Papierpruefung 155 - Laborbericht PDF

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Laborbericht...

Description

Technische Fachhochschule Berlin

Laboratorium für Werkstofftechnik

Dozent:

Prof. Dr. Mathes

Semester:

ME 2

Namen:

Thomas Runschke Rene Neitzel Markus Eggeling Erdmann Isshak

Datum:

03.06.2004

Übung Nr.4 :

Papierprüfung

Aufgaben: Von 2 verschiedenen Papiersorten sollen folgende Kennwerte bestimmt werden:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

flächenbezogene Masse Dicke spezifisches Volumen Bruchkraft Bruchdehnung Breitenbezogene Bruchkraft Bruchkraftindex Reißlänge Zerreißarbeit

Gerätebeschreibung: Rundprobenschneider -

Bezeichnung: Hersteller: Baujahr: Prüfvorschrift: Einsatzbereich: Probenmaße: Preis:

Rundprobenschneider Karl Schröder KG, 69443 Weinheim 1989 DIN ISO 536 Probendicke bis 12 mm (abhängig vom Probenwerkstoff) 100 cm² 650,- DM

Waage -

Bezeichnung: Hersteller: Baujahr: Prüfvorschrift: Messbereich: Preis:

Elektronische Präzisionswaage L 420 S Sartorius GmbH, 3400 Göttingen 1989 DIN ISO 536; ISO 5638; Tappi T 410 0...424 g, Probendurchmesser Max: 130 mm ca. 3400,- DM

Zugfestigkeitsprüfmaschine -

Bezeichnung: Hersteller: Baujahr: Prüfvorschrift: Messbereich: Preis: Hinweis:

Zugfestigkeits-Prüfmaschine Z 332 Zwick GmbH & Co., 89079 Ulm 1960 DIN EN ISO 1924-2; (alt: DIN 53 112) 0…6 daN; 0…15 daN; 0…30 daN 5000,- DM Reißlängenbestimmung nach alter Norm DIN 53112

Dickenmessgerät -

Bezeichnung: Hersteller: Baujahr: Prüfvorschrift: Messbereich: Preis:

Dickenmessgerät 16503 Karl Fank GmbH; 69443 Weinheim 1995 DIN 53 105 0… 10 mm 4000,- DM

Streifenschneidgerät -

Bezeichnung: Hersteller: Prüfvorschrift: Probenmaße: Messbereich: Preis:

Streifenschneidgerät 95804 Karl Schröder KG, 69443 Weinheim DIN EN ISO 1924, ISO 5326 u.a. Breite: 15 mm; Länge: max. 300 mm max. Dicke: 0,25 mm 3000,- DM

Haarhygrometer -

Bezeichnung: Hersteller: Baujahr: Prüfvorschrift: Messbereich: Preis:

Haarhygrometer (Klima-Messgerät) Rotonic Messgeräte GmbH 76275 Ettlingen 1995 DIN 50 014 Temp.: -50…+100° C; Feuchte: 0…100% rF 2300,- DM

Probenbeschreibung: -Probe 1:

Kopierpapier, weiß

-Probe 2:

Kabelpapier

Grundlagen: Allgemeines zu Papier Seit Jahrtausenden ist Papier eines der wichtigsten Informationsträger, wird aber auch für die Herstellung dünner Isolatoren, beim Bau von Kondensatoren oder bei der Ummantelung von Kabeln verwendet. Papier hat demnach diverse Anwendungsmöglichkeiten. Papier entsteht durch verschiedene Fasern, welche wenige mm bis hin zu einigen cm lang sind, aus meist pflanzlichem Material. Die Fasern werden durch Wasserstoffbrücken ohne Bindemittel vernetzt. Dabei entsteht ein so genannter Faserbrei, welcher im Wasser verteilt wird und mittels eines fein strukturierten Siebs (Gitter) geschöpft wird. Nach anschließender Trockenzeit hat man ein Stück Papier. Durch die vielen Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete werden unterschiedliche Papiersorten mit unterschiedlichen Eigenschaften benötigt. Die Kennwerte und die Kenntnis über das Papier werden z.B. beim Bau von Druckmaschinen und Kopierern benötig. Flächenbezogene Masse Die flächenbezogene Masse wird nach DIN ISO 536 ermittelt. Sie ergibt sich aus dem Quotient von Masse und Fläche einer Probe und wird in [g/m²] angegeben Dicke Die Dicke wird mit einem Messgerät definiert. Nach DIN 53 105 Teil 1 muss das Messgerät über zwei planparallele Platten von je 200 mm² verfügen, die mit 100 kPa auf die Probe wirken. Der Abstand zwischen den Platten ist dann die Papierdicke. Spezifisches Volumen Das Verhältnis der Dicke eines Papiers zu seinem Gewicht bezeichnet man als spezifisches Volumen.

Bruchkraft und Bruchdehnung, Reißlänge Im Zugversuch nach DIN EN ISO 1924-2 (alt: DIN 53112) werden Bruchkraft, Bruchdehnung und die breiten bezogene Bruchkraft bestimmt. Aus der Bruchkraft F B lässt sich unter Kenntnis der Breite b des Probestreifens und seiner flächenbezogenen Masse mA die Reißlänge R herleiten.

mit Fmax , der Bruchkraft in N und der Anfangslänge L o in Metern, der Gewichtskraft des Papierstreifens G (bei 15 mm Breite und 65% relativer Luftfeuchte). Die Reißlänge R ergibt sich in km. Unter der Reißlänge R versteht man bei Papier die Länge des Streifens, bei welcher der Streifen, einseitig aufgehängt, durch sein Eigengewicht am Aufhängepunkt abreißt. Aus den Mittelwerten der gemessenen breitenbezogenen Bruchkraft und der flächenbezogenen Masse errechnet sich der Bruchkraftindex I. Bei Zerreißprüfungen muss besonders beachtet werden, dass die Werte stark von der Richtung der Zuschnitte abhängt. Deshalb werden für jede Papierprobe jeweils Probenstreifen längs und quer zur Faserrichtung verwendet, im weiteren Verlauf als Orientierung bezeichnet. Zerreißarbeit Die zum Dehnen und Zerreißen der Probe notwendige Arbeit nennt man Zerreißarbeit.

Wobei der Völligkeitsgrad und die Bruchdehnung L bei Fmax ist. Der Völligkeitsgrad lässt sich aus dem Kraft-Dehnungs-Diagramm errechnen, indem man die Fläche unter der Kurve durch die Fläche teilt, welche sich ergibt wenn man ein Rechteck zwischen Null- und Zerreißpunkt konstruiert. Beachtung der Feuchtigkeit Die Luftfeuchtigkeit, welche sich dann auch in der Probe befinde, hat einen erheblichen Einfluss auf die gemessenen Werte. Korrekt nach DIN sollten die Proben vor dieser Prüfung auf 65% Feuchtigkeit gebracht werden. Aus Kostengründen geben wir uns hier damit zufrieden die Luftfeuchtigkeit zu messen und empirisch ermittelte Korrekturfaktoren aus Tabellen für die Bestimmung der Reißlänge und der Dehnung auf die gemessenen Werte anzuwenden.

Durchführung: Flächenbezogene Masse Mittels des Rundprobenschneiders werden aus den Proben 100 cm² große Papierscheiben ausgeschnitten. Auf der Präzisionswaage wird diese Papierscheibe nun gewogen und wir erhalten das Gewicht in g/cm².

Dicke Wir legen eine Probe zwischen die Scheiben des Dickenmessgerätes und können von diesem direkt die Dicke ablesen.

Spezifisches Volumen Dieser Wert wird aus der flächenbezogenen Masse und der Dicke errechnet.

Zugfestigkeitsprüfung An der oberen Einspannung werden alle 11 Proben eingespannt, an der unteren jeweils nur eine. Dies dient zur Arbeitseinsparung, um nicht jedes Mal erneut die Probe auf beiden Seiten einspannen zu müssen. An der Maschine wird der größte Messbereich eingestellt. Zur Ermittlung des optimalen Messbereiches wird die erste Probe zerrissen. Die Geschwindigkeit für diese Prüfung beträgt stets v=20 mm/min Nun wird ein Papierstreifen nach dem anderen eingespannt. Bei der Messung werden 5 Wertepaare (Kraft und Dehnung) abgelesen, hinzukommt als sechster Wert dann die Bruchkraft und die erreichte Bruchdehnung.

Flächenbezogene Masse Probe 1: Probe 2:

g = 80 g/m² g = 72 g/m²

Dicke

Probe 1: Probe 2:

t = 0,108 mm t = 0,105 mm

Zugversuch Sämtliche Dehnungswerte werden in mm angegeben. Die Kraftwerte in daN. Probe 1 Orientierung 1: F [daN ] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 L F m ax

1 0,0 0,4 0,8 1,0 1,5 3,5 7,2

2 0,0 0,2 0,8 1,0 1,5 3,3 7,2

3 0,1 0,2 0,6 1,0 1,5 3,5 7,3

4 0,1 0,3 0,8 1,0 1,5 3,0 6,9

D urch lauf 5 6 7 0,1 0,2 0,2 0,3 0,5 0,7 0,8 0,8 0,9 1,0 1,0 1,1 1,4 1,6 1,7 3,5 3,2 3,2 7,3 7,2 7,1

8 0,1 0,4 0,8 1,0 1,5 2,9 6,8

9 0,2 0,5 0,8 1,0 1,5 3,1 7,2

10 0,1 0,3 0,8 1,0 1,5 3,0 6,9

ø 0,1 0,4 0,8 1,0 1,5 3,2 7,1

Probe 1 Orientierung 2: F [d a N ] 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 L Fm ax

1 0 ,5 1 ,0 1 ,5 3 ,0 6 ,0 9 ,0 3 ,4

2 0 ,5 1 ,0 1 ,5 3 ,1 6 ,0 9,0 3,4

3 0 ,2 0 ,8 1 ,4 3 ,0 5 ,5 7 ,0 3 ,2

4 0 ,4 0 ,9 1 ,5 3 ,0 5 ,5 7 ,0 3 ,2

D u rc h lau f 5 6 7 0 ,5 0 ,4 0 ,5 1 ,0 1 ,0 1 ,0 1 ,9 1 ,8 1 ,4 2 ,4 3 ,0 3 ,0 6 ,0 5 ,8 5 ,5 8 ,2 8 ,2 8 ,9 3 ,3 3 ,3 3 ,4

8 0 ,4 1 ,0 1 ,6 3 ,0 5 ,9 9 ,0 3 ,4

9 0 ,3 0 ,8 1 ,4 2 ,9 5 ,8 8 ,0 3 ,3

10 0 ,3 0 ,9 1 ,7 3 ,0 5 ,9 8 ,3 3 ,3

ø 0 ,4 0 ,9 1 ,6 2 ,9 5 ,8 8 ,3 3 ,3

Probe 2 Orientierung 1: F [d aN ] 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 L F m ax

1 0,0 1,0 1,3 2,0 2,1 7,0 12,7

2 3 0,0 0,0 1,0 1,0 1,2 1,2 2,0 2,0 2,3 2,3 6,0 5,0 12,2 12,0

D u rch lau f 4 5 6 7 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,0 0,5 1,0 1,2 1,3 1,0 1,2 2,0 1,8 1,8 2,0 2,2 2,1 2,2 2,3 6,0 7,0 7,2 7,0 12,3 13,0 13,1 13,1

8 9 10 ø 0,0 0,0 0,0 0,1 0,5 1,0 1,0 0,9 1,0 1,2 1,2 1,2 1,5 1,5 1,8 1,8 2,1 2,2 2,1 2,2 7,0 7,5 7,0 6,7 12,8 13,6 12,9 12,8

Probe 2 Orientierung 2: F 1 2 3 [daN] 1,0 0,0 0,5 0,4 2,0 1,0 1,1 1,0 3,0 3,0 2,0 1,9 4,0 4,0 5,0 4,5 5,0 11,0 11,2 11,0 L 12,0 13,0 12,0 Fm ax 5,3 5,4 5,2

Durchlauf 4 5 6 7 0,2 0,1 0,5 0,2 1,1 1,0 1,1 1,0 1,5 1,8 1,5 1,5 4,5 5,0 4,0 4,1 11,0 11,0 10,0 10,8 11,5 11,0 13,5 11,5 5,1 5,0 5,6 5,2

8 9 10 ø 0,2 0,5 0,2 0,3 1,0 1,1 1,0 1,0 1,8 1,5 1,5 1,8 4,0 3,8 4,0 4,3 10,0 10,1 10,3 10,6 13,0 12,4 12,5 12,2 5,4 5,4 5,3 5,3

Spezifisches Volumen Probe 1:

v = 1,35

Probe 2:

v = 1,46

Bruchkraft Probe 1 Orientierung 1:

FB = 71 N

Probe 1 Orientierung 2:

FB = 33 N

Probe 2 Orientierung 1:

FB = 128 N

Probe 2 Orientierung 2:

FB = 53 N

Bruchdehnung Wegen der Feuchtigkeit von 55% wird ein Korrekturfaktor von 1,16 angewendet. Probe 1 Orientierung 1:

= 3,2 mm

korrigiert:

= 3,7 mm

Probe 1 Orientierung 2:

= 8,3 mm

korrigiert:

= 9,6 mm

Probe 2 Orientierung 1:

= 6,7 mm

Probe 2 Orientierung 2:

= 12,2 mm

Breitenbezogene Bruchkraft mit Breite b, bei den Versuchen 15 mm Probe 1 Orientierung 1:

S = 4,73

Probe 1 Orientierung 2:

S = 2,20

Probe 2 Orientierung 1:

S = 8,53

Probe 2 Orientierung 2:

S = 3,53

korrigiert: korrigiert:

= 7,8 mm = 14,2 mm

Bruchkraftindex

Probe 1 Orientierung 1:

I = 59,1

Probe 1 Orientierung 2:

I = 27,5

Probe 2 Orientierung 1:

I = 118,5

Probe 2 Orientierung 2:

I = 49,0

Reißlänge Ermittlung des Streifengewichtes G:

G Probe1 = 0,276g G Probe2 = 0,248g Wegen der Feuchtigkeit von 55% wird ein Korrekturfaktor von 0,94 angewendet. Probe 1 Orientierung 1:

R = 5,9 km

korrigiert: R = 5,6 km

Probe 1 Orientierung 2:

R = 2,8 km

korrigiert: R = 2,6 km

Probe 2 Orientierung 1:

R = 11,9 km

korrigiert: R = 11,2 km

Probe 2 Orientierung 2:

R = 4,9 km

korrigiert: R = 4,6 km

Zerreißarbeit

(Völligkeitsgrade aus dem Diagramm gemessen) Probe 1 Orientierung 1:

= 0,0524

Probe 1 Orientierung 2:

= 0,084

W = 0,32 J W = 0,61 J

Probe 2 Orientierung 1:

= 0,07

W = 1,61 J

Probe 2 Orientierung 2:

= 0,244

W = 13,7 J

Zusammenfassung und Diskussion:

flä chenbezogene Masse D icke S pez. V olum en Bruchkraft Bruchdehnung Breitenbez. Bru chkraft Bruchkraftindex R eißlänge Zerreißa rbeit

Probe1 O1 80 g/m ² 0,108 m m 1,35 c m 3/g 71 N 3,7 m m 4,73 k N /m 59,1 N m /g 5,6 km 0,32 J

O2 80 g/m ² 0,108 m m 1,35 cm 3/g 33 N 9,6 m m 2,2 kN /m 27,5 N m /g 2,6 km 0,61 J

Probe2 O1 72 g/m ² 0,105 m m 1,46 cm 3/g 128 N 7,8 m m 8,53 kN /m 118,5N m /g 11,2 km 1,16 J

O2 72 g/m ² 0,105 m m 1,46 cm 3/g 53 N 14,2 m m 3,53 kN /m 49 Nm /g 4,6 km 13,7 J

Aufgrund der fehlenden Vorgaben und Vergleichswerte ist eine Diskussion weniger sinnvoll. Es zeigt sich aber deutlich der Unterschied zwischen den beiden Papiersorten, welche ja für unterschiedliche Anforderungen hergestellt wurden und auch verwendet werden. Es lässt sich feststellen, dass das Kopierpapier der Anforderungen laut DIN 19309 mit über 5 bzw. 2,5 km Reißlänge gerecht wird....