Methode zum Messen des Langzeitverhaltens von Thermoplasten

Zusammenfassung Es wird eine neue berührungslose optische Dehnungsmeßeinrichtung für biaxiale Langzeit-Zug- bzw. Torsionsversuche vorgestellt. Die Ergebnisse der Versuche an kugel- und kurzglasfasergefülltem Polyamid 6 (PA6) zeigen, daß dieses System genügend genau arbeitet. Das untersuchte Material weist sowohl im Zugversuch als auch im Torsionsversuch nichtlineares Verhalten auf. Bei überlagerten Zug/Torsions-Belastungen verschieben sich die Dehnungen, verglichen mit denen bei gleicher einaxialer Last zu höheren Werten. Durch die Füllstoffzugabe ergeben sich unterschiedliche Verstärkungseffekte. Die faserverstärkten Proben sind erwartungsgemäß eher in Richtung der Rohrachse verstärkt, während das kugelgefüllte System eine höhere Verstärkungswirkung bei Torsionsbelastung erkennen läßt.

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A new optical device for strain measurement in long-term tension and torsion tests is presented. The new system has been compared with others and the results of the experiments with glass bead and short, glas-fiber-filled Polyamid 6 show that it works well. With a dead-weight loading machine used it is possible to perform combined tension/torsion creep experiments or simple tension and simple torsion tests. The materials under consideration here exhibit nonlinear behavior in tension as well as in torsion tests. Under combined loading, which is tensile stress with a superimposed torsional stress, or vice versa, the amounts of the strains compared with those of the one-dimensional stress state are increasing. The fillers produce different reinforcement effects. The bead-filled system is stiffer when subjected to a torsional load, which may be explained by different load carrying mechanism in tension and torsion. The glassfiber-filled system is stiffer in axis direction, because the fibers are aligned to a considerable extent by the flow of the melt during molding.

Vortrag gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft, TH Darmstadt, 19.–21. 4. 1989.     

Zum Einfluß von Füllstoffen auf das rheologische Verhalten von hochmolekularen Polyethylenschmelzen I. Das Fließverhalten in Scher- und Dehnströmungen

Zusammenfassung Das Fließverhalten von Polymersuspensionen in verschiedenen Strömungsformen wird anhand von mit isotropen und anisotropen Partikeln (Glaskugeln bzw. Glasfasern) gefüllten hochmolekularen Schmelzen untersucht. Zur Anwendung kommen dabei sowohl lineare als auch verzweigte Polymere, nämlich Polyethylene mit hoher Dichte (HDPE) und mit niedriger Dichte (LDPE).Alle untersuchten Systeme zeigen in der Scherströmung im Rotationsrheometer bei Zugabe von Füllstoff eine Verringerung der elastischen Eigenschaften. Solches Verhalten ist für Suspensionen isotroper Teilchen zu erwarten, bei Fasersuspensionen wird jedoch gewöhnlich ein verstärktes Anwachsen der ersten Normalspannungsdifferenz mit zunehmender Füllung gefunden. Bei höheren Schergeschwindigkeiten (Messungen im Kapillarviskosimeter) wird die durch die Füllstoffe bewirkte Viskositätserhöhung zunehmend geringer, die Suspensionen verhalten sich also mit zunehmendem Füllgrad stärker scherentzähend. Das Einsetzen der für das lineare HDPE typischen Instabilitäten (stick-slip, Wandgleiten) läßt sich durch den Ersatz von (elastischem) Polymer durch (starre) Kugeln nicht beeinflussen, diese Form des Schmelzenbruchs setzt bei gleichen Schubspannungen ein und ist so wegen der höheren Viskosität der Suspension sogar zu niedrigeren Durchsätzen hin verschoben.Um die Lücke zwischen den Messungen im Rotations- und im Kapillarviskosimeter (niedrige bzw. hohe Schergeschwindigkeiten) zu schließen, wurden Experimente bei oszillatorischer Scherbeanspruchung durchgeführt. Die bekannte Cox-Merz-Beziehung vermag das Verhalten der ungefüllten Schmelzen zwar recht gut zu beschreiben, versagt jedoch bei den Suspensionen gerade im Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten, ebenso wie andere vorgeschlagene Korrelationen zwischen dynamischen und stationären Kenngrößen.Zur Bestimmung des Materialverhaltens bei uniaxialer Dehnbeanspruchung wurde ein Rotationsrheometer in geeigneter Weise modifiziert, so daß für die verwendeten sehr hochviskosen Stoffsysteme eine Messung möglich wurde. Die verschiedenen reinen Schmelzen zeigen ein wenig unterschiedliches Dehnverhalten mit ausgeprägten Verfestigungserscheinungen. Eine stationäre Dehnviskosität konnte in keinem Fall gemessen werden. Die Zugabe von Glaskugeln ändert die Dehnviskosität nicht wesentlich, der Zusatz von Glasfasern jedoch bewirkt eine merkliche Erhöhung der instationären Dehnviskosität im Anlaufbereich.

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The flow behaviour of suspensions is examined in different flow geometries using linear and branched high-molecular-weight polyethylene melts as suspension media containing isotropic (glass beads) and anisotropic (glass fibre) particles.In shear flow in a rotational rheometer, all suspensions show a decrease of the elastic properties with increasing filler content. While this behaviour has to be expected with suspensions of isotropic particles, fibre-filled polymer fluids usually show increasing normal stress differences with increasing fibre content. At higher shear rates (in a capillary viscometer) the particle-induced viscosity increase deminishes, hence the suspensions tend to be more shear thinning with increased filler content.The onset point of instabilities typically found with the linear HDPE is not shifted towards higher volumetric flow rates by replacement of elastic polymer by inelastic fillers as might be expected; on the contrary, the so-called stick-slip behaviour is initiated at constant values of shear stress and hence — because of the higher viscosity of the suspensions — at lower flow rates.Additionally, experiments were carried out with oscillating shear strain. Neither the well-known Cox-Merz relation nor similar relations, discussed in the literature, could properly correlate oscillatory and steady-state fluid behaviour of the suspensions, especially in the low shear rate range, whereas the former worked rather well for the unfilled melts.To allow for measurements of extensional properties, a rotational rheometer was slightly modified, thus being capable of determining the extensional viscosity of highly viscous polymeric materials. The pure melts showed only a slightly different behaviour with pronounced strain hardening. No stationary values of the Trouton viscosity could be obtained. While addition of glass beads was of little influence on material behaviour, addition of glass fibres showed remarkable increase of the extensional viscosity in the start-up region.

Erster Teil einer vom Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation     

Untersuchungen zum Fließverhalten verschieden konzentrierter Polyisobutenlösungen unter hoher Scherbeanspruchung.

Zusammenfassung Das Schubspannungs- und Verfestigungsverhalten verschieden konzentrierter hochmolekularer Polyisobutenlösungen wird mit Hilfe eines neu konstruierten Hochdruckkapillarviskosimeters bis zu sehr hohen Schergeschwindigkeiten untersucht. Hierbei wird gleichzeitig der Einlaufdruckverlust nach Bagley durch Messungen an Kapillaren mit unterschiedlichenL/R-Verhältnissen ermittelt und, um Informationen über das Einströmverhalten der Lösungen zu erhalten, die Einlaufströmung in die Kapillare sichtbar gemacht. Im Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten werden die Lösungen zusätzlich mit verschiedenen Rotationsviskosimetern charakterisiert.Die anhand der durchgeführten Untersuchungen erhaltenen Fließkurven lassen sich für Lösungen mit einem Polymergehalt ab 0,5% PIB-B200 in drei Bereiche einteilen, die mit Hilfe von Strömungssichtbarmachungsuntersuchungen verschiedenen Strömungsphänomenen zugeordnet werden können. Dabei kommt es u. a. zu Verfestigungserscheinungen, die sich in einem sprunghaften Ansteigen des Druckverlustes bemerkbar machen. Durch Messungen an Kapillaren mit einem kegelförmigen Einlauf kann gezeigt werden, daß diese Verfestigungserscheinungen und der damit verbundene Druckanstieg nicht nur auf das Auftreten von Sekundärströmungen im Einlaufbereich der Kapillaren zurückgeführt werden kann, sondern daß hierfür andere Effekte wie etwa die Bildung von Assoziaten aus Makromolekülen verantwortlich gemacht werden können. Auch die starke Viskositätszunahme der Lösungen im Verfestigungsbereich und die Beobachtung der Ausbildung heller Streulichtfelder sprechen für eine Bildung von Polymerassoziaten vor der Kapillare.Des weiteren wird bei den Untersuchungen zur Bagley-Korrektur festgestellt, daß zur korrekten Ermittlung des Einlaufdruckverlustes bei höher konzentrierten Polyisobutenlösungen Kapillaren mit einemL/R-Verhältnis von mindestens 1000 verwendet werden müssen. Es zeigt sich nämlich im Bagley-plot dieser Lösungen, daß die Linien konstanter Schergeschwindigkeit bei kleinerenL/R-Verhältnissen eine auffallende Krümmung im Sinne eines mit zunehmendemL/R-Verhältnis abnehmenden Druckgradienten besitzen, der erst oberhalb eines bestimmtenL/R-Verhältnisses konstant wird.

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A new design high-pressure capillary-viscometer is used to study the shear behavior of high-molecular polyisobutene solutions up to very high shear rates. The entry pressure loss from the Bagley-plot is estimated by the measurement in capillaries of different length-to-radius (L/R) ratios. Simultaneously, flow visualization of the entry flow is carried out. At low shear rates the flow behavior of the solutions is characterized by different rotational viscometers.The obtained flow curves for the solutions with polymer concentrations being above 0.5% PIB-B200 can be divided into three regions which can be related to different flow phenomena by means of flow visualization. A sudden increase in pressure loss can be related to a shear thickening behavior. Measurements in capillaries with a conical entry show that this thickening behavior is not only due to secondary flows in the entry region of the capillary, but also due to other effects like the association of macromolecules. The assumption of the formation of molecular associates is also supported by the large increase in the viscosity of the solutions in the thickening region and the observed formation of luminous scattered light areas.Furthermore, the investigations on the Bagley-correction show that for higher concentrated polyisobutene solutions capillaries withL/R ratios of at least 1 000 have to be used for a correct determination of the entry pressure loss. The Bagley-plots of these solutions show that lines of constant shear rate are remarkably curved at lowerL/R ratios. The gradient of the pressure loss decreases with increasingL/R ratio and approaches a constant value at a certainL/R ratio.

Erster Teil einer vom Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation.     

Der elektroviskose Effekt als Folge elektrostatischer Kraft

Zusammenfassung Die Viskosität vieler Flüssigkeiten ändert sich als Folge elektrischer Felder. Die größten elektroviskosen Effekte findet man unter äußerem Feld bei Suspensionen aus dielektrischen Flüssigkeiten und feinen Festkörperteilchen.Die Flüssigkeiten zeigen ausgeprägtes Bingham-Verhalten. Solange die auf die Wand ausgeübte Scherspannung kleiner als die von der Feldstärke abhängige Haftspannung ist, verhalten sich die Materialien wie Festkörper. Man beobachtet, daß Elektroviskosität proportional zur Feldstärke im Quadrat und umgekehrt proportional zur Schergeschwindigkeit ist, und daß sich die Teilchen der Flüssigkeiten in Richtung der Feldstärke orientieren und faserige Strukturen bilden. In dieser Arbeit erklären wir diese Eigenschaften durch ein einfaches Modell. In diesem Modell resultiert die Scherkraftzunahme aus der elektrostatischen Kraft, die sich als Gradient der im Feld abgespeicherten Energie ergibt.The electroviscosity effect following electrostatic force

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Apparent viscosity of many fluids changes under an electric field. The largest effects are found with dispersions of fine particles in dielectric liquids subjected to an externally applied field. The large effect is apparently due to induced fibration when the particles align themselves as fibers in field direction. The dispersions exhibit Bingham-behavior, i.e., as long as the shear stress is smaller than the field-dependent yield stress, the material behaves as a solid, a behavior which can be made plausible as the electrodes are mechanically linked together by the fibers (Winslow 1949). In this paper arguments are put forward that the induced fibration is the consequence of electrostatic forces acting on the particles and pulling them into regions of higher field strength. The resulting configuration is an equilibrium configuration and it is postulated that even under shear load, the electric field tends to maintain this configuration such that only the particles close to the electrodes are sheared off, which then form a suspension near the electrode surfaces. A phenomenological theory based on the assumption that the fibers are columns of rectangular particles gives quantitative results for the electroviscosity and the yield stress which agree with experimental observations.

     

Zur Festigkeit von umlaufenden und quer zur Drehebene belasteten Stäben,die gelenkig an die Drehachse angeschlossen sind

Zusammenfassung Der gelenkige Anschluß von Drehflügelholmen an der Flügelwurzel erlaubt die Verwendung von so dünnen Holmen, daß die Flügel im Fluge mehr Seilen als biegesteifen Stäben gleichen. Trotzdem ist in den Holmen die restliche Biegespannung für die Festigkeit maßgebend. Es wird ein Verfahren entwickelt, welches gestattet, eine gegebene Biegemomentenverteilung durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bestmöglich der tatsächlichen Biegemomentenverteilung anzupassen. Die Anwendung des Verfahrens auf die Biegemomentenverteilung eines starren Holmes als Ausgangsverteilung liefert eine gute Näherung und gestattet bei gegebener Massen- und Biegesteifigkeitsverteilung die Angabe der Näherungslösung in geschlossener Form [Gleichung (25) bei konstanter Massenverteilung und Steifigkeit]. Die Durchrechnung eines Beispiels zeigt deutlich die eigenartigen hier auftretenden Verhältnisse insofern, als es sich innerhalb weiter Grenzen als unmöglich herausstellt, die im Fluge auftretende Biegespannung im Holm einerseits durch Verstärken der Wanddicken oder durch Vergrößerung des Holmdurchmessers herabzusetzen, während andererseits einer im Fluge sich günstig auswirkenden Verringerung des Holmdurchmessers infolge der Biegespannungen durch das Eigengewicht im Stand Grenzen gesetzt sind. Die Betrachtung der dynamischen Verhältnisse am gleichen Beispiel zeigt, daß erhebliche dynamische Beanspruchungen infolge der Erregung der ersten Eigenschwingung des Holmes durch periodisch veränderliche Luftkräfte auftreten. Eine Ähnlichkeitsbetrachtung an Hand der entwickelten Theorie lehrt, daß die Grenzen für die Vergrößerung von Drehflügelflugzeugen, wenn nur die Beanspruchungen im Fluge in Rechnung gestellt werden, die gleichen sind wie für Starrflügler, daß jedoch die Berücksichtigung der Biegespannungen aus dem Eigengewicht der Flügel im Stand engere Grenzen für die Vergrößerung der Flugzeuge bedingt als bei dem Starrflügler.     

Messung der dynamischen Eigenschaften verdünnter Polymerlösungen

Zusammenfassung Ein neuartiges Rheometer zur Ermittlung der rheologischen Eigenschaften von Polymerlösungen im linear-viskoelastischen Bereich wird vorgestellt. Durch Anwendung der Laser-Doppler-Anemometrie, die eine im hydro-dynamischen Sinn störungsfreie Meßmethode darstellt, ist es möglich, niedrig-viskose bis hin zu wasserähnlichen Proben zu vermessen.Zur Bewältigung der in großer Zahl anfallenden Daten und Rechenoperationen findet ein Mikrocomputer-System Verwendung. Es erledigt im einzelnen die Aufgaben Versuchsablauf-Steuerung, Meßwerterfassung, Auswertung, Dokumentation und graphische Darstellung der Ergebnisse.Anhand von Messungen an newtonschen Flüssigkeiten werden der Funktionsnachweis erbracht und die Betriebsbereiche der Ringspaltsysteme unterschiedlichen Durchmessers ermittelt.Die viskoelastischen Eigenschaften von wäßrigen Polyethylenoxid- und Polyacrylamid-Lösungen niedriger Viskosität lassen sich über einen Frequenzbereich von 0,1 bis 100 Hz messen. Die Ergebnisse werden mit Hilfe der komplexen Viskositätsfunktion dargestellt. Daraus läßt sich als gleichwertige Darstellung das diskrete Relaxationsspektrum eines konkreten Stoffgesetzes gewinnen.

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A novel rheometer for determining the elastic characteristics of polymeric solutions in the linear-viscoelastic region is described. Laser-Doppler anemometry, which does not introduce hydrodynamic disturbances, is used to enable low viscosity liquids including water-like samples to be measured.A microcomputer system is utilized to control the experiments, store and analyse the measured data, and provide graphical representations of the results. Measurements on Newtonian liquids verified the validity of the method and allowed the operational regions of the annulus systems with different diameters to be determined.The elastic characteristics of low viscosity aqueous solutions of polyethyleneoxide and polyacrylamide can be measured at frequencies from 0.1 to 100 Hz. The results are presented using the complex viscosity function. As a result the discrete relaxation spectrum of a special material law can be obtained as an equivalent representation.

     

Stationäre Wärmespannungen mit temperaturabhängigen Stoffwerten

Zusammenfassung Die in Ziffer 4 untersuchten Beispiele zeigten, daß sich bei Vorhandensein eines ungleichmäßigen Temperaturfeldes im Bereich höherer Temperaturen nicht nur die reinen Wärmespannungsfelder gegenüber denjenigen, die unter der Voraussetzung unveränderlicher Stoffwerte berechnet werden können, ändern, sondern daß auch eine Veränderung der durch rein mechanische Einwirkungen hervorgerufenen Spannungsfelder auftritt. Diese lassen sich bei Systemen aus Stahl i. a. (sofern nicht extreme Temperaturunterschiede im System vorhanden sind) vernachlässigen bis auf die Klasse derjenigen Probleme, bei denen die Spannungen am verformten System von denjenigen am unverformten System wesentlich verschieden sind (z. B. bei der Längskraft-Biegung). In diesen Fällen können sich auf Grund der gegenüber der Theorie unveränderlicher Materialwerte größeren Verformungen auch erhebliche Änderungen der Spannungszustände einstellen, so daß man hier die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte berücksichtigen sollte. Die Änderung der reinen Wärmespannungsfelder gegenüber denjenigen, die mittels unveränderlicher Materialwerte bestimmt werden können, ist in der Regel, d. h. wenn die Temperaturunterschiede innerhalb des Systems nicht extrem groß sind, noch nicht allzu groß, so daß man sich auch im Bereich höherer Temperaturen mit der Theorie unveränderlicher Materialwerte E und _t, begnügen können wird, vor allem dann, wenn man die einer mittleren Systemtemperatur entsprechenden Werte benutzt. Dies ist aber, wie der Verfasser schon früher gezeigt hat, i. a. nur dann vertretbar, wenn man der Spannungsberechnung das genaue, die Temperaturveränderlichkeit der Wärmeleitzahl berücksichtigende Temperaturfeld zugrunde legt, da dieses in manchen Fällen von dem mit konstanter Wärmeleitzahl berechneten merklich abweichen kann.     

Einsatz von DMS- und Piezomeßtechnik zur direkten Schubspannungsermittlung in der Kapillarrheometrie

Zusammenfassung Der Stand der Kapillarheometrie mit den Vor- und Nachteilen der einzelnen Systeme und Meßverfahren wird dargestellt. Ausgehend von diesem Stand werden zwei alternative Meßverfahren, nämlich Piezo-Einzelkraftund DMS-Meßverfahren, zur direkten Schubspannungsermittlung besprochen und eine nach diesem Prinzip konzipierte Versuchsdüse vorgestellt. Die mit dieser Düse erhaltenen Meßergebnisse zeigen im Vergleich zu konventionell, d. h. unter Anwendung des Bagley-Verfahrens, ermittelten Fließkurven im Falle der Einzelkraftmessung gute Übereinstimmung. Das Problem der Einlaufdruckkorrektur ist bei diesem Konzept von vornherein nicht vorhanden, und der ununterbrochene Fließkanal erlaubt, bei entsprechender Erweiterung auf zwei Kraftaufnehmer, einen unproblematischen Einsatz im On-line- oder sogar im In-line-Betrieb in der Polymerverarbeitung.Schlüsselwörter Rheometrie; Kapillarrheometrie; Schubspannungsermittlung; Piezokraftmessung; DMS-Anwendung; Kunststoffschmelzen; On-line-Rheometrie

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The state-of-the-art of capillary rheometry, especially the advantages and disadvantages of different systems, is presented. Two measuring methods, a piezo single-force transducer, and a strain-gauge device combined in a testing die are compared. The strain gauges are fixed at the outside of a small capillary to detect the resulting wall shear stress between inner surface of the die and polymer flow by measuring the axial strain in the wall of the die. The single force method uses an elastic section of the die which uncouples the die from the supporting structure without changing the cross-section of the flow. The uncoupled part of the die is supported by a stiff, piezo-force transducer that detects the integral effect of wall shear stress. The resulting flow curves compare well with those using the Bagley method. With the novel die no entrance pressure-loss correction is needed. In principle, it also could be used as an on-line device for polymer processing.

Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft, TH Darmstadt, 19.–21. April 1989.     

Zur Strömung viskoser Flüssigkeiten durch gewellte Rohre

Zusammenfassung Die Strömung zäher nicht-newtonscher Flüssigkeiten durch gewellte kreisförmige Rohre unter Wirkung eines axialen Druckgefälles wurde theoretisch und experimentell untersucht. Das besondere Interesse galt dabei der durch die Wellung veränderten Druck-Durchsatz-Charakteristik. Die theoretischen Betrachtungen beziehen sich auf den Grenzfall hinreichend langer Wellen, wo sich der Querschnitt des Flüssigkeitsfadens in Strömungsrichtung nur langsam ändert und sowohl die Trägheit als auch die Elastizität der Flüssigkeit eine untergeordnete Rolle spielen. In dieser Näherung konnte der Durchsatz in Abhängigkeit vom Druckgefälle und den nichtlinearen Fließeigenschaften der Flüssigkeit für beliebige Wellenamplituden analytisch bestimmt werden. Die theoretischen Ergebnisse sind in Einklang mit experimentellen Befunden.

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The flow of a non-Newtonian fluid driven by an axial pressure gradient through a corrugated pipe of circular cross-section is analysed theoretically and realized experimentally. Particular attention is directed toward the pressure-discharge characteristics of the pipe which change due to the corrugation. A theory is developed for the limiting case of corrugations with long wave-length, where the cross-section of the pipe varies gradually in the flow direction and the effects of inertia and elasticity of the fluid are of minor importance. Within such a long-wave approximation the flow rate, in dependence on the applied pressure drop and on the non-linear viscous properties of the fluid, is determined analytically for arbitrary wave amplitudes. The theoretical results are in agreement with experimental findings.

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Zum Einfluß von Füllstoffen auf das rheologische Verhalten von hochmolekularen Polyethylenschmelzen

Zusammenfassung Zur Sichtbarmachung der Strömungsvorgänge im Bereich der konvergenten Strömung vor einer Kapillaren wurde ein Verfahren entwickelt, das die Eigenschaften bestimmter teilkristalliner Polymere bei der Kristallisation unter Scherung bzw. aus einer vorgescherten Schmelze nutzt. Diese zeigen im erstarrten Zustand sogenannte Fließlinien, die aus in bestimmter Weise auf reihenförmig angeordnete Keime aufgewachsenen Kristallitstrukturen bestehen. Solche linienförmigen Aggregate sind in der Lage, ein Stromlinienbild der Strömung in der Schmelze im erstarrten Polymer wiederzugeben. Für ein LDPE vom Spritzgußtyp konnte die Entwicklung der Einlaufwirbel mit wachsender Schergeschwindigkeit dargestellt werden. Die hochmolekularen Polymertypen erwiesen sich schon bei geringsten Durchsätzen als instabil, die Einlaufwirbel verschwanden dabei vollständig, und die Bilder des erstarrten Polymers legen einen Mechanismus der Instabilitäten nahe, bei dem jeweils unterschiedliche Teilvolumina zeitweise in die Kapillare einströmen, bei Überschreiten einer kritischen Deformation jedoch abreißen und zurückschnellen, während andere Volumenelemente ihren Platz einnehmen. Das Verhalten der Suspensionen unterscheidet sich diesbezüglich nicht von dem der ungefüllten Schmelzen.Ein signifikanter Einfluß der Füllstoffe zeigt sich jedoch beim Einströmen in Kapillaren. Während die ungefüllten Schmelzen nach sehr kurzer Zeit ein laminares Strömungsprofil ausbilden, findet man mit zunehmender Füllung im Bereich stabiler Einströmbedingungen einen sehr hohen Einlaufdruckverlust bei kurzen Kapillaren, nicht jedoch bei Lochdüsen. Dies deutet auf einen Verfestigungsmechanismus bei der Ausbildung des laminaren Strömungsprofils hin, der durch Aggregierungsvorgänge im Bereich der hohen Dehnbeanspruchung in der konvergenten Einlaufströmung bewirkt wird.

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For the visualization of polymer flow in the entry region of a capillary, a method has been developed that uses distinct crystallization phenomena of the partially crystalline polymer itself solidifying from a presheared melt. The solid polymer shows so-called flow lines made up of transcrystalline overgrowth on rows of nuclei capable of showing a picture of the past melt-flow streamlines. The development of circulating flow in the entry region of capillaries could be shown with an injection-molding type LDPE. The higher molecular-weight types appeared to show unstable flow with disappearing circulating flow in the corners even at very low flow rates. The bulk polymer seems to flow into the capillary from certain parts of the reservoir until a critical strain is reached, then snaps back, giving way for the same flow type from another part of the reservoir. The behaviour of the suspensions does not differ in this respect from that of the pure melts.A significant filler influence is, however, shown within the capillary. While unfilled polymer melts reach steady flow conditions only one or two diameters downstream of the capillary entrance, an entry pressure loss increasing with increasing filler content is found in short capillaries (l/d = 5 – 15), but not in no-land dies (l/d 1). This seems to indicate a flow hardening mechanism in the region where the steady laminar flow profile develops and which might result from the very high extensional strain (next to instability) in the converging flow of the capillary entrance.

Zweiter Teil einer vom Fachbereich Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation.     

Ein rheometer zur untersuchung von flüssigen polymermaterialien in einachsiger und zweiachsiger Dehnung

Zusammenfassung Wir stellen ein neues Dehnrheometer vor, mit dem sowohl einachsige als auch zweiachsige Dehnexperimente an flüssigen Polymermaterialien durchgeführt werden können. Bei der Apparatur wird das Prinzip der atmenden Blase verwendet: Über eine Düse wird in das zu untersuchende Material eine kugelförmige Blase aus einer niederviskosen, inkompressiblen, unmischbaren Flüssigkeit injiziert. Wachstum bzw. Schrumpfen dieser Blase führt zu einer zweiachsigen bzw. einachsigen Dehndeformation der umgebenden Polymerflüssigkeit. Der Injektionsdruck dient als Meßgröße zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften des Probenmaterials. Bei vergleichsweise niederviskosen Silikonölen gelingt die Messung der Nullviskosität bzw. der linear viskoelastischen Eigenschaften in guter Übereinstimmung mit Scherexperimenten. Bei Materialien mit ausgeprägt nichtlinear viskoelastischem Verhalten kann unter Anwendung des Wagner-Modells die Dämpfungsfunktion für ein- und zweiachsige Dehnung ermittelt werden. Unsere Ergebnisse für das Polyisobutylen Oppanol B 15 stimmen mit Messungen von Demarmels und Meißner überein, die mit der Methode der Rotierenden Klemmen durchgeführt werden. Für drei Polyisobutylene unterschiedlichen Molekulargewichts ergibt sich im Rahmen der Meßgenauigkeit die gleiche Dämpfungsfunktion.Vortrag auf der Jahrestagung 1991 der Deutschen Rheologischen Gesellschaft e.V. in Berlin.     

Untersuchung der verdickung von latex-dispersionen durch ethylacrylat-methacrylsäure-copolymere

Zusammenfassung Es wurden dynamische and stationdre Scherversuche durchgeführt, um den Verdickungseinfluß von Copolymeren aus Ethylacrylat and 15, 40 bzw. 65 Gew. % Methacrylsdure auf Latex-Dispersionen aus Ethylacrylat mit 0 bzw. 1 Gew. % Acrylsaure zu untersuchen. Nach Überschreiten eines Schwellwertes der Verdickungsmittelkonzentration, welche mit dem Sauregehalt im Verdickungsmittel und im Latex abnahm, wurde ein starker Anstieg des Speicher-und Verlust-Moduls (G and G) sowie der Fließgrenze und der Thixotropie beobachtet. Gleichzeitig wurde ein Überwiegen der viskosen Eigenschaften sowie eine zunehmende Flockulationsfähigkeit des Verdickungsmittels festgestellt. Bei größerem Säuregehalt im Latex überwogen die elastischen Eigenschaften, gleichzeitig erhöhte sich die Bestandigkeit gegen Flockulation. Die Verdickungswirkung der unterschiedlich zusammengesetzen Systeme wird durch die Ausbildung einer Raumnetzstruktur erklärt. Das Flockulationsverhalten wird auf Änderungen der Ladung und des freien Volumens zurückgeführt.

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The thickening effect of latices of ethylacrylate-methacrylic acid copolymers (15, 40, and 65 wt. % of the acid) on latices of ethylacrylate-acrylic acid copolymers (0 and 1 wt. % of the acid) was studied by using dynamic and steady shear flow measurement. It was found that beyond a certain concentration of the thickener the storage modulus G, the loss modulus G, the yield stress values, and thixotropic behavior rapidly increased. At the same time, viscous properties and the flocculation ability of the thickeners prevailed. On the contrary, an increase in acid content in the latex made the elastic properties and flocculation resistance of the system more pronounced. The thickening effect is explained by the formation of an ordered structure. The flocculation behavior is explained by changes of the electrical charge and the free volume.

Teilweise vorgetragen an der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft, 13.–15. Mai 1991, Berlin.     

Zur homogenen Maschine mit Zusatzdrehmassen

Zusammenfassung Unter gewissen Bedingungen liefern die für die Berechnung der Eigenwerte einer homogenen Maschine mit Zusatzdrehmassen maßgebenden transzendenten Gleichungen bei alleiniger Berücksichtigung der reellen Lösungen zu wenig Eigenfrequenzen. Die fehlenden Frequenzen — es handelt sich hierbei stets um die höchsten — erhält man aus den komplexen Lösungen. Es werden, unter Beschränkung auf eine oder zwei Zusatzmassen, die Bedingungen untersucht, bei denen komplexe Eigenwerte auftreten, und die in diesen Fällen geltenden Gleichungen für die Eigenfrequenzen, Momente und Drehwinkel abgeleitet. Neben dem Verhältnis der Trägheitsmomente ist auch dasjenige der Federkonstanten für das Auftreten komplexer Lösungen von Bedeutung, so daß solche, wie man aus den zuständigen Bedingungsgleichungen ersieht, auch bei sehr großen Zusatzmassen vorkommen können. Man kann übrigens zeigen, daß beim Vorhandensein von z Zusatzmassen maximal z komplexe Eigenwerte möglich sind.Es sei hier noch vermerkt, daß sich die gewonnenen Ergebnisse analog auf homogene Schwingungsketten mit Zusatzmassen an den Enden übertragen lassen.     

Die freien Massenkräfte des Sternmotors

Zusammenfassung Bei den bisherigen Untersuchungen über die Massenkräfte von Sternmotoren mit mittelbarer Nebenpleuelanlenkung, die sich auf die Kräfte erster und zweiter Ordnung beschränkten, ergaben sich für ausgeführte Motoren, besonders bei großen Zylinderzahlen, noch beträchtliche Kräfte zweiter Ordnung. Durch eine erweiterte Untersuchung, die auch die Glieder höherer Ordnung umfaßt, konnte für den praktisch wichtigen Fall der regelmäßigen Nebenpleuelanlenkung, wobei sämtliche Anlenkhalbmesser einander gleich und die Anlenkwinkel jeweils gleich den zugehörigen Zylinderwinkeln sind, allgemein gezeigt werden, daß nur Kräfte erster, zweiter und höherer gerader Ordnung auitreten, während samtliche Kräfte ungerader Ordnung verschwinden. Die noch explizit angegebenen Kräfte vierter Ordnung werden in der Regel sehr klein.     

Die Stabilität rotierender Wellen infolge innerer und äußerer Dämpfung

Zusammenfassung Es wurde das Stabilitätsverhalten einer rotierenden Welle bei gleichzeitigem Vorhandensein von äußerer und innerer Dämpfung untersucht. Die äußere Dämpfungskraft wurde proportional der Absolutgeschwindigkeit vorausgesetzt, während für die innere Reibungskraft zwei verschiedene Gesetze unterschieden wurden, einerseits ein viskoses nach Voigt-Kelvin mit einer Reibungskraft proportional der Verformungsgeschwindigkeit und andererseits ein von Kimball-Lovell experimentell gefundenes Gesetz für Materialdämpfung. Obschon die Stabilitätsbedingungen für die Welle mit einem Freiheitsgrad bekannt sind, wurde in einem ersten Teil eine solche sog. Lavalwelle untersucht, um in einem zweiten Teil, der den Schwerpunkt der Untersuchung darstellt, den Vergleich mit der sog. glatten Welle, also einer Welle mit mehreren Freiheitsgraden im Sinne der Kontinuumsmechanik, zu ermöglichen.Die untersuchten Arten der inneren Reibung liefern bekanntlich für die Lavalwelle zwei grundsätzlich verschiedene Stabilitätsbedingungen: Während für die innere Dämpfung nach Kimball-Lovell ein Minimalverhältnis äußerer zu innerer Reibung genügt, um im ganzen Drehzahlbereich ein stabiles Verhalten zu gewährleisten, ist bei Voraussetzung einer viskosen inneren Dämpfung nach Voigt-Kelvin das nötige Minimalverhältnis im überkritischen Bereich von der Drehzahl linear abhängig.Es wurde gezeigt, daß bei der glatten Welle dieser Unterschied der beiden inneren Dämpfungsarten bezüglich des Stabilitätsverhaltens mindestens bei höheren Drehzahlen grundsätzlich verschwindet. Bei schwacher Dämpfung steigt das notwendige Minimalverhältnis der äußeren zur inneren Dämpfung für den stabilen Lauf mit zunehmenden Drehzahlen progressiv an. Bei größeren Dämpfungswerten hingegen ist die Stabilität von drei Parametern, nämlich der äußeren Dämpfung, die inneren Dämpfung und der Drehzahl, abhängig. Man kann die Parameter als Koordinaten eines räumlichen Koordinatenkreuzes auffassen und das Stabilitätsverhalten durch Aufspannen eines Stabilitätskörpers darstellen; der bei schwacher Dämpfung zu einer Stabilitätskarte degeneriert. Stabilitätskörper und -Karten wurden mitgeteilt und diskutiert. Danach läßt sich das Stabilitätsverhalten der Lavalwelle mindestens im Bereich höherer Drehzahlen nicht auf die glatte Welle übertragen.     

Charakteristikenverfahren für die eindimensionale instationäre Gasströmung

Zusammenfassung Die Potentialgleichung der eindimensionalen instationären Gasströmung wurde durch eine Legendre-Transformation auf eine lineare Differentialgleichung zurückgeführt. Dadurch ergab sich ein dem Verfahren von Prandtl und Busemann für zweidimensionale stationäre überschallströmungen analoges Charakteristikenverfahren zur Konstruktion eindimensionaler instationärer Gasströmungen bei vorgegebenen Randbedingunge. Es ist sowohl im über- wie im Unterschallbereich brauchbar und wurde teils auf bekannte Strömungen mit einer Wellenschar, teils auf Strömungen mit zwei sich überschneidenden Wellenscharen angewandt, für die man bisher noch kein einfaches Konstruktionsverfahren hatte.     

Über den Landestoß von Flugzeugschwimmern

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die bisherigen Ansätze zur Berechnung des Landestoßes auf Flugzeugschwimmer durch Berücksichtigung der endlichen Schwimmerlänge zu erweitern. Die gegebene Lösung gilt für schwach gekielte Schwimmer, deren Stoßfläche eine sich im Verlauf des Stoßvorganges ähnlich vergrößernde Ellipse ist.     

Die Wechselwirkung zwischen Schwinger und Antrieb bei erzwungenen Schwingungen

de]Zusammenfassung Die bei erzwungenen Schwingungen mit Rückwirkung des Schwingers auf den Antrieb auftretenden Erscheinungen wurden untersucht. Dabei ergaben sich als wichtigste Eigenschaften:Bei einer mit der Drehzahl fallenden Momentenkennlinie, wie sie z. B. im Arbeitsbereich von Elektromotoren meist vorliegt, können unter den hier angegebenen Bedingungen beim Durchfahren der kritischen Drehzahl Amplituden- und Frequenzsprünge auftreten.Im Gebiet der Resonanz ergeben sich neuartige Bedingungen für die Stabilität von stationären Schwingungszuständen. Es wurde gezeigt, daß die Stabilität von der Neigung der Momentenkurve und vom Größenverhältnis von Motor und Schwinger abhängt. Die normierte Darstellung ermöglicht es, die Stabilitätsbedingungen für beliebige Schwinger des behandelten Typs rasch quantitativ zu berechnen.Die erhaltenen Ergebnisse haben unmittelbare praktische Bedeutung für Systeme, die im Resonanzgebiet arbeiten. Das ist z. B. bei Schwingsieben und Schwingförderrinnen der Fall. Auch beim Hochfahren und Anlaufen von überkritisch laufenden Maschinen können die hier beschriebenen Erscheinungen vorkommen und müssen gegebenenfalls berücksichtigt werden.     

Zur parametererregung des rad-schiene-systems: Berechnung der fahrzeug-fahrweg-untergrund-dynamik und experimentelle verifikation am hochgeschwindigkeitszug intercity experimental

Übersicht Die diskrete Stützung der Schiene auf Schwellen in regelmäßigem Abstand ergibt für den fahrenden Zug eine Parametererregung. Die Berechnung der parametererregten Schwingungen und der zugehörigen dynamischen Radlasten erfordert die Analyse des Gesamtsystems Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund. Es wird eine Substrukturmethode vorgestellt, bei der Fahrzeug, Fahrweg und Untergrund jeweils mit geeigneten Methoden (Mehrkörperdynamik, Finite Elemente, Randelemente) berechnet werden. Das Verfahren wird auf eine Situation angewandt, die auch mehrfach experimentell untersucht wurde, die Hochgeschwindigkeitsversuchsfahrten des Intercity Experimental (ICE) auf der Neubaustrecke bei Würzburg. Es werden die Ergebnisse der Teilsysteme und des Gesamtsystems und schließlich die dynamische Radlast für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten dargestellt. Die dynamische Radlast nimmt bei Steigerung der Fahrgeschwindigkeit bis 200 km/h zu, bleibt bei höheren Fahrgeschwindigkeiten jedoch ungefähr konstant. Eine ähnliche Tendenz wird bei den Erschütterungen in der Umgebung bemerkt. Mit den berechneten Radlasten werden die ICE-Vorbeifahrten sehr detailliert simuliert und die berechneten Erschütterungen mit den gemessenen verglichen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung, so daß der wichtige Fahrgeschwindigkeitseffekt als theoretisch und experimentell abgesichert angesehen werden kann.

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Parametric excitation of rail-wheel-system: calculation of vehicle-track-subsoil-dynamics and experimental results of the high speed train intercity experimental

Summary The discrete support of the rail on regularly spaced sleepers leads to a parametric excitation of the running train. To calculate the resulting vibrations and the additional dynamic loads the complete vehicle-track-subsoil system must be considered. A substructure method using appropriate methods for each subsystem (rigid bodies, finite elements, boundary elements) is presented and applied to a situation which was measured three times during highspeed test runs of the Intercity Experimental (ICE) near Würzburg. The results of the subsystems are shown and the coupling leads finally to the dynamic loads moving on the track. These loads increase with speed up to 200 km/h but remain nearly constant at higher speeds. A similar tendency was found in the measured vibrations near the track. To compare theory and experiment the calculated moving loads were used to simulate the environmental vibrations of the ICE test runs showing a good agreement.

     

Determination of stress intensity factors by the dynamic method of caustics for optically isotropic materials

Summary The method of caustics is an optical method for experimental determination of stress intensity factors at crack tips. The paper generalizes the method of caustics to dynamic situations and the dynamic stress intensity factor at the tip of a running crack in an optically isotropic material is determined. Higher order terms of the Westergaard type stress functions are included and their effect on the shape and extension of the highly constrained zone surrounding a crack tip is discussed. Analytical equations for the caustic are presented. For the singular solution it is found that dynamic K-values associated with larger shadow spots are lower than their static counterparts. Higher order terms induce a generalized evaluation formula for the stress intensity factor where powers of the order n + 5/2 (n = 0, ...) of the caustic diameter are present. The effect of superposition of dynamic and higher order term corrections on the K-value is discussed. The dynamic correction implies that the K(c)-characteristic (c ... crack velocity) is to be modified towards lower values of K. This correction is negligible for small and moderate crack velocities justifying the use of static equations for practical purposes. The K-values for crack branching, however, turn out to be smaller than assumed hitherto, a fact which is of particular interest in connection with SEN-type fracture test specimens.

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Übersicht Die schattenoptische Methode — auch Methode der Kaustik genannt — ist ein wichtiges Verfahren zur experimentellen Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors K an einer Rißspitze. Die vorliegende Arbeit verallgemeinert die schattenoptische Methode auf dynamische Rißausbreitungsvorgänge in optisch isotropen Materialien. Die Bestimmung des dynamischen Spannungsintensitätsfaktors an der Rißspitze schnellaufender Risse aus der Geometrie des Schattenflecks wird aufgezeigt und eine dynamische Korrekturfunktion angegeben.Glieder höherer Ordnung in den Westergaardschen Spannungsfunktionen werden beibehalten und deren Einfluß auf die Gestalt und Ausdehnung der Zone großer Verzerrungen um die Rißspitze sowie die Form und Größe der Kaustik werden untersucht. Bei Berücksichtigung des alleinigen singulären Anteiles des Spannungsfeldes um die Rißspitze zeigen die Rechnungen, daß die mit laufenden Rissen verbundenen K-Werte kleiner als die entsprechenden statischen sind, der Unterschied für praktische Zwecke jedoch erst bei Rißgeschwindigkeiten in der Umgebung der Verzweigungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden muß.Die Glieder höherer Ordnung beeinflussen die Struktur der Beziehung zwischen Spannungsintensitätsfaktor und Kaustikdurchmesser. Die Auswerteformel, die im (statischen und dynamischen) singulären Fall eine D ^5/2- Abhängigkeit des Spannungsintensitätsfaktors vom Kaustikdurchmesser zeigt, weist bei Berücksichtigung höherer Terme Abhängigkeiten der höheren Ordnungen n + 5/2(n = 1, ...). auf. Die Korrekturfaktoren für die K-Werte, die im singulären Fall nur von der Rißgeschwindigkeit abhängig sind, werden explizite Funktionen des Kaustikdurchmessers. Das Zusammenwirken von dynamischen Effekten und Einflüssen zufolge des nichtsingulären Spannungsfeldanteiles kann bei bestimmten Arten der Probenbelastung und Probengeometrie zu einer erheblichen Korrektur des K-Wertes führen.Im experimentell gewonnenen Schaubild, das die Rißgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Spannungsintensitätsfaktors darstellt, verursacht die dynamische Korrektur eine Verschiebung der Kurve zu etwas niedrigeren K-Werten. Dies bedeutet, daß der K-Wert bei der Rißverzweigung kleiner ist als bisher angenommen; eine Tatsache, die besonders in Verbindung mit der SEN-Bruchprobe von Interesse ist.