Wearmeausdehnung, polymere Fasern, PMMA

Wissenschaft Naturwissenschaften allgemein
#1

Hi,

wie im Titel schon geschrieben, geht es um polymere Fasern (Durchmesser bis zu 0,5 mm) aus PMMA. Diese werden durch einen Loetkolben am Ende erhitzt (kein Kontakt zwischen Faser und Loetkolben). Dadurch dehnt sich das Ende der Faser aus und formt sich zu einer Art Kegel.

Mich wuerde nun folgendes interessieren:

Ist fuer die Ausdehnung rein die Waermeausdehnung zustaendig?

(WIKI: Unter Wärmeausdehnung versteht man die Längen- bzw. Volumenänderung eines Körpers, hervorgerufen durch eine Veränderung seiner Temperatur)

Oder spielen da interne Verspannungen, die vielleicht durch das Herstellungsverfahren der Fasern entstehen auch eine Rolle? (Mir wurde mal gesagt, dass die „Vorgeschichte“ bei den meisten Materialien von grosser Bedeutung ist.) Oder ist das in diesem Fall eher Unwichtig?

Bei Metallen gibt es ja sogenannte Formgedaechtnis-Legierung. Irgendwo bin ich darauf gestossen, dass es dies auch schon bei Kunststoffen geben soll (Wahrheitswert unbekannt). Ist vielleicht diese Ausdehnung des Faserendes ein Versuch des Materials in die Ursprungsform zuruek zukehren? Dazu muss ich noch sagen, dass sich in dem Material Loecher befinden. Diese dehnen sich ebenfalls aus.

Was spielt sich generell so in der Struktur (Molekuele, Molekuelketten) ab, wenn ein Material durch eine Waermezufuhr so verformt wird?

Fragen ueber Fragen…

Schon mal Danke

mit freundlichen Gruessen

Thomas

#2

Hallo Thomas,

Ist fuer die Ausdehnung rein die Waermeausdehnung zustaendig?

Wenn es die reine Warmeausdehnung ist, dann nimmt es beim Abkühlen auch wieder seine ursprüngliche Form an.

(WIKI: Unter Wärmeausdehnung versteht man die Längen- bzw.
Volumenänderung eines Körpers, hervorgerufen durch eine
Veränderung seiner Temperatur)

Dieser Vorgang ist aber eine direkte Funktion der Temperatur. Dabei entspricht jede Temperatur einer bestimmten Grösse des Objekts. Ist der Vorgang nicht umkehrbar, sind andere Vorgänge daran beteiligt !

Oder spielen da interne Verspannungen, die vielleicht durch
das Herstellungsverfahren der Fasern entstehen auch eine
Rolle? (Mir wurde mal gesagt, dass die „Vorgeschichte“ bei den
meisten Materialien von grosser Bedeutung ist.) Oder ist das
in diesem Fall eher Unwichtig?

Das ist sehr wichtig!
Polymere bilden ohne äussere Einflüsse Knäuel, so in etwa wie wenn du Wolle einfach in eine Kiste schmeisst, alle Fäden liegen, ohne eine erkennbare Vorzugsrichtung, wild durcheinander.
Deine Faser wird bei der Herstellung unter Zugspannung gesetzt. Das ist schon mal technisch nicht vermeidbar (Aufwickeln) aber auch gewollt.
Dabei strecken sich die Polymerketten in Längsrichtung.
So in der Art wie wenn du das obige Wollknäuel nimmst uns an zwei Seiten auseinanderziehst. Die meisten Fäden verlaufen dann in Richtung der Zugspannung.
Dadurch werden die Fasern zugfester.

Eigentlich würden sich die Polymerketten ja gerne wieder zusammenknäueln, aber das geht erst, wenn die Temperatur wieder entsprechend hoch ist.

Bei Metallen gibt es ja Sogenannte Formgedaechtnis-Legierung.
Irgendwo bin ich darauf gestossen, dass es dies auch schon bei
Kunststoffen geben soll (Wahrheitswert unbekannt).

Nimm eine beliebige Tiefgezogene Verpackung (Joghurtbecher, Pillenblister o.ä.) und wärme sie mit dem Föhn. Das Ding wird seine ursprüngliche flache Form wieder annehmen.

Ist
vielleicht diese Ausdehnung des Faserendes ein Versuch des
Materials in die Ursprungsform zuruek zukehren? Dazu muss ich
noch sagen, dass sich in dem Material Loecher befinden. Diese
dehnen sich ebenfalls aus.

Es kommt natürlich auch auf die Temperatur an. Wenn dein Material schmilzt, werden sich am Ende, durch die Oberflächenspannung, Tropfen bilden.
So wie du heizt, wird es einen Temperaturgradienten geben, das Faserende wird sicher wärmer sein als der weiter vom Lötkolben entfernte Teil. Somit wirst du Bereiche haben, welche schon schmelzen, andere in welchem sich das Material gerade mal plastisch verformen kann und dann ist die Temperatur so niedrig, dass sich da gar nichts bewegen kann.
Das Ganze gilt sowohl bezogen auf die Längsrichtung der Faser als auch bezogen auf den Querschnitt.

MfG Peter(TOO)

#3

Hallo Peter,

Hallo Thomas,

Ist fuer die Ausdehnung rein die Waermeausdehnung zustaendig?

Wenn es die reine Warmeausdehnung ist, dann nimmt es beim
Abkühlen auch wieder seine ursprüngliche Form an.

Da es sich nicht mehr in die urspruengliche Form zurueckformt, kann ich also die reine Waermeausdehnung ausschliessen…

(WIKI: Unter Wärmeausdehnung versteht man die Längen- bzw.
Volumenänderung eines Körpers, hervorgerufen durch eine
Veränderung seiner Temperatur)

Dieser Vorgang ist aber eine direkte Funktion der Temperatur.
Dabei entspricht jede Temperatur einer bestimmten Grösse des
Objekts. Ist der Vorgang nicht umkehrbar, sind andere Vorgänge
daran beteiligt !

s.o.

Oder spielen da interne Verspannungen, die vielleicht durch
das Herstellungsverfahren der Fasern entstehen auch eine
Rolle? (Mir wurde mal gesagt, dass die „Vorgeschichte“ bei den
meisten Materialien von grosser Bedeutung ist.) Oder ist das
in diesem Fall eher Unwichtig?

Das ist sehr wichtig!
Polymere bilden ohne äussere Einflüsse Knäuel, so in etwa wie
wenn du Wolle einfach in eine Kiste schmeisst, alle Fäden
liegen, ohne eine erkennbare Vorzugsrichtung, wild
durcheinander.
Deine Faser wird bei der Herstellung unter Zugspannung
gesetzt. Das ist schon mal technisch nicht vermeidbar
(Aufwickeln) aber auch gewollt.
Dabei strecken sich die Polymerketten in Längsrichtung.
So in der Art wie wenn du das obige Wollknäuel nimmst uns an
zwei Seiten auseinanderziehst. Die meisten Fäden verlaufen
dann in Richtung der Zugspannung.
Dadurch werden die Fasern zugfester.

Eigentlich würden sich die Polymerketten ja gerne wieder
zusammenknäueln, aber das geht erst, wenn die Temperatur
wieder entsprechend hoch ist.

Verstehe… Also versucht das Material nichts anderes als die Spannungen die durch das Herstellungsverfahren entstanden sind zu loesen… Richtig?

Daraus koennte man ja dann schliessen, dass je hoeher die Verspannungen in der Faser sind, die Ausbreitung des Faserendes zunimmt. Also der Druchmesser des entstandenen Kegels zunimmt, da ja mehr Verspannungen enthalten sind. Richtig?

Bei Metallen gibt es ja Sogenannte Formgedaechtnis-Legierung.
Irgendwo bin ich darauf gestossen, dass es dies auch schon bei
Kunststoffen geben soll (Wahrheitswert unbekannt).

Nimm eine beliebige Tiefgezogene Verpackung (Joghurtbecher,
Pillenblister o.ä.) und wärme sie mit dem Föhn. Das Ding wird
seine ursprüngliche flache Form wieder annehmen.

Das trifft dann aber nur fuer Thermoplaste zu?

Ist
vielleicht diese Ausdehnung des Faserendes ein Versuch des
Materials in die Ursprungsform zuruek zukehren? Dazu muss ich
noch sagen, dass sich in dem Material Loecher befinden. Diese
dehnen sich ebenfalls aus.

Es kommt natürlich auch auf die Temperatur an. Wenn dein
Material schmilzt, werden sich am Ende, durch die
Oberflächenspannung, Tropfen bilden.

Also die Temperatur ist zwischen 250 und 350 Grad. Die Entfernung von Loetkolben bis zur Faser rund 1-2 mm. Tropfen bilden sich kein. Das Material zieht sich sozusagen zusammen bzw. schrumpft vom Loetkolben nach hinten weg. Das passiert aber nur am Anfang. Nur am Anfang ist optisch ein Schmelzen zu sehen. Danach stellt sich ein fester Abstand zwischen der Faser und dem Loekolben ein. Da die Faser ja trotzdem weiter erhitzt wird, breitet sich das Ende weiterhin aus.

So wie du heizt, wird es einen Temperaturgradienten geben, das
Faserende wird sicher wärmer sein als der weiter vom Lötkolben
entfernte Teil.

Richtig. Da ich ja nur die Stirnflaeche erwaerme bzw. erwaermen will.

Somit wirst du Bereiche haben, welche schon
schmelzen, andere in welchem sich das Material gerade mal
plastisch verformen kann und dann ist die Temperatur so
niedrig, dass sich da gar nichts bewegen kann.
Das Ganze gilt sowohl bezogen auf die Längsrichtung der Faser
als auch bezogen auf den Querschnitt.

Richtig…

MfG Peter(TOO)

Herzlichen Dank fuer deine Hilfe

mfg Thomas

#4

Hallo Thomas,

Verstehe… Also versucht das Material nichts anderes als die
Spannungen die durch das Herstellungsverfahren entstanden sind
zu loesen… Richtig?

Richtig.
Moleküle versuchen immer sich so zu organisieren, dass das entstehende Gebilde möglichst wenig Energie enthält, wenn man sie nur lässt. Deshalb bildet flüssiges Wasser auch Tropfen und keine Würfel. Andererseits bildet NaCl beim kristallisieren Würfel.

Daraus koennte man ja dann schliessen, dass je hoeher die
Verspannungen in der Faser sind, die Ausbreitung des
Faserendes zunimmt. Also der Druchmesser des entstandenen
Kegels zunimmt, da ja mehr Verspannungen enthalten sind.
Richtig?

Im Prinzip ja, solange du das selbe Material betrachtest.
Bei deinem Versuch spielen aber mehrere Effekte zusammen, in der Schmelzphase wird dann die Oberflächenspannung die Form bestimmen.

Bei Metallen gibt es ja Sogenannte Formgedaechtnis-Legierung.
Irgendwo bin ich darauf gestossen, dass es dies auch schon bei
Kunststoffen geben soll (Wahrheitswert unbekannt).

Nimm eine beliebige Tiefgezogene Verpackung (Joghurtbecher,
Pillenblister o.ä.) und wärme sie mit dem Föhn. Das Ding wird
seine ursprüngliche flache Form wieder annehmen.

Das trifft dann aber nur fuer Thermoplaste zu?

Nein, aber ein einfach überprüfbares Beispiel belegt den Wahrheitswert der Aussage.

Es kommt natürlich auch auf die Temperatur an. Wenn dein
Material schmilzt, werden sich am Ende, durch die
Oberflächenspannung, Tropfen bilden.

Also die Temperatur ist zwischen 250 und 350 Grad.

Die absolute Temperatur spielt keine Rolle, solange du das Material nicht auch angibst :wink:

Wichtig ist die Verteilung der unterschiedlichen Festigkeits-Zustände des Materials (flüssig, fest, pastös …).

Was treibst du da eigentlich ??
Diese Frage geistert ja schon eine Weile in diesem Brett rum. Eigentlich sieht es nach einer Diplomarbeit aus, aber andererseits weist du recht wenig über das was du da machst :wink:

MfG Peter(TOO)

#5

Hi Peter,

Daraus koennte man ja dann schliessen, dass je hoeher die
Verspannungen in der Faser sind, die Ausbreitung des
Faserendes zunimmt. Also der Druchmesser des entstandenen
Kegels zunimmt, da ja mehr Verspannungen enthalten sind.
Richtig?

Im Prinzip ja, solange du das selbe Material betrachtest.
Bei deinem Versuch spielen aber mehrere Effekte zusammen, in
der Schmelzphase wird dann die Oberflächenspannung die Form
bestimmen.

Alle Fasern bestehen aus dem gleichen Material. PMMA.

Es kommt natürlich auch auf die Temperatur an. Wenn dein
Material schmilzt, werden sich am Ende, durch die
Oberflächenspannung, Tropfen bilden.

Also die Temperatur ist zwischen 250 und 350 Grad.

Die absolute Temperatur spielt keine Rolle, solange du das
Material nicht auch angibst :wink:

PMMA

Was treibst du da eigentlich ??

Das frage ich mich auch :wink:

Diese Frage geistert ja schon eine Weile in diesem Brett rum.
Eigentlich sieht es nach einer Diplomarbeit aus, aber
andererseits weist du recht wenig über das was du da machst
:wink:

Ist keine Diplomarbeit. Ich versuche mikrostrukturierte Fasern bzw. deren Struktur teilweise bzw. komplett durch thermische bzw. thermisch/mechanische Behandlung zu verformen/ verschliessen. Was auch sehr gut funktioniert. *mirselbstaufschulterklopf*

Es ist eigentlich garnicht wichtig (zumindest fuer meinen Chef) zu wissen wie und warum es funktioniert, sondern nur was zu tun ist. Da es mich aber persoenlich interessiert und ich nicht immer auf die Loesung komme, stelle ich eben hier meine restlichen Fragen.

Eigentlich sieht es nach einer Diplomarbeit aus, aber
andererseits weist du recht wenig über das was du da machst

Werkstoffkunde gehoert nur zu meinen Interessen. (Sollte vielleicht mein Wissen dort noch vertiefen bzw. erstmal eins herstellen :wink: )

Danke fuer die Hilfe

Thomas