Bestimmung der Ausdehnungskoeffizienten eines spritzgegossenen ...

<strong>Bestimmung</strong> <strong>der</strong> <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong> <strong>eines</strong><br />

<strong>spritzgegossenen</strong> Maschinenteils aus gefülltem<br />

Polyphenylensulfid unterhalb und oberhalb <strong>der</strong><br />

Glasübergangstemperatur<br />

Einführung<br />

Spritzgegossene, aus glasfasergefüllten Polymeren<br />

fabrizierte Teile haben prozessbedingt<br />

in <strong>der</strong> Regel richtungsabhängige <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong>.<br />

Bei <strong>der</strong> hier untersuchten<br />

Probe handelt es sich um ein Maschinenteil<br />

(Welle) aus glasfasergefülltem<br />

Polyphenylensulfid (PPS). Für die Konstruktion<br />

<strong>der</strong> Maschine ist es wichtig, dass<br />

die <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong> dieser Welle<br />

in axialer und in radialer Richtung bekannt<br />

sind. Mit TMA-Messungen können<br />

diese Informationen rasch und einfach gewonnen<br />

werden.<br />

Probenvorbereitung<br />

Messungen des <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong><br />

erfolgen unter einer möglichst geringen<br />

Lasteinwirkung auf die Probe. Um die<br />

Messgenauigkeit zu erhöhen, werden dabei<br />

mit Vorteil in Messrichtung grosse („dikke“)<br />

Proben verwendet. Die beiden Oberflächen<br />

<strong>der</strong> Probe sollten eben, glatt und parallel<br />

sein. Im vorliegenden Fall wurden aus<br />

<strong>der</strong> Welle eine Probe in radialer Richtung<br />

und zwei Proben in axialer Richtung vorbereitet.<br />

Dabei wurde darauf geachtet, dass<br />

die Proben durch das Zusägen und Schleifen<br />

thermisch nur gering belastet wurden.<br />

Probe A (axial) Durchmesser 9.3 mm, Höhe<br />

4.9 mm; Probe B (axial, vom an<strong>der</strong>en Ende<br />

<strong>der</strong> Welle), Durchmesser 5 mm, Höhe<br />

8.7 mm; Probe C (radial, gleiches Ende wie<br />

Probe B), Höhe 6.8 mm, Grundfläche<br />

5 mm x 5 mm.<br />

Messbedingungen<br />

Modul: TMA/SDTA840 mit 3.0 mm Kugelsonde<br />

Last: 0.02 N; um die Last gleichmässig auf<br />

die Probenoberfläche zu verteilen, wird<br />

zwischen Sonde und Probe ein 0.5 mm dikkes<br />

Plättchen aus Quarzglas gelegt.<br />

Temperaturprogramm: 30 °C bis 200 °C<br />

mit 1 K/min<br />

Atmosphäre: stehende Luft.<br />

Ergebnisse<br />

In Abbildung 1 sind die Ergebnisse <strong>der</strong><br />

Dilatationsmessungen mit und ohne thermische<br />

Vorbehandlung <strong>der</strong> Probe A dargestellt.<br />

Während dem ersten Aufheizen mit<br />

1 K/min wird ab 78.3 °C wegen Enthalpie-<br />

Relaxation ein etwas undeutlicher Glasübergang<br />

beobachtet. Beim zweiten, ebenfalls<br />

mit 1 K/min erfolgten Aufheizen er-<br />

gibt sich ein eindeutiger Glasübergang bei<br />

91.2 °C.<br />

In Abbildung 2 sind die mittleren Ausdeh-<br />

nungskoeffizienten und Glasübergangstemperaturen<br />

<strong>der</strong> Proben B und C (axiale<br />

und radiale Richtung <strong>der</strong> Welle) während<br />

dem zweiten Aufheizen dargestellt. Die entsprechenden<br />

Ergebnisse sind in Tabelle 1<br />

zusammengefasst. Es zeigt sich, dass die<br />

Glasübergangstemperaturen für die beiden<br />

Richtungen um etwa 3 °C verschieden sind.<br />

Zudem unterscheiden sich die Ausdeh-<br />

Axiale Richtung Radiale Richtung<br />

Glasübergangstemperatur, Tg 91.1 °C 94.0 °C<br />

Ausdehnungskoeffizient unterhalb Tg 25.1 ppm/K 35.8 ppm/K<br />

Ausdehnungskoeffizient oberhalb Tg 50.5 ppm/K 88.73 ppm/K<br />

Tabelle 1: Glasübergang und mittlere lineare <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong> in axialer und radialer<br />

Richtung.<br />

Abbildung 1: Erste und zweite TMA-Heizkurve <strong>der</strong> Probe A (axial). Ausgewertet sind die mittleren<br />

linearen Ausdehenugskoeffizienten.<br />

nungskoeffizienten in axialer und radialer<br />

Richtung oberhalb <strong>der</strong> Glasübergangstemperatur<br />

T g um knapp einen Faktor<br />

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zwei, unterhalb von T g um etwa 30 %. Dies<br />

zeigt, dass die eingangs erwähnte, beim<br />

Produktionsprozess entstehende Orientierung<br />

im Spritzgussteil die mechanisch bestimmte<br />

Glastemperatur und den thermischen<br />

<strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong> signifikant<br />

beeinflusst.<br />

Vergleicht man die mittleren <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong><br />

<strong>der</strong> beiden Proben in axialer<br />

Richtung (Probe A und Probe B), so ergeben<br />

sich zwar geringe aber dennoch signifikante<br />

Unterschiede. Dies illustriert, dass<br />

sich auch die unterschiedlichen Fliesswege<br />

auf die thermischen Eigenschaften des<br />

Spritzgussteils auswirken. Man stellt also<br />

nicht nur richtungsmässig anisotrope Verhältnisse<br />

fest, son<strong>der</strong>n (allerdings in deutlich<br />

geringerem Masse) auch „ortsabhängige“.<br />

Abbildung 2: Die TMA-Kurven zeigen den Glasübergang und die mittleren linearen <strong>Ausdehnungskoeffizienten</strong><br />

in axialer und radialer Richtung des PPS-Spritzgussteiles (Proben B und C).<br />

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