DIN 53545-2016 Testing of rubber - Determination of low-temperature behaviour of elastomers - Principles and test methods《橡胶的试验 橡胶耐低温性能的测定 原理和试验》.pdf

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1、Dezember 2016DEUTSCHE NORM Preisgruppe 8DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 83.060!%X“2579853www.din.deDIN 53545Prfung von Kautschuk und Elastomeren Bestimmung

2、des Verhaltens von Elastomeren bei tiefen Temperaturen (Klteverhalten) Grundlagen und PrfverfahrenTesting of rubber Determination of low-temperature behaviour of elastomers Principles and test methodsEssai du caoutchouc et des lastomres Dtermination du comportement basse temprature Principes et mtho

3、des dessaiAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinErsatz frDIN 53545:1990-12www.beuth.deGesamtumfang 12 SeitenDDIN-Normenausschuss Materialprfung (NMP)DIN-Normenausschuss Elastomer-Technik (NET)DIN 53545:2016-12 2 Inhalt Seite Vorwort 3 1 Anwendungsbereich . 4 2 Normative Verwe

4、isungen . 4 3 Grundlagen. 4 3.1 Allgemeines . 4 3.2 Einfrierverhalten . 5 3.2.1 Allgemeines . 5 3.2.2 Charakteristische Temperaturbereiche . 6 3.2.3 Charakteristische Temperaturpunkte . 7 3.3 Kristallisationsverhalten (Kltelagerungsverhalten) . 8 4 Prfverfahren . 8 4.1 Allgemeines . 8 4.2 Bestimmung

5、 des Einfrierverhaltens . 9 4.2.1 Allgemeines . 9 4.2.2 Bestimmung charakteristischer Temperaturbereiche . 9 4.2.3 Bestimmung charakteristischer Temperaturpunkte . 9 4.3 Ermittlung des Kristallisationsverhaltens (Kltelagerungsverhalten) . 10 Literaturhinweise . 12 DIN 53545:2016-12 3 Vorwort Dieses

6、Dokument wurde vom NA 062-04-34 AA Prfung der physikalischen Eigenschaften von Kautschuk und Elastomeren“ des DIN-Normenausschusses Materialprfung (NMP) erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. DIN ist nicht dafr verantwort

7、lich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. nderungen Gegenber DIN 53545:1990-12 wurden folgende nderungen vorgenommen: a) Aktualisierung der Normativen Verweisungen; b) 4.3 Ermittlung des Kristallisationsverhaltens“ berarbeitet; c) Norm redaktionell berarbeitet. Frhere Aus

8、gaben DIN 53545: 1967-11, 1981-08, 1990-12 DIN 53545:2016-12 4 1 Anwendungsbereich Dieses Dokument legt die Grundlagen, die das Verhalten von Elastomeren bei tiefen Temperaturen (Klteverhalten) kennzeichnen, fest. Es werden Prfverfahren zur Bestimmung des Klteverhaltens bei Kurzzeitkltelagerung und

9、lang andauernder Kltelagerung beschrieben. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verwe

10、isungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 53504, Prfung von Kautschuk und Elastomeren Bestimmung von Reifestigkeit, Zugfestigkeit, Reidehnung und Spannungswerten im Zugversuch DIN 53513, Prfung von Kautschuk und Elastomeren Bestimmung der

11、visko-elastischen Eigenschaften von Elastomeren bei erzwungenen Schwingungen auerhalb der Resonanz DIN 53535, Prfung von Kautschuk und Elastomeren Grundlagen fr dynamische Prfverfahren DIN 53548:1983-01, Prfung von Kautschuk und Elastomeren Bestimmung des Einfrierverhaltens von Elastomeren durch Mod

12、ul-Temperatur-Messungen (Gehmann-Prfung) DIN EN ISO 6721-2, Kunststoffe Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften Teil 2: Torsionspendel-Verfahren DIN ISO 48, Elastomere und thermoplastische Elastomere Bestimmung der Hrte (Hrte zwischen 10 IRHD und 100 IRHD) DIN ISO 812, Elastomere oder thermo

13、plastische Elastomere Bestimmung der Kltesprdigkeitstemperatur DIN ISO 815-2, Elastomere oder thermoplastische Elastomere Bestimmung des Druckverformungsrestes Teil 2: Bei niedrigen Temperaturen DIN ISO 7619-1, Elastomere oder thermoplastische Elastomere Bestimmung der Eindringhrte Teil 1: Durometer

14、-Verfahren (Shore-Hrte) ISO 2921, Rubber, vulcanized Determination of low-temperature retraction (TR test) ISO 3387, Rubber Determination of crystallization effects by hardness measurements 3 Grundlagen 3.1 Allgemeines Das Klteverhalten von Elastomeren wird hauptschlich durch zwei Vorgnge im Polymer

15、 bestimmt; diese sind das Einfrieren und das Kristallisieren. DIN 53545:2016-12 5 3.2 Einfrierverhalten 3.2.1 Allgemeines Zur Charakterisierung des Einfrierverhaltens eines Elastomers wird die Temperaturabhngigkeit einer visko-elastischen, kalorischen oder thermischen Kenngre bestimmt. Es wird zwisc

16、hen verschiedenen Kenngren unterschieden, deren Temperaturabhngigkeit stufenfrmig ist, wie z. B. dem dynamischen Schubmodul, der Hrte, dem Spannungswert bei 100 % Dehnung, der Reifestigkeit oder der spezifischen Wrmekapazitt und Kenngren, die in Abhngigkeit von der Temperatur ein Maximum oder ein Mi

17、nimum durchlaufen, wie z. B. dem Verlustmodul, dem mechanischen Verlustfaktor, dem logarithmischen Dekrement oder der Reidehnung. Auerdem gibt es Kenngren, bei denen sich die Steigung der Temperaturkurven unvermittelt ndert, wie z. B. beim thermischen Lngenausdehnungskoeffizienten. In Bild 1 sind al

18、s Beispiel in idealisierter Form der Speicher-Schubmodul G1)und der Verlust-Schubmodul G1)eines Elastomers in Abhngigkeit von der Temperatur aufgetragen. An der Stelle des Wendepunktes des Speicher-Schubmoduls wird ein Maximum des Verlust-Schubmoduls beobachtet. Legende T Temperatur G Verlust-Schubm

19、odul TSKltesprdigkeitspunkt I energieelastischer Zustandsbereich TRKlterichtwert II bergangsbereich TLGrenztemperatur fr entropieelastisches Verhalten III entropieelastischer Zustandsbereich G Speicher-Schubmodul Bild 1 Speicher-Schubmodul und Verlust-Schubmodul als Funktion der Temperatur, Schema D

20、a sich bei hochpolymeren Stoffen der Bewegungsmechanismus der Polymerkettensegmente in der Regel nicht durch nur eine Relaxationszeit beschreiben lsst, werden Verzerrungen und besonders bei Verschnitten sogar mehrere Maxima des Verlust-Schubmoduls G und mehrere Stufen bzw. mehrere Wendepunkte des Sp

21、eicher-Schubmoduls G beobachtet. Ein Beispiel ist in Bild 2 dargestellt. 1) Begriff nach DIN 53535. DIN 53545:2016-12 6 Der genaue Kurvenverlauf ist jeweils abhngig von dem gewhlten Prfverfahren und von den Prfbedingungen. Bei den dynamischen Prfungen sei besonders auf die Abhngigkeit von der Freque

22、nz hingewiesen. Bei steigender Prffrequenz kommt es zu einer Verschiebung der Kurven von G und G zu hheren Temperaturen. Legende T Temperatur I energieelastischer Zustandsbereich TR1,TR2Klterichtwerte entsprechender Verschnittkomponenten IIa IIb bergangsbereich 1 bergangsbereich 2 G Speicher-Schubmo

23、dul III entropieelastischer Zustandsbereich G Verlust-Schubmodul Bild 2 Speicher-Schubmodul und Verlust-Schubmodul als Funktion der Temperatur bei einer Verschnittmischung (2 Kautschuktypen), Schema 3.2.2 Charakteristische Temperaturbereiche Es werden drei Bereiche unterschieden, in denen die Elasto

24、mere charakteristische Eigenschaften haben. Eine genaue Abgrenzung der drei Bereiche gegeneinander durch bestimmte Temperaturen ist schwierig. Es sollten deshalb mglichst die gemessenen Kurven selbst angegeben werden. DIN 53545:2016-12 7 a) Bereich I: Energieelastizitt (Stahlelastizitt) Der energiee

25、lastische Zustandsbereich ist durch einen hohen Speicher-Schubmodul G und einen niedrigen Verlust-Schubmodul G gekennzeichnet. Die Energieelastizitt beruht auf der reversiblen nderung der Schwingungs- und Rotationszustnde der Atome und Moleklteile. Translatorische Bewegungen von Segmenten der Polyme

26、rkette sind infolge einer zu geringen kinetischen Energie nahezu unmglich; der amorphe Anteil des Materials befindet sich im sogenannten eingefrorenen Zustand (Stahl- oder Glaszustand) und ist meist sprde. b) Bereich II: bergangsbereich Im bergangsbereich (auch als Glasbergangsbereich bezeichnet) be

27、wirkt eine relativ geringe Temperaturnderung eine groe nderung des Speicher-Schubmoduls G. Bei fallender Temperatur werden Bewegungsmechanismen von Polymerkettensegmenten in zunehmendem Mae unterdrckt (Einfrieren), bei steigender Temperatur erfolgt eine Anregung dieser Bewegungsmechanismen (Erweiche

28、n). Der Verlust-Schubmodul G hat im bergangsbereich ein Maximum. Es liegt ein lederartiger Zustand vor. c) Bereich III: Entropieelastizitt (Gummielastizitt) Der entropieelastische Zustandsbereich wird durch einen niedrigen Speicher-Schubmodul G und einen geringen Verlust-Schubmodul G charakterisiert

29、 (Gummielastizitt). Die Segmente der Polymerkette besitzen in diesem Zustand eine hohe Beweglichkeit (Mikro-Brownsche Bewegung). 3.2.3 Charakteristische Temperaturpunkte Soll das Einfrierverhalten durch bestimmte Temperaturpunkte, die durch dynamische, quasistatische oder thermoanalytische Prfverfah

30、ren zu ermitteln sind, gekennzeichnet werden, kann dies durch die Angabe dreier charakteristischer Temperaturpunkte erfolgen. Im Allgemeinen liegt der Anwendungsbereich eines Elastomers oberhalb dieser charakteristischen Temperaturpunkte, die im Folgenden nher definiert werden: Der Kltesprdigkeitspu

31、nkt TSist bestimmt durch die Temperatur, bei der unter einer definierten Kurzzeitbeanspruchung (Prfverfahren siehe 4.2.3) das Elastomer gerade nicht mehr bricht, splittert oder sonst wie beschdigt wird. Er liegt an der Grenze zwischen dem energieelastischen Zustandsbereich und dem bergangsbereich. D

32、ie Versuchsergebnisse weisen eine besonders starke Abhngigkeit von dem jeweils gewhlten Prfverfahren auf. Der Klterichtwert TRist die Temperatur, bei der die nach 4.2.3 ermittelte Kenngre ein Maximum erreicht (z. B. das logarithmische Dekrement), die Kurve einen Wendepunkt hat (z. B. die Kurve der s

33、pezifischen Wrmekapazitt) oder die Kurve unvermittelt ihre Steigung ndert (z. B. die Kurve des Wrmeausdehnungskoeffizienten). TRliegt im bergangsbereich zwischen dem energie- und dem entropieelastischen Zustandsbereich. Die Temperaturen fr bestimmte Punkte (z. B. Maximum, Wendepunkt) in den Kurvenve

34、rlufen der Kenngren stimmen nicht unbedingt berein. Auch der TR-Wert ist verfahrensabhngig, insbesondere auch abhngig von der Verformungsgeschwindigkeit bzw. der Frequenz (siehe 4.2) und der Heizrate. Bei einem Verhalten nach Bild 2, z. B. beim Vorliegen von Verschnitten, ist es nicht mglich, einen

35、einzigen Klterichtwert TRanzugeben, sondern es sollten TR1und TR2angegeben werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, TSund TL(siehe 4.2) zur Beurteilung heranzuziehen. Die Grenztemperatur fr entropieelastisches Verhalten TList bestimmt durch die Temperatur, bei der sich unter den Bedingungen eines

36、der Prfverfahren nach 4.2.2 die zu messenden Eigenschaftswerte im Vergleich zu den bei (23 null 2) C gemessenen Eigenschaftswerten um einen bestimmten Faktor bzw. bestimmten Betrag gendert haben. Bei Schubmodul-, Dehnmodul- und Spannungswertmessungen betrgt dieser Faktor vorzugsweise 5 (2, 10, 20, 5

37、0, 100), bei Hrtemessungen ist dieser Betrag 5 (10) Shore A bzw. IRHD (siehe DIN ISO 48); die Grenztemperatur TLwird dann z. B. mit T5bezeichnet. Auch die Grenztemperatur ist von dem gewhlten Prfverfahren abhngig. DIN 53545:2016-12 8 3.3 Kristallisationsverhalten (Kltelagerungsverhalten) Werden best

38、immte Kautschuktypen oder deren Vulkanisate bei tiefen Temperaturen lange gelagert, dann kommt es nach Ablauf einer Inkubationszeit zu einer teilweisen Orientierung der Polymerketten. Die Geschwindigkeit der dabei auftretenden Kristallisation ist temperaturabhngig und hat bei einer bestimmten Temper

39、atur, die von dem speziellen Kautschuktyp (siehe Tabelle 1), der Zusammensetzung der Kautschukmischung und dem Vulkanisationsgrad abhngig ist, ein Maximum. Der (scheinbare) Endpunkt der Kristallisation kann je nach Lagerungsbedingungen in wenigen Minuten oder auch erst nach Monaten erreicht werden.

40、Durch eine zustzliche Verformung der Elastomerprobe whrend der Lagerung wird die Kristallisationsgeschwindigkeit bei bestimmten Elastomeren stark erhht. Diese Erscheinung wird als Dehnungskristallisation bezeichnet, die auch bei einer Umgebungstemperatur von (23 null 2) C mglich ist. Wegen der nur t

41、eilweisen Kristallisation der Elastomere kommt es u. a. nur zu einer Versteifung des Materials, nicht jedoch zu einer Versprdung. ANMERKUNG Bei der Messung des dynamischen Schubmoduls als Funktion der Temperatur (z. B. nach DIN 53513, DIN EN ISO 6721-2) kann es whrend des Aufheizens infolge eintrete

42、nder Kristallisation und anschlieenden Schmelzens der Kristallite zur Ausbildung eines Maximums des Kurvenverlaufs im bergangsbereich kommen, wobei Strke und Lage dieses Maximums u. a. von der Heizrate abhngig sind. Das Kristallisationsverhalten wird ermittelt durch eine Messung der nderung physikal

43、ischer Eigenschafts-werte (z. B. Hrte, Verformungsrest) nach lngerer Kltelagerung (im Allgemeinen lnger als 1 Tag) bei konstanter Temperatur. Wird das Messergebnis noch durch andere physikalische Vorgnge als den Kristallisationsprozess whrend der Langzeit-Lagerung beeinflusst, wird ganz allgemein vo

44、m Kltelagerungsverhalten gesprochen. Tabelle 1 Temperaturen maximaler Kristallisationsgeschwindigkeit Kautschuktyp Temperatur C Chloropren-Kautschuk 10 Urethan-Kautschuk 10 Natur-Kautschuk 25 Butadien-Kautschuk 40 Dimethyl-Silikon-Kautschuk 55 4 Prfverfahren 4.1 Allgemeines Fr die Prfung der verschi

45、edenen Eigenschaften werden Prfverfahren nach 4.2 und 4.3 durchgefhrt. Es ist zu beachten, dass die jeweils ermittelten Temperaturwerte von dem angewandten Prfverfahren abhngig sind, insbesondere auch von der Form und den Maen der Probekrper, von der Verformungs-geschwindigkeit bzw. Frequenz sowie v

46、on der Heizrate. ANMERKUNG Bei den Prfungen nach DIN 53504, DIN ISO 7619-1 und DIN ISO 48 handelt es sich um Messverfahren, die vornehmlich bei einer Messtemperatur von (23 null 2) C angewendet werden. Falls die Prfverfahren angewendet werden, ist es auf jeden Fall erforderlich, dass sich die Probek

47、rper fr jede Messtemperatur im thermischen Gleichgewicht befinden und, dass auf Kristallisationseffekte geachtet wird. DIN 53545:2016-12 9 4.2 Bestimmung des Einfrierverhaltens 4.2.1 Allgemeines Diese Prfverfahren werden fr die Ermittlung des Klteverhaltens bei Kurzzeitkltelagerung (Einfrier-verhalt

48、en) herangezogen, d. h. bei Kltelagerungszeiten, die lediglich zur Einstellung des Temperatur-gleichgewichts bzw. zur Annherung an dieses erforderlich sind. Sie ermglichen die Ermittlung bestimmter Temperaturbereiche, in denen sich das visko-elastische, kalorische und thermische Verhalten eines Elas

49、tomers deutlich ndert, oder die Erfassung der Lage bestimmter Temperaturpunkte, die einen Anhalt fr die Funktionstauglichkeit der Elastomere geben knnen. In vielen Fllen empfiehlt es sich ferner, die nderung der Eigenschaftswerte bei Gebrauchstemperatur gegenber denjenigen bei der Umgebungs-temperatur von (23 null