Entwicklung, Aufbau und Test einer Zugprüfeinrichtung für in situ - Deformationsversuche von Kunststoffen unter dem FT-IR - Mikroskop

Abstract

Polymere und ihre Charakteristika können auf unterschiedliche Weise modifiziert werden. Eine Methode besteht in der Verstreckung zur Festigkeitssteigerung. Die vorliegende Arbeit hatte zur Aufgabe, eine Maschine zu konstruieren, zu bauen und zu testen, mit deren Hilfe Kunststofffolien bei gleichzeitiger Beobachtung unter dem FT-IR-Mikroskop deformiert werden können. Damit eine Orientierungsgradbestimmung unter dem FT-IR-Mikroskop möglich ist, ist es nötig, dass der Probenmittelpunkt für die Dauer des Versuchs mittig unter dem Mikroskop verweilt. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde ein Seilzugsystem entworfen, das unter Zuhilfenahme von Linearführungen zwei zur Probenaufnahme dienende Traversen gegenläufig bewegt. Der Antrieb des Seilzugsystems erfolgt hierbei über einen Schrittmotor und über ein zweistufiges Zweigangschaltgetriebe. Das Schaltgetriebe erlaubt sowohl eine extrem kleine Deformationsschrittlänge als auch eine relativ hohe Deformationsgeschwindigkeit und für beide Schaltstellungen einen gleichmäßigen Deformationsfluss. Weiterhin verfügt die Maschine über einen Kraftsensor, der es in Kombination mit dem Schrittmotor erlaubt, im Betrieb ein Spannungs-Dehnungsdiagramm aufzuzeichnen und zu visualisieren. Die Deformation der Probe kann sowohl mit einer kontinuierlichen als auch mit einer dehnratengesteuerten Deformationsgeschwindigkeit stattfinden. Über eine benutzerfreundliche Anwenderoberfläche ist die Maschine intuitiv zu bedienen und vielseitig einsetzbar. Durch die Verwendung einer Vielzahl kommerzieller Bauteile und einer leicht zugänglichen Programmierumgebung ist gewährleistet, dass die Maschine von späteren Anwendern modifiziert werden kann. Nach Fertigstellung der Maschine wurden vergleichende Versuche mit Polypropylen mit einer kommerziellen Zugprüfeinrichtung durchgeführt. Des Weiteren wurden Orientierungsgradbestimmungen an Polypropylenfolien vorgenommen und mit einem Literaturbeispiel verglichen. Die hierbei erzielten Resultate wurden als einwandfrei befunden.

Polymers and their characteristics can be modified in different ways. One method is the deformation of the material to increase its tensile strength. The aim of this thesis was the construction, assembling and testing of a machine with which polymer foils can be deformed and simultaneously monitored by an FT-IR-spectrometer. To determine the degree of orientation, it is necessary that the center of the sample remains centered in the spectrometer. To meet this demand a cable pull system was designed which moves the crossbars with their grips on linear bearings in opposite directions. The drive of the cable system emerges from a stepper motor and a two-stage/two-speed gearbox. The variable transmission allows both extremely small lengths of deformation steps and a relatively high deformation speed, allowing very smooth deformations for both positions. Furthermore, the machine is equipped with a force sensor which, in combination with the stepper motor, allows to record and to visualize a stress-strain diagram. The speed of deformation can either be continuous or increasing based on the actual sample length. With its user-friendly interface, the operation of the machine is intuitive and versatile. The utilization of a variety of commercial components and an accessible programming environment ensures that the machine can be modified by later users. After completion of the machine comparative tests with polypropylene were carried out with a commercial tensile testing. Additionally, experiments for the determination of the degree of orientation of polypropylene foils have been performed. The results were compared with a literature example. Both the results of the tensile test and the determination of degree of orientation were found to be irreproachable.