1 Einleitung Die tribologischen Eigenschaften von Fasern sind sowohl bei der Herstellung der Faser an sich in der Textilindustrie [1] und bei ihrem späteren Einsatz als Gewebe [2], als auch überall dort, wo Fasern in Matrices eingebettet eine eigenschaftsverbessernde Funktion übernehmen [3, 4, 5, 6], von Bedeutung. Polyesterfasern aus der Textilindustrie und vor allem Aramidfasern finden Einsatz als Verstärkungsadditive in polymeren Verbundwerkstoffen [7]. Die Entwicklung von Polymerfasern zur Bewehrung in Beton und ihre Charakterisierung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften werden in [8, 9] aufgezeigt. Hierbei steht eine optimale Kombina- Aus Wissenschaft und Forschung 13 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 Tribologische Charakterisierung von Polymerfasern unter Trockenreibung, Mischreibung und Hydrodynamik mittels einer optimierten Pin-on-Disc-Prüfmethode Regine Schmitz, Frank Haupert, Justus Rüthing, Michael Sigrüner, Nicole Strübbe* Dieser Beitrag wurde im Rahmen der 62. Tribologie-Fachtagung 2021 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) eingereicht. Ausgehend von der herkömmlichen Pin-on-Disc- Prüfmethodik wurde ein Tribologieprüfstand hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit zur Fasercharakterisierung optimiert und angepasst. Die Methodik wird erläutert und erste Anwendungen im Bereich der tribologischen Charakterisierung von Einzelfasern werden vorgestellt. Der Prüfungsablauf zur Untersuchung der Polymerfasern, deren Durchmesser nur einige 100 µm betragen, ist so generiert, dass eine Erfassung der Daten als Funktion der Zeit im Bereich von einigen 10 µm bis zu einigen 100 µm Faserverschleiß kontinuierlich während der Messung bereits in den ersten Minuten erfolgen kann. Der Prüfmodus startet hierbei mit Linienlast und entwickelt sich dynamisch zur Flächenlast durch Änderung der Auflagefläche der Faser während der Messung. Es wird gezeigt, dass Einzelfasern hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften in unterschiedlichen tribologischen Systemen charakterisiert werden können. Die Abhängigkeit der Verschleißraten von Fasermaterial, Oberflächenrauheit der Gegenkörper und Schmiermittelraten wird dargestellt. Schlüsselwörter Polymerfasern, Pin-on-Disc, abrasiver Verschleiß, Reibung, Wasserschmierung, Oberflächenrauheit Tribological characterization of polymer fibers under dry, mixed and hydrodynamic conditions using the pin-on-disc technique Based on the conventional pin-on-disc test method, a tribology test rig was adapted and optimized regarding its ability to characterize polymer fibers. The method is explained and first applications in the field of tribological characterization of single fibers are presented. The test sequence to investigate the polymer fibers (diameters of only a few 100 µm) is generated in such a way that data can be recorded continuously as a function of time in the wear range from a few 10 µm to several 100 µm even during the first few minutes. The test mode starts by applying line load and dynamically progresses to area load by changing the contact area during the measurement. It is shown that single fibers can be characterized with respect to their friction and wear properties in different tribological systems. The dependence of the wear rates of fiber material, surface roughness of the counter bodies and lubrication rates is presented. Keywords polymer fibers, Pin-on-Disc, abrasive wear, friction, water lubrication, surface roughness Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Regine Schmitz Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-4510-2559 Prof. Dr.-Ing. Frank Haupert Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-3312-6844 B. Sc. Justus Rüthing Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-7615-4979 Hochschule Hamm-Lippstadt, Marker Allee 76 - 78, 59063 Hamm M. Sc. Michael Sigrüner Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-0644-023X Prof. Dr.-Ing. Nicole Strübbe Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-2084-9031 Technische Hochschule Rosenheim, Hochschulstraße 1, 83024 Rosenheim TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 13 jedoch unter trockenen Bedingungen geringere Verschleißraten als in wässrigen Medien ermittelt [17]. Dies wird damit begründet, dass das Wasser den Transfer von Verschleißprodukten auf die Gegenkörperoberfläche verhindert. Auch der unter Einfluss von Wasser höhere Einfluss der Topografie des Gegenkörpers auf die Verschleißrate im Vergleich zu trockenen Messungen wird von Lancaster hieraus abgeleitet. Ziel der vorliegenden Studie ist die Umsetzung von Einzelfasermessungen an Polymerfasern mit Durchmessern im Bereich von einigen 100 µm am Pin-on-Disc Tribometer zur Ermittlung von Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Fasern innerhalb unterschiedlicher tribologischer Systeme. Da eine spätere Abschätzung des Verschleißverhaltens der Fasern im Betonmischprozess die Zielrichtung der Arbeiten bestimmt, werden die Systeme so gewählt, dass abrasive Bedingungen herrschen. Anhand von Messungen an verschiedenen Fasermaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften wird das Messprinzip eingeführt. Der Einfluss der Rauheit der Gegenkörperoberflächen auf das Verschleißverhalten einer PP-Faser und die Variation des Reibungszustandes von Trockenüber Mischreibung bis zur Hydrodynamik werden für das Messverfahren untersucht. 2 Experimentelles 2.1 Prüfmethodik und Messwerteerfassung Den an die Fasermessungen angepassten Pin-on-Disc- Prüfstand zeigt Bild 1. Die Belastungs- und Prüfeinheit mit dem Probenhalter wird durch einen Schrittmotor über eine Spindel verfahren. Dabei erfolgt eine geregelte Kraftaufbringung mit Normalkräften im Bereich von nur einigen N bis zu 200 N. Dies wird realisiert durch Messen der Kraft unter gleichzeitiger Synchronisation mit dem Steuerungscomputer, der die Belastung der Probe über den Stellmotor reguliert. Mit Hilfe eines Kaftsensors für die aufgebrachte Anpresskraft ist eine exakte Kraftregelung (± 0,3 N) möglich. Über einen zweiten Aus Wissenschaft und Forschung 14 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 tion aus guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig guter Anbindung an die Betonmatrix zur Lastaufnahme im Focus. Während des Betonmischprozesses zur Homogenisierung darf die einzelne Polymerfaser jedoch keinen zu hohen Verschleiß aufweisen, da dann ursprünglich gute mechanische Eigenschaften wie die Zugfestigkeit herabgesetzt werden [10]. Eine Kenntnis der Verschleißeigenschaften unter abrasiven Bedingungen vor ihrem Einsatz ist für solche Fasern also von Interesse. Einzelfaseruntersuchungen in Faser-Zylinder- Kontakt Konfigurationen wurden bereits zur Bestimmung von Reibzahlen an Einzelfasern auf Basis von Polyetheretherketon [11] und Verschleißeigenschaften von Polyamid-Fasern [1] und von Kohlenstofffasern [12] beschrieben. Die Bestimmung des Verschleißes erfolgte hier über REM-Aufnahmen oder einen Vergleich von Zeiten bis Faserversagen auftrat. Grundlegende tribologische Studien an reinen und faserverstärkten Polymer- Bulk-Proben wurden von Czichos und Lancaster [13, 14] dargestellt. Lancaster [13] beschreibt die Abhängigkeit des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Polymeren in Polymer-Stahl-Paarungen in Abhängigkeit vom Beanspruchungskollektiv und der Rauheit des Stahlpartners, wobei oftmals ein Bereich der optimalen Rauheit beobachtet wurde, in dem Reibzahl und Verschleißrate minimale Werte annehmen. Dies wird mit dominierenden adhäsiven Reibungs- und Verschleißprozessen bei niedriger Rauheit begründet, während bei großer Rauheit deformative und abrasive Prozesse vorherrschen. Bei verschiedenen Polymer-Stahl- Paarungen wurde im Bereich von Rautiefenwerten R z von 0,4 bis 2,8 µm je nach Polymer eine Zu- oder Abnahme der Reibzahl beobachtet, während die Verschleißrate mit zunehmender Rauheit in diesem Bereich anstieg. Für das Verschleißverhalten von Polymeren im Kontakt mit rauen Stahlgegenkörpern in abrasiven Prozessen hat Czichos eine mathematische Beziehung hergestellt, die die Abhängigkeit des Verschleißkoeffizenten vom Reibungskoeffizienten und der Reißfestigkeit beschreibt [15]. Es existieren jedoch auch Modelle, die die Härte und die Bruchdehnung mit einbeziehen [14,16]. So hat Lancaster nachgewiesen, dass der Verschleiß umgekehrt proportional zum Produkt aus maximaler Zugfestigkeit und Bruchdehnung ist [14]. Das Einbringen von Schmiermittel in das tribologische System kann Reibung und Verschleiß vermindern, da sich Probe und Gegenkörper nicht mehr in unmittelbarem Kontakt befinden. Die Stribeck- Kurve beschreibt dabei die Abhängigkeit der Reibzahl vom Quotienten der Filmdicke und dem Rauheitswert der Kontaktpartner [13]. Für C-Faser verstärkte Polymere wurden Bild 1: Pin-on-Disc Prüfstand zur tribologischen Fasercharakterisierung TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 14 Kraftsensor erfolgt die Erfassung der Reibkraft. Die Rotation der Gegenkörperaufnahme mit dem Gegenkörper wird durch einen Servomotor erzeugt. Unterhalb der Gegenkörperaufnahme erfolgt über Temperatursensoren eine Erfassung der Temperatur. Ein Beheizen der Gegenkörperaufnahme ist über Heizpatronen möglich. Um Messungen unter Einsatz von Wasser durchzuführen ist der Medientopf ein wichtiges Element. Er bietet eine schützende Funktion für die unter der Gegenkörperaufnahme liegende Elektronik und die Antriebswelle vor den fluiden Medien. Die Zufuhr des Wassers erfolgt durch eine programmierbare Peristaltik-Pumpe mit regelbaren Durchflussraten (0,01 - 5,7 ml/ min) über einen Schlauch (Röhreninnendurchmesser 1,02 mm) und einen über dem Gegenkörper positionierten Spritzenaufsatz. Mit Hilfe eines Lasersensors wird der Verschleißweg über den Verfahrweg des Probenhalters im µm-Bereich erfasst. Eine eigens hierzu entwickelte Software ermöglicht eine intelligente Steuerung der Versuche mit Ansteuerung über eine graphische Benutzeroberfläche, die zudem während der Messung den Verlauf von Normal- und Reibkraft, Gegenkörpergeschwindigkeit, Temperatur und Verschleißweg als Funktion der Zeit kontinuierlich anzeigt. 2.2 Fasermaterialien und Belastungsparameter Für diese Studie wurde ein Polypropylen (PP) und ein Polyethylenterephthalat (PET) verwendet, siehe auch Tabelle 1. Auf einem Haake Polydrive Einschneckenextruder, mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 25 bei einem Schneckendurchmesser von 19 mm und einer nachfolgenden Dr Collin MDO Verstreckeinheit erfolgte die Faserherstellung. Um Fasern mit einheitlichen Durchmessern sicherstellen zu können wurde eine Schmelzepumpe mit 0,5 kg/ h Durchsatz nach dem Extruder installiert. In Bild 2 ist ein schematischer Aufbau des Herstellungsprozesses dargestellt. Die Verstreckungseinheit besteht aus zwei Rollensystemen und einem Heizofen. Das erste Rollensystem definiert die Abzugsgeschwindigkeit (3 cm/ min) der Schmelze aus dem Extruder. Die Verstreckung erfolgte innerhalb des Heizofens durch die Geschwindigkeitsdifferenz der zwei Rollensysteme. Aus dem Verhältnis der Abzugsgeschwindigkeit (v 1 ) und Verstreckgeschwindigkeit (v 2 ) resultiert der Verstreckungsgrad (VSG) [18]. Um hohe mechanische Eigenschaften bei der Orientierung erzielen zu können, lag die Heizofentemperatur bei 20 Kelvin unterhalb der Kristallitschmelztemperatur, wie von Menges et al. definiert [19]. Weiterhin wurden die Polymere bis zum individuellen Maximum kurz vor Faserriss verstreckt. Aufgrund unterschiedlicher chemischer Strukturen ist der polymerspezifische maximale Verstreckgrad unterschiedlich. Die mechanischen Eigenschaften der Faser wurden mit einer Zugprüfmaschine (Zwick Z100 / 10 kN Kraftmessdose) und nach DIN EN 14889-2 und DIN EN ISO 2062 geprüft [20, 21]. Die Messungen erfolgten an Faserproben von 250 mm Länge und einer Dehnrate von 10 mm/ min. Mit einem Shimadzu DUH-202 Mikrohärteprüfsystem wurden die Martenshärten der Fasern ermittelt. Eine weitere Polypropylenfaser (PP-2) eines anderen Herstellers wurde zusätzlich tribologisch untersucht. Zugfestigkeit und E-Modul dieser Faser liegen zwischen den Werten der PP-1 und der PET-Faser. Die Belastungsparameter in den tribologischen Experimenten richten sich nach dem jeweiligen gewählten tribologischen System in Abhängigkeit von der Zielsetzung der Untersuchung und werden für den exemplarischen Vergleich der verschiedenen Fasern, die Untersuchung des Einflusses verschiedener Gegenkörperrauheiten und die Untersuchung des Einflusses des Mediums Wasser im Folgenden dargestellt. Aus Wissenschaft und Forschung 15 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 Bild 2: Schematische Darstellung des Verstreckungsprozesses Polymerfaser Schmelzflussindex [g/ 10min] Verstreckungsgrad Martenshärte [MPa] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [MPa] PP-1 1 1: 14 82 ± 4,5 472,93 ± 29,69 9805,96 ± 565,34 PET 7,5 1: 7 60 ± 7,1 594,35 ± 31,77 13346,67 ± 686,48 Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften der untersuchten Polymer-Fasern TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 15 gen zum Einsatz, resultierend in einer Variation des arithmetischen Mittenrauwertes R a von 0,7 µm bis 2,6 µm (Tabelle 5). Die Prüfparameter für die PP-1-Faser sind in Tabelle 3 dargestellt. 2.2.3 Erzeugung unterschiedlicher Reibungszustände unter Einfluss des Mediums Wasser Der Ablauf der Faseruntersuchungen unter Variation des Reibungszustandes durch den Einfluss des Mediums Wasser ist in Tabelle 4 dargestellt. Gestartet werden die Messungen jeweils unter trockenen Bedingungen bis eine Tiefe von 150 µm erreicht ist. In diesem Tiefenbereich sind Einflüsse durch Änderungen der Flächenpressung in Abhängigkeit von der Tiefe aufgrund der dynamischen Änderung der Faserbreite verringert (Bild 4). Jetzt erfolgt das Zuschalten der Wasserzufuhr mit einer Rate von 0,5 ml/ min (Mischreibung). Nach 25 Minuten wird die Rate auf 4 ml/ min erhöht (Hydrodynamik). Als Gegenkörpermaterial kam eine Al 2 O 3 -Keramik zum Einsatz. Aus Wissenschaft und Forschung 16 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 2.2.1 Exemplarischer Vergleich verschiedener Polymerfasern Für den exemplarischen Vergleich verschiedener Polymerfasern wurde eine Normalkraft von F N = 9 N gewählt bei einer Gegenkörpergeschwindigkeit von v = 0,4 m/ s. Eine Kraft von 9 N war notwendig, um auch die PET-Faser in vollständigen Kontakt mit dem Gegenkörper zu bringen. Die resultierende Flächenpressung bezogen auf die Nennbreite der Fasern und die entsprechenden pv-Produkte sind Tabelle 2 zu entnehmen. Als Gegenkörpermaterial kam eine Al 2 O 3 -Keramik mit einem arithmetischen Mittenrauwert R a = 1,6 µm zum Einsatz (Tabelle 5). 2.2.2 Variationen der Systeme bezüglich der Gegenkörperrauheiten Für die Variationen der Systeme bezüglich der Gegenkörperrauheiten kamen eine Al 2 O 3 -Keramik und SiC- Epoxy-Compounds mit drei verschiedenen SiC-Körnun- Polymerfaser Faserbreite [mm] F [N] v [m/ s] p 1) [MPa] p·v 1) [MPa m/ s] PP-1 0,58 ± 0,04 9 0,4 0,8 0,32 PP-2 0,68 ± 0,03 9 0,4 0,7 0,28 PET 0,61 ± 0,01 9 0,4 0,7 0,28 1) bezogen auf die Faserbreite Tabelle 2: Fasermaterialien und Belastungsparameter für den exemplarischen Vergleich verschiedener Polymerfasern Polymerfaser Faserbreite [mm] F [N] v [m/ s] p 1) [MPa] p·v 1) [MPa m/ s] PP-1 0,58 ± 0,04 4,6 0,4 0,4 0,16 1) bezogen auf die Faserbreite Tabelle 3: Belastungsparameter zu den Systemvariationen mit unterschiedlichen Gegenkörperrauheiten Polymerfaser F [N] v [m/ s] p 1) [MPa] p·v 1) [MPa m/ s] Trocken- Messung Schmiermittelrate 0,5 ml/ min Schmiermittelrate 4 ml/ min PP-1 4,6 0,4 0,4 0,16 bis zur Tiefe 150 μm 25 min 25 min 1) bezogen auf die Faserbreite Tabelle 4: Ablaufplan und Prüfparameter der Faseruntersuchungen unter Variation des Reibungszustands durch den Einfluss des Mediums Wasser Gegenkörpermaterial Mittlere Korngröße des Füllstoffs d s50 Wert [μm] 2) Füllstoffanteil [Vol%] Arithmetischer Mittenrauwert R a [μm] Reduzierte Riefentiefe R vk [μm] SiC600-Epoxy 10,8 - 13,3 18 0,7 ± 0,1 1,5 ± 0,2 SiC320-Epoxy 35,3 - 39,1 21 1,6 ± 0,2 5,6 ± 0,5 SiC230-Epoxy 63,5 - 71,0 23 2,6 ± 0,3 8,9 ± 0,7 Al 2 O 3 -Keramik 1,6 ± 0,1 3,0 ± 0,2 2) Angaben lt. Hersteller Tabelle 5: Gegenkörpermaterialien mit abgestuften Rauheiten TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 16 2.3 Gegenkörpermaterialien Als Gegenkörpermaterialien kam eine Al 2 O 3 -Keramik und SiC-Epoxy-Compounds mit drei verschiedenen SiC-Körnungen zum Einsatz, die mit ihren Kenngrößen zur Oberflächenrauheit in Tabelle 5 dargestellt sind. Der arithmetische Mittenrauwert R a berechnet sich als Mittelwert aus den Beträgen aller Profilwerte [22]. Da er unempfindlich auf die Anwesenheit von Spitzen und Riefen ist, wird zur näheren Charakterisierung zusätzlich die reduzierte Riefentiefe R vk aufgeführt. Hierbei handelt es sich um die gemittelte Tiefe der aus dem Kernbereich in das Material hineinragenden Riefen [23]. Vor jeder Messung wurden die Gegenkörper auf einer Diamantschleifscheibe (Schmitz Metallographie, Körnung 0080) geschliffen. Die arithmetischen Mittenrauwerte R a und die Werte für die reduzierte Riefentiefe R vk wurden mittels Weißlichtprofilometrie (FRT Micro- Prof ® ) bestimmt. 2.4 Probenpräparation Die Fasern wurden zentriert in den hierfür konzipierten Faserprobenhalter eingespannt (Bild 3). Die Fixierung erfolgt dabei mit verschraubten Halteelementen an beiden Enden, die ein Verrutschen der Faser verhindern. Die Kontaktlänge während des tribologischen Experiments beträgt 20 mm. 2.5 Auswertung der tribologischen Messungen Ausgehend vom Verschleißweg s als Funktion der Zeit t wurden für alle trocken durchgeführten tribologischen Experimente Konstantverschleißraten w konst im Tiefenbereich zwischen 100 und 200 µm aus der Steigung des Verschleißwegs s berechnet. Dieser Bereich wurde gewählt, da ab einer Tiefe von ca. 100 µm die in Abhängigkeit von der Tiefe dynamisch variierende Flächenpressung nur noch in geringem Maße abnimmt (Bild 4). Während die Abnahme bis zu einer Tiefe von 50 µm noch über 50 % der zu Beginn der Messung herrschenden Flächenpressung beträgt, liegt sie im Bereich zwischen 50 und 100 µm nur noch bei 26 % und fällt bis zur Tiefe von 200 µm bis auf 21 % ab. Die Berechnungen zur Abnahme der Flächenpressung in Abhängigkeit von der Tiefe wurden unter Annahme eines sukzessiven Abtrags der Faser ohne Verformungen der Faser vorgenommen. Eine Verformung der Faser ist in Abhängigkeit vom jeweiligen E- Modul zwar wahrscheinlich, jedoch ist auch bei einer hieraus resultierenden Vergrößerung der Kontaktfläche der prinzipielle Verlauf der Flächenpressung in Abhängigkeit von der Verschleißtiefe gegeben. Auch der Reibungskoeffizient wurde für die Trockenmessungen im Tiefenbereich zwischen 100 und 200 µm aus dem Quotienten von Reibkraft F x und Normalkraft F N berechnet. Alle Auswertungen erfolgten mit Hilfe eines mit Matlab erstellten Programms. Die Darstellungen der Messungen unter Variation des Reibungszustandes durch den Einfluss von Wasser als Umgebungsmedium resultieren direkt aus den während der Messung produzierten Messdaten als Funktion der Zeit. Sowohl für Mischreibung als auch für Hydrodynamik wurden die Konstantverschleißraten und Reibungskoeffizienten aus den Steigungen der Kurve jeweils nach Änderung der Schmiermittelrate vorgenommen. Durch die vorangegangene Trockenmessung bis zu einer Tiefe von 150 µm ist gewährleistet, dass Änderungen der Flächenpressung in diesem Bereich vernachlässigbar sind. Aus Wissenschaft und Forschung 17 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 Bild 4: Dynamische Änderung der Flächenpressung p einer Faser mit einem Durchmesser von 0,58 mm in Abhängigkeit von der Tiefe s Bild 3: Faserprobenhalter mit eingespannter PP-Faser TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 17 tischen, einem viskoelastischen und einem viskoplastischen Anteil zusammensetzen [13]. Lichtmikroskopische Untersuchungen an den PP-Fasern und der PET-Faser nach den tribologischen Experimenten zeigen, dass die PP-Fasern im Anschluss an die tribologische Messung verbreitert, also viskoplastisch deformiert erscheinen, während dies bei der PET-Faser im Rahmen des Fehlers nicht festgestellt werden konnte. Am stärksten zeigt sich diese Deformation bei der PP-1 Faser mit dem geringsten E-Modul und der geringsten Zugfestigkeit im Vergleich der drei untersuchten Fasern untereinander. Da die Konstantverschleißraten in einem definierten Tiefenbereich ermittelt werden, ist es wichtig festzustellen, wie stark die viskoplastische Deformation eben in diesem Bereich ist, um sie bei der Verschleißwegmessung mit berücksichtigen zu können, vorangegangene Deformationen hingegen wirken sich eher nur auf die Änderung der Flächenpressung aus. Hierzu bedarf es noch eingehender Untersuchungen. Die viskoelastische Deformation wurde für beide Fasern in einem statischen Triboexperiment ohne Gegenkörperrotation experimentell ermittelt. Der so gemessene Höhenverlust beträgt für das betrachtete Intervall für die Konstantverschleißrate nur einige µm und scheint somit vernachlässigbar. 3.2 Abrasionsexperimente an einer PP-Faser in Abhängigkeit von der Rauheit des Gegenkörpers Unabhängig von der Rauheit des Gegenkörpers liegen die Reibungskoeffizienten bei 0,35 bis 0,37. Für die im Tiefenbereich von 100 - 150 µm ermittelten Konstantverschleißraten ergibt sich hingegen sehr deutlich ein Zusammenhang zwischen Oberflächenrauheit und Verschleiß. Bild 7 zeigt die Konstantverschleißraten w Konst der PP-1-Faser in Abhängigkeit von der Rauheit der Gegenkörperoberfläche. Innerhalb des SiC-Epoxy-Systems verdreifacht sich die Konstantverschleißrate bei Erhöhung der Rauheit von einem R a -Wert von 0,7 µm auf 1,6 µm. Eine weitere Erhöhung der Rauheit auf R a = 2,6 µm erbringt tendenziell eine noch höhere Verschleißrate, die sich jedoch im Rahmen des Fehlers nicht stark von der vorangegangenen Rate abhebt. Der Einsatz des Al 2 O 3 -Gegenkörpers, der den gleichen R a -Wert wie der SiC- Epoxy-Gegenkörper mit der mittleren SiC-Körnung aufweist, bewirkt keine so starke Erhöhung der Konstantverschleißrate wie der SiC- Aus Wissenschaft und Forschung 18 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Einzelfaserexperimente an verschiedenen Polymerfasern Bild 5 zeigt exemplarisch den Verlauf des Verschleißwegs s als Funktion der Zeit t für die PP-1, die PP-2 und die PET-Faser. Die PET-Faser weist einen sehr viel geringeren Verschleißweg als die PP-Fasern auf. Auch die Reibungskoeffizienten unterscheiden sich deutlich mit einem Wert von 0,2 für die PET-Faser und von 0,38 für die PP-Fasern. Ebenso deutlich ergeben sich die Unterschiede in den Konstantverschleißraten w Konst im Tiefenbereich von 100 - 200 µm der Fasern (Bild 6). Da der Verschleiß der PET-Faser nicht bis in diesen Tiefenbereich hineinreichte, wurde die Auswertung hier im Zeitbereich zwischen 3 und 5 min vorgenommen. Diese Ergebnisse korrelieren mit den Modellen von Czichos und Lancaster [14, 15] insofern, dass eine hohe Reibzahl und eine niedrige maximale Zugfestigkeit zu höheren Verschleißraten führen. Wichtig ist für die Betrachtung der Ergebnisse an den Fasern jedoch auch die Berücksichtigung von Deformationen, die sich aus einem elas- Bild 6: Konstantverschleißraten w Konst im Auswertebereich von 100-200 µm Tiefe (PP-1 und PP-2) und 3 bis 5 min (PET). In den dargestellten Konstantverschleißraten sind viskoplastische Verformungsanteile nicht berücksichtigt. Bild 5: Verlauf des Verschleißwegs s in Abhängigkeit von der Zeit für drei verschiedene Polymer-Fasern 03821113 Anzeige Spirit X 210x145_rz.indd 1 TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 18 Epoxy Gegenkörper. Diese Abhängigkeit vom Gegenkörpermaterial könnte bedingt durch die unterschiedlichen Oberflächentopografien (Bild 8) sein, die sich jedoch nicht im R a -Wert widerspiegeln. Während der Al 2 O 3 -Gegenkörper eine sehr gleichmäßige Oberfläche mit kleinen Spitzen und Tälern aufweist, zeigt der SiC320-Epoxy Gegenkörper größere Vertiefungen, was sich im Messwert für die reduzierte Riefentiefe R vk widerspiegelt. Es handelt sich hierbei um die gemittelte Tiefe der aus dem Kernbereich in das Material hineinragenden Riefen, die für den SiC320-Epoxy-Gegenkörper mit 5,6 µm ± 0,5 µm deutlich höher als für den Al 2 O 3 -Gegenkörper mit 3,0 µm ± 0,2 µm ist (s. Tabelle 5). Da die Reibwerte sich für beide Materialien nicht unterscheiden, wird ein adhäsiver Einfluss als sehr gering vermutet. Aus Wissenschaft und Forschung Anzeige 19 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 Bild 7: Konstantverschleißrate w der PP-1-Faser in Abhängigkeit vom arithmetischen Mittenrauwert R a des Gegenkörpers Spirit X für erhöhten Arbeitsschutz Die kennzeichnungsfreien Kühlschmierstoffe der Spirit X Reihe bieten einen sicheren Umgang für Ihre Mitarbeiter und eine hervorragende Leistungsfähigkeit. services.totalenergies.de/ industrie 03821113 Anzeige Spirit X 210x145_rz.indd 1 08.07.21 16: 11 TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 19 tragen, die PP-2-Faser nach ca. 10 Minuten. Das Hinzuschalten der Wasserzugabe mit 0,5 ml/ min zu diesen Zeitpunkten ist deutlich im spontanen Abfall des Reibungskoeffizienten erkennbar. Mit einher geht eine Verringerung des Verschleißes. Die Erhöhung der Durchflussrate auf 4 ml/ min im zweiten Schritt bei einer Messzeit von 29 bzw. 35 Minuten bewirkt eine weitere Aus Wissenschaft und Forschung 20 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0015 3.3 Variation des Reibungszustandes unter Einfluss des Mediums Wasser Den Verlauf des Reibungskoeffizienten µ für die Variationsmessung ohne und mit Wasserschmierung an der PP-1- und der PP-2-Faser zeigt Bild 9. Nach 4 Minuten Trockenmessung ist die PP-1-Faser um 150 µm abge- Bild 8: Oberflächentopografiebilder des Al 2 O 3 - (links) und des SiC320-Epoxy-Gegenkörpers (rechts) Bild 9: Reibungskoeffizient µ in Abhängigkeit von der Zeit unter Variation der Schmiermittelrate für die PP-1- und die PP-2-Faser Verringerung des Verschleißes, dabei ist der Verlauf des Reibungskoeffizienten von Mischreibung zu Hydrodynamik fließend, eine zweite Stufe im Verlauf des Reibungskoeffizienten wird nicht sichtbar. Die Konstantverschleißraten und Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Schmiermittelrate sind in Bild 10 dargestellt. 4 Zusammenfassung Das vordergründige Ziel der vorliegenden Studie war es, anhand von Einzelfasermessungen am Pinon-Disc-Tribometer Reibungs- und Verschleißeigenschaften an Poly- Bild 10: Konstantverschleißrate w Konst und Reibungskoeffizient µ der PP-1-Faser in Abhängigkeit von der Schmiermittelrate TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 27 Seite 20 merfasern mit Durchmessern im Bereich von einigen 100 µm in unterschiedlichen tribologischen Systemen zu ermitteln. Der Focus lag dabei auf abrasiven Bedingungen, die für eine spätere Abschätzung des Verschleißverhaltens der Fasern im Betonmischprozess dienen sollen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind wie folgt: Fasern mit Breiten im Bereich von 600 - 700 µm konnten vergleichend hinsichtlich ihrer Reibungs- und Verschleißeigenschaften mit dem hierfür angepassten Pinon-Disc Prüfstand charakterisiert werden. Für drei Polymerfasern mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften wurden Konstantverschleißraten ermittelt. Während des tribologischen Experiments stellen sich an den verschiedenen Fasern viskoplastische Deformationen unterschiedlicher Ausprägung ein, die mit abnehmendem E-Modul und abnehmender Zugfestigkeit zunehmen. In welchem Maße diese den Verschleißweg überlagernden Deformationsanteile in die Konstantverschleißrate eingehen, ist Gegenstand zukünftiger Untersuchungen. Durch die Variation der Gegenkörper mit Rauheiten R a von 0,7 µm - 2,6 µm wurden unterschiedliche tribologische Systeme dargestellt, und eine PP- Faser unter verschiedenen abrasiven Bedingungen untersucht. Eine deutliche Abhängigkeit der Konstantverschleißrate vom arithmetischen Mittenrauwert R a der Gegenkörper wurde hierbei ermittelt. Für zwei verschiedene Gegenkörpermaterialen mit gleichem R a -Wert wurden unterschiedliche Verschleißraten ermittelt. Hier ist eine zusätzliche Betrachtung der reduzierten Riefentiefe R vk aufschlussreich, die ein Maß für die gemittelte Tiefe der aus dem Kern in das Material hineinragenden Riefen ist. Die Al 2 O 3 -Keramik bewirkt als Gegenkörpermaterial mit einem R vk -Wert von 3,0 µm eine geringere Verschleißrate als der SiC-Epoxy-Compound mit dem höheren R vk -Wert von 5,6 µm. Eine Variation des Reibungszustandes von Trockenüber Mischreibung bis zur Hydrodynamik wurde durch Bewässerung mit Hilfe eines Pumpensystems für die Fasermessungen umgesetzt. Zwei PP-Fasern wurden hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens in Abhängigkeit von den verschiedenen Reibungszuständen charakterisiert. Eine Zunahme der Wasserzugabe hat dabei bei beiden Fasern eine Abnahme des Reibungskoeffizienten und eine Abnahme der Verschleißrate zur Folge. 5 Danksagung Die Autoren danken dem BMBF für die finanzielle Unterstützung dieser Studie im Rahmen des Projektes 13FH068PB6. 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