehr hohe Zugfestigkeitswerte. Selbst die weichsten Typen erreichen fast immer einen Wert von 25 MPa. Bei mittleren bis harten Typen sind Zugfestigkeitswerte zwischen 50 und 60 MPa möglich. Als typisches TPU schneidet Desmopan® deutlich besser ab als sämtliche anderen TPE-Klassen.
Testergebnisse für Desmopan®:
Spannung und Dehnung, darunter:
• Spannungsmodul Et [MPa]
• Modul bei 100 % Dehnung (MPa)
• Modul bei 300 % Dehnung (MPa)
• Bruchspannung σB [MPa]
• Bruchdehnung εB [%]
• Weitere charakteristische Werte auf Anfrage
Standards: DIN 53504, gemessen an S1-Probe mit Verschiebungsrate von 200 mm/min.
Testergebnisse für Desmopan®:
Spannung und Dehnung, darunter:
• Spannungsmodul Et [MPa]
• Modul bei 100 % Dehnung (MPa)
• Modul bei 300 % Dehnung (MPa)
• Bruchspannung σB [MPa]
• Bruchdehnung εB [%]
• Weitere charakteristische Werte auf Anfrage
Standards: DIN 53504, gemessen an S1-Probe mit Verschiebungsrate von 200 mm/min.
Weiterreißfestigkeit
Der Weiterreißfestigkeitstest wird verwendet, um die Strukturfestigkeit zu ermitteln.
Der Test wird gemäß der Norm DIN ISO 34-1Bb an gewinkelten Proben mit Einschnitt durchgeführt. Diese werden senkrecht zum Einschnitt mit einer Geschwindigkeit von 500 mm/min gezogen, bis sie zerreißen. Die Weiterreißfestigkeit [kN/m] ist der Quotient aus der höchsten erreichten Kraft und der Materialstärke der Probe.
Ergebnisse der Testmethode:
• Weiterreißfestigkeit [kN/m Materialstärke]
In Bezug auf seine Weiterreißfestigkeit liegt Desmopan® weit über den meisten Kunststoffen. Sehr weiche Typen erreichen Werte von etwa 30 – 40 kN/m, wohingegen sehr harte Typen Werte von über 200 kN/m erreichen können.
Der Testaufbau des Weiterreißfestigkeitstests wird in dem unten stehenden Diagramm angezeigt.
Der Test wird gemäß der Norm DIN ISO 34-1Bb an gewinkelten Proben mit Einschnitt durchgeführt. Diese werden senkrecht zum Einschnitt mit einer Geschwindigkeit von 500 mm/min gezogen, bis sie zerreißen. Die Weiterreißfestigkeit [kN/m] ist der Quotient aus der höchsten erreichten Kraft und der Materialstärke der Probe.
Ergebnisse der Testmethode:
• Weiterreißfestigkeit [kN/m Materialstärke]
In Bezug auf seine Weiterreißfestigkeit liegt Desmopan® weit über den meisten Kunststoffen. Sehr weiche Typen erreichen Werte von etwa 30 – 40 kN/m, wohingegen sehr harte Typen Werte von über 200 kN/m erreichen können.
Der Testaufbau des Weiterreißfestigkeitstests wird in dem unten stehenden Diagramm angezeigt.
Druckverformungsrest
Der Druckverformungsrest (DVR) gibt den Verformungsanteil des Testmaterials an. Einige Testverfahren für Elastomere, wie der Zugfestigkeitstest, charakterisieren (mehr oder weniger ausführlich) die Qualität und die Eigenschaften des Testmaterials. Der DVR hingegen ist ein wichtiger Faktor, der vor Einsatz eines Materials für einen bestimmten Einsatzzweck beachtet werden muss. Besonders für den Einsatz von Dichtungen und Unterlegscheiben aus Elastomeren ist die bleibende Verformung – der Druckverformungsrest – ein wichtiger Parameter.
Gemäß DIN ISO 815 wird der Druckverformungsrest bei konstanter Verformung gemessen. Zur Bestimmung des DVR wird eine zylindrische Testprobe um einen Prozentsatz zusammengedrückt, der auf Basis der Materialhärte berechnet wird. Anschließend wird die Probe bei bestimmter Temperatur eine gewisse Zeit in diesem Zustand gelagert. Die für den Druckverformungstest verwendete Temperatur hängt von dem zu testenden Material, seinem geplanten Einsatzzweck und dem Testaufbau ab (z. B. 24 Stunden bei 70 °C für Dichtungen). 30 Minuten nach der Entlastung wird bei Raumtemperatur wieder die Höhe der Probe gemessen und basierend auf diesem Wert die bleibende Verformung ermittelt.
Ein DVR von 0 % bedeutet, dass die Testprobe ihre ursprüngliche Dicke wieder voll erreicht hat (was in der Realität nicht möglich ist), wohingegen ein DVR von 100 % angibt, dass die Testprobe keine Anzeichen einer Rückstellung aufweist.
Die Berechnung erfolgt nach der Formel:
DVR (%) = (L0 – L2) / (L0 – L1) x 100 %, wobei:
• DVR = Druckverformungsrest in %
• L0 = Höhe der Materialprobe vor dem Test
• L1 = Höhe der Materialprobe während des Tests (Distanzstück)
• L2 = Höhe der Materialprobe nach dem Test
Um die Bedeutung dieses Tests zu veranschaulichen, nehmen Sie eine Komponente aus Kautschuk wie zum Beispiel eine Dichtung: Wenn diese Dichtung eingepasst wird, wird sie auf eine gewisse Dicke zusammengedrückt und übt ihrerseits Druck auf die abzudichtenden Oberflächen aus. Die Stärke der Kompression nimmt mit der Zeit ab, da sich die Dichtung plastisch verformt. Wenn diese plastische Variable, das heißt der Druckverformungsrest, zu hoch ist, sinkt die Kompressionskraft und somit der Dichtungseffekt so stark, dass ein Leck entstehen kann (entweder an bestimmten Stellen oder entlang der gesamten Oberfläche der Dichtung), vor allem, wenn die Dichtung nicht groß genug ist. Als Daumenregel sollte der Druckverformungsrest für flache Dichtungen bei Dauergebrauchstemperatur 40 % nicht überschreiten. Das folgende Diagramm zeigt den Druckverformungsrest, der im Durchschnitt erreicht werden kann, wenn verschiedene Kettenverlängerer eingesetzt werden. Dies ist eine der Methoden, mit denen die Kristallinität des festen Segments und die Phasentrennung als wichtigste Parameter beeinflusst werden können. Während Desmopan®-Typen der Standard-Ester-Serien (100 – 300 Serien) in der Regel einen Druckverformungsrest von 45 bis 55 % (24 h/70 °C) aufweisen, können durch spezielle Rohmaterialien in den Spezial-Ester-Serien (400 Serien) beträchtlich bessere Druckverformungsreste von 30 bis 35 % (24 h/70 °C) erreicht werden.
Gemäß DIN ISO 815 wird der Druckverformungsrest bei konstanter Verformung gemessen. Zur Bestimmung des DVR wird eine zylindrische Testprobe um einen Prozentsatz zusammengedrückt, der auf Basis der Materialhärte berechnet wird. Anschließend wird die Probe bei bestimmter Temperatur eine gewisse Zeit in diesem Zustand gelagert. Die für den Druckverformungstest verwendete Temperatur hängt von dem zu testenden Material, seinem geplanten Einsatzzweck und dem Testaufbau ab (z. B. 24 Stunden bei 70 °C für Dichtungen). 30 Minuten nach der Entlastung wird bei Raumtemperatur wieder die Höhe der Probe gemessen und basierend auf diesem Wert die bleibende Verformung ermittelt.
Ein DVR von 0 % bedeutet, dass die Testprobe ihre ursprüngliche Dicke wieder voll erreicht hat (was in der Realität nicht möglich ist), wohingegen ein DVR von 100 % angibt, dass die Testprobe keine Anzeichen einer Rückstellung aufweist.
Die Berechnung erfolgt nach der Formel:
DVR (%) = (L0 – L2) / (L0 – L1) x 100 %, wobei:
• DVR = Druckverformungsrest in %
• L0 = Höhe der Materialprobe vor dem Test
• L1 = Höhe der Materialprobe während des Tests (Distanzstück)
• L2 = Höhe der Materialprobe nach dem Test
Um die Bedeutung dieses Tests zu veranschaulichen, nehmen Sie eine Komponente aus Kautschuk wie zum Beispiel eine Dichtung: Wenn diese Dichtung eingepasst wird, wird sie auf eine gewisse Dicke zusammengedrückt und übt ihrerseits Druck auf die abzudichtenden Oberflächen aus. Die Stärke der Kompression nimmt mit der Zeit ab, da sich die Dichtung plastisch verformt. Wenn diese plastische Variable, das heißt der Druckverformungsrest, zu hoch ist, sinkt die Kompressionskraft und somit der Dichtungseffekt so stark, dass ein Leck entstehen kann (entweder an bestimmten Stellen oder entlang der gesamten Oberfläche der Dichtung), vor allem, wenn die Dichtung nicht groß genug ist. Als Daumenregel sollte der Druckverformungsrest für flache Dichtungen bei Dauergebrauchstemperatur 40 % nicht überschreiten. Das folgende Diagramm zeigt den Druckverformungsrest, der im Durchschnitt erreicht werden kann, wenn verschiedene Kettenverlängerer eingesetzt werden. Dies ist eine der Methoden, mit denen die Kristallinität des festen Segments und die Phasentrennung als wichtigste Parameter beeinflusst werden können. Während Desmopan®-Typen der Standard-Ester-Serien (100 – 300 Serien) in der Regel einen Druckverformungsrest von 45 bis 55 % (24 h/70 °C) aufweisen, können durch spezielle Rohmaterialien in den Spezial-Ester-Serien (400 Serien) beträchtlich bessere Druckverformungsreste von 30 bis 35 % (24 h/70 °C) erreicht werden.
Schlagzähigkeit
Der Charpy-Schlagzähigkeitsversuch ist ein einfacher und schneller Test, der eingesetzt werden kann, um eine vergleichende Beurteilung verschiedener Materialien durchzuführen. Er wird neben anderen Zwecken dazu verwendet, die Auswirkungen von Änderungen der Formel-, Mischungs- und Spritzgussbedingungen der Materialprobe festzustellen. Beim Charpy-Test werden die Materialproben einer Belastungskonfiguration unterzogen, die der des Drei-Punkt-Biegeversuchs ähnelt. Wenn Sie spröde genug sind, brechen sie. Um einen Bruch dehnbarer Materialien zu erwirken, müssen eingekerbte Materialproben verwendet werden. Der Test kann in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +23 °C durchgeführt werden. Im Vergleich zu anderen Materialien erreicht Desmopan® sehr hohe Schlagzähigkeits- und Kerbschlagzähigkeitswerte. Aufgrund der elastischen Eigenschaften von TPU entsteht oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) kein Bruch. Die folgende Tabelle zeigt eine Reihe charakteristischer Werte für verstärkte Desmopan®-Typen:
Ergebnisse der Testmethode gemäß der Norm DIN EN ISO 179:
• Schlagzähigkeit aiU [KJ/m2]
• Kerbschlagzähigkeit aiN [KJ/m2]
• Dazu kommt eine Beurteilung des Bruchs der Probe bei der entsprechenden Temperatur und, wenn angemessen, des Übergangs von zäh zu spröde.
• Schlagzähigkeit aiU [KJ/m2]
• Kerbschlagzähigkeit aiN [KJ/m2]
• Dazu kommt eine Beurteilung des Bruchs der Probe bei der entsprechenden Temperatur und, wenn angemessen, des Übergangs von zäh zu spröde.
Reibung
Für Kunststoffe ist es praktisch unmöglich, eine aussagekräftige Beurteilung des Reibungsverhaltens zu erstellen, da Reibungsprozesse in der Praxis von weiteren Effekten begleitet werden, die nicht umfassend definiert werden können. Das Reibungsverhalten von Desmopan®-Produkten wird über deren Härte und Oberflächenbearbeitung bestimmt. Mit abnehmender Materialhärte steigt die Reibung. „Stick-Slip“-Effekte entstehen daher bei flexiblen Produkten. Das Reibungsverhalten ist außerdem von der Oberfläche abhängig, an der die Reibung getestet wird, sowie von der Bedingung der Oberfläche (z. B. nass, trocken). Die folgende Tabelle bietet einen Überblick über das Reibungsverhalten von einer genarbten Desmopan®-Probe in Kombination mit poliertem Stahl, basierend auf den Anforderungen der Norm DIN-EN-ISO-8295 (weitere Informationen siehe unten).
Testdetails:
Probe: genarbte, flache Probe 50 x 50
Reibungspartner: polierter Stahl
Testgewicht: 2000 g
Mittlere Gleitreibung: µD
Probe: genarbte, flache Probe 50 x 50
Reibungspartner: polierter Stahl
Testgewicht: 2000 g
Mittlere Gleitreibung: µD
Poissonzahl
Die Poissonzahl ist das Verhältnis der Querdehnung ey,nom zur Längendehnung ex,nom, ausgedrückt durch die Formel:
unom = -ey,nom / ex,nom,
wobei die nominelle Dehnung die relative Längen- (DL) oder Breitenänderung (DB) repräsentiert, in Bezug auf die ursprüngliche Dimension der Messregion entsprechend
ex,nom = DL/L0 ey,nom = DB / B0.
Die Poissonzahl kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Material bei der Verformung ein konstantes Volumen behält oder ob dieses ansteigt, zum Beispiel aufgrund der Bildung von winzigen Rissen und Hohlräumen.
Anstatt die nominelle Poissonzahl (siehe oben) zu diesem Zweck zu verwenden, eignet sich eher die Hencky-Zahl:
uH = -ln (1 + ey,nom) / ln (1 + ex,nom),
da diese im Falle eines veränderten Volumens mit konstanter Form konstant bleibt, während die nominelle Poissonzahl logarithmisch sinkt (z. B. bei konstantem Volumen).
Bei kleinen Dehnungen, insbesondere im linear-elastischen Verformungsbereich, der für normale Simulationen relevant ist, weisen die Hencky-Dehnung und die nominelle Dehnung den gleichen Wert auf. Daher sind auch die entsprechenden Verhältnisse in diesem Bereich identisch.
Bestimmung der Poissonzahl mithilfe einer Zugtestmaschine unter Verwendung der Grauwertkorrelationsmethode. Hierbei werden Veränderungen in den lokalen Dehnungen anhand eines zufälligen Punktemusters erfasst. Die folgende Tabelle zeigt die Hencky-Verhältnisse für ausgewählte Desmopan®-Typen – dazu muss angemerkt werden, dass dieses Verhältnis mit der nominellen Poissonzahl im linear-elastischen Bereich identisch ist.
unom = -ey,nom / ex,nom,
wobei die nominelle Dehnung die relative Längen- (DL) oder Breitenänderung (DB) repräsentiert, in Bezug auf die ursprüngliche Dimension der Messregion entsprechend
ex,nom = DL/L0 ey,nom = DB / B0.
Die Poissonzahl kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Material bei der Verformung ein konstantes Volumen behält oder ob dieses ansteigt, zum Beispiel aufgrund der Bildung von winzigen Rissen und Hohlräumen.
Anstatt die nominelle Poissonzahl (siehe oben) zu diesem Zweck zu verwenden, eignet sich eher die Hencky-Zahl:
uH = -ln (1 + ey,nom) / ln (1 + ex,nom),
da diese im Falle eines veränderten Volumens mit konstanter Form konstant bleibt, während die nominelle Poissonzahl logarithmisch sinkt (z. B. bei konstantem Volumen).
Bei kleinen Dehnungen, insbesondere im linear-elastischen Verformungsbereich, der für normale Simulationen relevant ist, weisen die Hencky-Dehnung und die nominelle Dehnung den gleichen Wert auf. Daher sind auch die entsprechenden Verhältnisse in diesem Bereich identisch.
Bestimmung der Poissonzahl mithilfe einer Zugtestmaschine unter Verwendung der Grauwertkorrelationsmethode. Hierbei werden Veränderungen in den lokalen Dehnungen anhand eines zufälligen Punktemusters erfasst. Die folgende Tabelle zeigt die Hencky-Verhältnisse für ausgewählte Desmopan®-Typen – dazu muss angemerkt werden, dass dieses Verhältnis mit der nominellen Poissonzahl im linear-elastischen Bereich identisch ist.
Die ausgewählten Desmopan®-Typen weisen Poissonzahlen zwischen 0,45 und 0,5 auf. Eine Poissonzahl von 0,5 bedeutet, dass das Volumen unter Zug oder Kompression konstant bleibt. Eine Poissonzahl leicht unter 0,5 bedeutet, dass sich das Volumen des Materials unter Zug leicht erhöht, wohingegen es sich unter Kompression leicht verringert.
Abrieb
Diese Methode, wie in der Norm ISO 4649 beschrieben, kann dazu verwendet werden, die Widerstandskraft von Oberflächen und Beschichtungen gegenüber Verschleiß und Abrieb zu testen. Zwei mit Schmirgelpapier beschichtete Walzen reiben über die Oberfläche einer sich drehenden Materialprobe. Durch Variationen in der Körnung und dem Anpressdruck des Schmirgelpapiers können verschiedene Belastungsgrade simuliert werden. Der Abrieb wird in mm³ bestimmt, unter Berücksichtigung der Dichte der Testprobe. Die durch diesen Test erhaltenen Daten finden in der Realität in der Regel nur eingeschränkte Anwendung, und zwar wenn die Testbedingungen mit denen im echten Betrieb übereinstimmen. Darüber hinaus dient diese Testmethode dazu, eine vergleichende Beurteilung verschiedener Materialien zu bieten. Zusammen mit anderen TPU zählt Desmopan® unter realen Einsatzbedingungen zu den abriebfestesten Elastomeren. Sein Abriebverlust ist häufig nur ein Bruchteil des Abriebverlusts anderer Materialien, insbesondere im Vergleich zu anderen TPE-Klassen. Desmopan®-Typen auf Basis von Polyester, die oft in abrasiven Anwendungen zum Einsatz kommen, weisen einen Abriebverlust von nicht mehr als 20 bis 30 mm³ auf. Für die Sportschuhindustrie bieten zusätzliche Sondertypen einen besonders niedrigen Abriebverlust auf. Bei sorgsamer Verarbeitung können diese Typen den Abriebverlust sogar auf 15 bis 20 mm³ senken. TPU gelten als Elastomere, die unter in der Praxis auftretenden Konditionen die höchste Abriebfestigkeit bieten. Um dies sicherzustellen, muss das Granulat vor der Verarbeitung gründlich getrocknet sein.
