Thermo-hygro-mechanische Charakterisierung und kontinuumsmechanische Modellierung schnell härtender Polyurethan-Klebstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Aushärteprozesse von Klebstoffen zu verstehen, ist unerlässlich für die zuverlässige Prognose des Materialverhaltens im ausgehärteten Zustand. Im Rahmen dieses Projektes wurden umfangreiche mechanische, chemische und kalorische Experimente durchgeführt. Auf Basis der Versuchsergebnisse wurden die Struktur und die Parameter des entwickelten Materialmodells identifiziert. Mit diesem Modellaufbau konnten die Veränderungen im Material über den kompletten Aushärteprozess simuliert werden. Der Wunsch, schnelle Aufheizraten während der rheologischen Charakterisierung zu realisieren, führte zu einer Weiterentwicklung des Rheometeraufbaus. Induktive Heizeinheiten wurden neu entwickelt und in einen Rheometeraufbau integriert. Dabei wurden Schlüsselfaktoren wie die Materialauswahl für die Rheometerkomponenten und die Implementierung eines echtzeitfähigen Temperaturregelungsprozesses in die Heizeinheiten erforscht. Außerdem wurden die Auswirkungen der hochdynamischen Erwärmung auf die Messgenauigkeit untersucht. Im Falle von schnellen Temperaturverläufen zeigte sich, dass die Verwendung von konstanten Korrekturfaktoren für die thermische Ausdehnung und die Torsionsnachgiebigkeit der oberen Geometrie zu einem Messfehler führt. Dies begründet sich damit, dass außerhalb des bei standardisierten Messverfahren geforderten Gleichgewichtszustands gemessen werden muss, um die Klebstoffreaktion in den Messergebnissen sichtbar zu machen. Die Projektergebnisse zeigen jedoch, dass sich diese Messfehler durch dynamische Kompensationsfaktoren bereinigen lassen. Anhand des in der DIN EN 1465 beschriebenen Zugscherversuchs wurde schließlich die Validierung des Materialmodells vorgenommen. Abschließend wurden in einer Parameterstudie zur Schnellaushärtung verschiedene Temperaturprofile und Induktorpositionen in einem Rheometersetup bezüglich der Verteilung von Temperatur und Aushärtegrad in der Probe verglichen. Basierend auf den Erkenntnissen dieses Projekts sollen zukünftig weitere Aspekte einer beschleunigten Klebstoffaushärtung untersucht werden. Anstelle eines homogenen Aushärtungsfortschritts im gesamten Klebstoff, härtet das Material bei hohen Heizraten von der heißen Kontaktfläche ins Bulkmaterial hinein aus. Dadurch ist zu erwarten, dass Diffusionsprozess innerhalb des Klebstoffs anders ablaufen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterizing the viscoelastic behavior of an elastomer adhesive while considering the influence of the curing process. In: Huneau, B., Le Cam, J.-B., Marco, Y., Verron, E. (eds.) Constitutive Models for Rubber XI., pp. 179-182, CRC Press, London (2019)
Jennrich, R., Lion, A., Johlitz, M., Ernst, S., Stammen, E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9780429324710-32) - Thermomechanical characterization and modeling of fast-curing polyurethane adhesives. Continuum Mech. Thermodyn. 32(2), 421–432 (2020)
Jennrich, R., Lion, A., Johlitz, M., Ernst, S., Dilger, K., Stammen, E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00161-019-00788-w) - Characterization of fast adhesive curing reactions - A novel experimental setup. In: da Silva, L. F. M., Adams, R. D. (eds.), Proceedings in Engineering Mechanics - Research, Technology and Education, pp.53-68, Springer, Cham (2021)
Glaser, S., Stammen, E., Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-87668-5_4) - Experimental analysis and modelling of temperature- and humidity-controlled curing. J. Rubber Res. 24(2), 281-300 (2021)
Jennrich, R., Aydogdu, A. B., Lion, A., Johlitz, M., Glaser, S., Stammen, E., Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s42464-021-00085-9)
