Spannungsrelaxation von Elastomeren auf dem Prüfstand

Um die Spannungsrelaxation von Elastomeren zu messen, hat das Fraunhofer LBF einen mehrkanaligen Prüfstand entwickelt.

Die Spannungsrelaxationsmethode ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, um Aussagen über die Lebensdauer von Elastomeren unter bestimmten Einflüssen zu treffen. Damit wird die Aktivierungsenergie der thermischen Alterung bestimmt. Allerdings dauern die Messungen je nach gewählter Temperatur bislang mehrere Wochen bis Monate.

Um das Verfahren zu beschleunigen, haben Forscher des Fraunhofer LBF in Darmstadt einen Prüfstand entwickelt. Damit ist es möglich, die Aktivierungsenergie unter sechs verschiedenen Temperaturen gleichzeitig zu testen und neben der Effizienz auch die Qualität der Lebensdauervorhersage zu verbessern.

Dabei wird das Material unter erhöhter Temperatur um einen gewissen Betrag gedehnt, üblicherweise um 10 %. Anschließend wird diese Dehnung aufrechterhalten und die Zugspannung des Materials kontinuierlich gemessen. Es lässt sich erkennen, dass die Spannung im Zeitverlauf immer weiter abnimmt, es kommt also zur Relaxation der Spannung. Ursache dafür sind Alterungsvorgänge in der Probe: physikalische und chemische Vernetzungspunkte werden abgebaut, Polymerketten durchtrennt.

Der mehrkanalige Messplatz besteht aus sechs Prüfkammern, die sich unabhängig voneinander einstellen lassen. Die Darmstädter Forscher können in jeder der Kammern Proben mit einer konstanten Temperatur und einer bestimmten Wegauslenkung untersuchen. Ein Kraftsensor zeichnet die stetig sinkende Zugkraft über die gesamte Prüfdauer auf. Diese parallele Messung der Alterungsvorgänge ermöglicht eine Zeitersparnis von mehreren Wochen gegenüber einkanaligen Prüfständen.

Wie hoch die Aktivierungsenergie ist, lässt sich mithilfe eines Auswertealgorithmus bestimmen. Diesen hat das LBF auf Basis der sogenannten Masterkurvenkonstruktion entwickelt. Dabei werden die Einzelkurven der unterschiedlichen Temperaturen mit passenden Verschiebungsfaktoren zu einer Masterkurve zusammengesetzt. Durch die Auftragung und Anpassung der logarithmierten Verschiebungsfaktoren in einem Arrhenius-Diagramm können die Wissenschaftler die Aktivierungsenergie bestimmen.

Mit der Methode lassen sich zu jeder beliebigen Temperatur die Verschiebungsfaktoren errechnen und dazu passende Kraft-Zeit-Kurven vorhersagen. Dies erlaubt eine Abschätzung der Lebensdauer der Materialien. Es zeigt sich, dass die Aktivierungsenergie der Spannungsrelaxation mit der aus sehr aufwändigen zyklischen Ermüdungsexperimenten übereinstimmt. „Mit dieser Methode verringert sich der Messaufwand und verkürzt sich die Materialentwicklung deutlich“, betont Dr. Dirk Lellinger aus dem LBF-Forscherteam.

sk