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dc.contributor.advisorLuinstra, Gerrit A. (Prof. Dr.)
dc.contributor.authorKong, Xiangyun
dc.date.accessioned2020-10-19T13:10:13Z-
dc.date.available2020-10-19T13:10:13Z-
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttps://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6059-
dc.description.abstractModern rheometers can be equipped with accessories to perform frictional measurement and the technology has gained popularity in tribology studies on compliant contact. A novel frictional method was developed to measure the lubricated dynamic coefficient of friction (CoF) on the steel-thermoplastic polyurethane contact, using a rotational rheometer in combination with a three ball-on-plate accessory. The testing procedure using polyoxymethylene (POM) and thermoplastic polyurethane (TPU) as representative materials was established and the frictional properties were evaluated using the Stribeck curve, i.e. plotting the CoF against the Gumbel number. The method aims at the evaluation of wet slip resistance of polyurethane elastomers as shoe soling material. Therefore, the test conditions were defined to represent the biomechanical and tribological parameters involved in actual shoe slipping events. Precisely, the CoFs were measured at varying sliding velocities between 3.3 to 335 mm/s and a constant load of 1N in three different glycerin-water mixtures. The Stribeck curve for POM shows three distinguishable lubrication regimes-the boundary, mixed and elastohydrodynamic lubrication (EHL), while the Stribeck curve for TPU shows the mixed and elastohydrodynamic lubrication regimes and a transitional regime between the two. The obtained CoFs on both benchmark materials show good measurement repeatability and are in good agreement with literature. This work also comprises a study of the effect of surface characteristics and bulk hardness of TPU on the wet sliding friction. The Stribeck curves for the TPU based tribo-systems show the frictional properties in the mixed and EHL regimes and demonstrate that the surface characteristics of the TPU can influence the friction in both lubrication regimes. The effect in the mixed lubrication regime is more noticeable and the Stribeck curves are more differentiable than in the EHL regime. The TPU surfaces were treated by sandpaper imprinting using a hot-pressing protocol to obtain two categories of surface parameters: the average spacing parameter (S_m) characterizing the irregularities in the horizontal direction, and arithmetical mean roughness (R_a) and mean peak-to-valley roughness (R_tm) characterizing the roughness in the vertical direction. On the surfaces with varying S_m (20 to 300 µm) and similar R_a (1~2 µm) and R_tm (4~7 µm), the CoF decreases with increasing S_m until approaching a same minimum level as obtained on a smooth referential surface. Larger spacing between surface asperities promotes fluid entrainment into the contact zone and hence reduces friction. A brief analysis of the sliding frequency dependence on hysteresis friction shows that a smaller S_m is associated with higher deformation frequency of the elastomer during wet sliding. This may cause more hysteresis energy loss contributing to the friction. Latter is correlated to the higher values of loss modulus or loss factor obtained from temperature dependent DMA curves using the time temperature superposition principle. On two surfaces with differentiable R_a (2 vs. 3.4 µm) and R_tm (6 vs.10 µm) and a similar S_m (210~260 µm), the CoF increases with increasing R_a or R_tm. Increasing roughness results in more energy loss during the contact between surface asperities of the polymer and the steel balls. The lubricated friction of five TPU samples with hardnesses from 80 to 97 Shore A was investigated. To prevent the surface roughness from complicating the results, the samples were pre-treated with the hot-pressing protocol to obtain the same level of surface characteristics (S_m≈200 µm,R_a≈2 µm,R_tm≈7 µm). Within the considered range of hardnesses, the CoFs in the mixed lubrication regime increase with increasing TPU bulk hardness. The CoFs at the sliding velocity of 11 mm/s were associated with the viscoelastic properties of TPUs at the relevant temperature of ca.10°C taken from the temperature dependent DMA curves at a deformation frequency of 1Hz. The CoFs were correlated to the loss factor and loss modulus at 10°C, 1Hz and with the mechanical hysteresis at 10% maximum strain. A linear correlation was found for the loss modulus and material hysteresis.en
dc.description.abstractModerne Rheometer können mit speziellem Zubehör ausgestattet werden, um Reibungsmessungen durchführen zu können. Solche in der Tribologie verwendete Aufbauten hat bei entsprechenden Studien an weichen Materialien Eingang gefunden. Eine neuartige Messmethode wurde nun entwickelt, um den Gleitreibungskoeffizienten (CoF) auf der Grenzfläche zwischen Stahlkugel und thermoplastischem Polyurethan mittels eines Rotationsrheometers mit einem „Drei-Kugel-auf-Platte“-Zubehör zu messen. Das Prüfverfahren wurde unter Verwendung von Polyoxymethylen (POM) und thermoplastischem Polyurethan (TPU) als repräsentativen Materialien entwickelt. Die Reibungseigenschaften wurden durch das Auftragen der CoF gegen die Gumbel-Zahl (Stribeck-Kurve) evaluiert. Das Verfahren kann für die Bewertung der Nassrutschfestigkeit von Polyurethan-Elastomeren, z.B. bei Schuhsohlenmaterial, benutzt werden. Daher wurden die Testbedingungen so festgelegt, dass die biomechanischen und tribologischen Parameter die tatsächliche Situation des Rutschens von Schuhen auf nassen Oberflächen darstellen können. Die CoFs wurden bei verschiedenen Gleitgeschwindigkeiten von 3,3 bis 335 mm/s und einer konstanten Last von 1 N in drei verschiedenen Glycerin-Wasser-Gemischen gemessen. Die Stribeck-Kurve für POM zeigte drei verschiedene Schmierregime, nämlich die Grenzschmierung, die gemischte und die elastohydrodynamische Schmierung (EHL), während die Stribeck-Kurve für TPU das gemischte und das elastohydrodynamische Schmierregime sowie ein Übergangsregime zwischen den beiden zeigte. Die Messungen weisen eine gute Reproduzierbarkeit auf, und die erhaltenen CoFs beider Benchmark-Materialien zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Werten in der Literatur. Diese Arbeit berichtet über den Einfluss der Oberflächeneigenschaften sowie der Härte von TPU auf die Nassgleitreibung. Die Stribeck-Kurven für TPU-basierte Tribosysteme zeigten die Reibung in den Misch- und EHL-Regimen und belegten zugleich, dass die Oberflächeneigenschaften des TPUs die Reibung in beiden Schmierregimen beeinflussen können. Der Einfluss im gemischten Schmierregime ist für das Material deutlicher und die Stribeck-Kurven sind differenzierbarer als beim EHL-Regime. Die TPU-Oberflächen wurden mittels Sandpapier-Prägung unter Verwendung eines Heißpress-Protokolls behandelt, um zwei Kategorien von Oberflächenparametern zu erhalten: den durchschnittlichen Abstandsparameter (S_m), der die Unregelmäßigkeiten in horizontaler Richtung charakterisiert, und die arithmetische mittlere Rauheit (R_a) bzw. die mittlere Spitze-zu-Tal-Rauheit (R_tm), die die Rauheit in vertikaler Richtung zeigt. Auf den Oberflächen mit variierenden S_m (20 - 300 µm) und ähnlichen R_a (1 - 2 µm) und R_tm (4 - 7 µm) nahm der CoF mit zunehmendem S_m ab, bis er sich dem gleichen minimalen Pegel näherte, der auf einer glatten Referenzfläche erreicht wurde. Ein größerer Abstand zwischen Oberflächenunebenheiten förderte das Mitreißen von Flüssigkeit in die Kontaktzone und verringerte somit die Reibung. Eine einfache Analyse der Gleitfrequenzabhängigkeit von der „Hysterese-Reibung“ zeigte, dass ein geringeres S_m mit einer höheren Verformungsfrequenz des Elastomers während des Nassrutschens einherging und zu einem höheren Energieverlust führte. Dies kann zu einem höheren Energieverlust der Hysterese führen, der zur Reibung beiträgt. Es konnte eine Korrelation zu den höheren Werten des Verlustmoduls oder Verlustfaktors bei der relevanten Temperatur in den temperaturabhängigen DMA-Kurven gefunden werden. Auf zwei Oberflächen mit verschiedenem R_a (2 gegen 3,4 µm) und R_tm (6 gegen 10 µm) und einem ähnlichen S_m (210 ~ 260 µm) stieg der CoF mit zunehmendem R_a oder R_tm an. Eine zunehmende Rauheit führte zu einem höheren Energieverlust (Hysterese) bei dem Kontakt zwischen Oberflächenunebenheiten der Stahlkugeln und des Polymers. Die geschmierte Reibung von fünf TPU-Proben mit Shore-Härten von A80 bis A97 wurde ebenso untersucht. Um zu verhindern, dass die Oberflächenrauigkeit die Ergebnisse beeinträchtigt, wurden die Proben mit dem Heißpressverfahren vorbehandelt, um gleiche Oberflächeneigenschaften zu erhalten (S_m≈200 µm,R_a≈2 µm,R_tm≈7 µm). Innerhalb des getesteten Härtebereichs nehmen die CoFs im Mischschmierbereich mit zunehmender TPU-Härte zu. Die CoFs bei einer Gleitgeschwindigkeit von 11 mm/s wurden mit den viskoelastischen Eigenschaften der TPUs bei einer relevanten Temperatur von ca. 10°C in Verbindung gebracht, die den temperaturabhängigen DMA-Kurven bei einer Verformungsfrequenz von 1 Hz entnommen wurden. Die CoFs wurden mit dem Verlustmodul und dem Verlustfaktor bei 10°C, 1 Hz und mit der mechanischen Hysterese bei 10% der maximalen Dehnung korreliert. Eine Linearität der Korrelation ist für den Verlustmodul und die Materialhysterese feststellbar.de
dc.language.isoenen
dc.publisherStaats- und Universitätsbibliothek Hamburg Carl von Ossietzky
dc.rightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.subjectpolyurethaneen
dc.subjectfrictionen
dc.subjectStribeck curveen
dc.subjecttribologyen
dc.subject.ddc540 Chemie
dc.titleLubricated Dynamic Friction Measurement of Thermoplastic Polyurethaneen
dc.title.alternativeGeschmierte dynamische Reibungsmessung an thermoplastischen Polyurethanende
dc.typedoctoralThesis
dcterms.dateAccepted2019-09-06
dc.rights.ccNo license
dc.rights.rshttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.bcl35.80 Makromolekulare Chemie
dc.type.casraiDissertation-
dc.type.dinidoctoralThesis-
dc.type.driverdoctoralThesis-
dc.type.statusinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.thesisdoctoralThesis
tuhh.opus.id10090
tuhh.opus.datecreation2019-11-14
tuhh.type.opusDissertation-
thesis.grantor.departmentChemie
thesis.grantor.placeHamburg
thesis.grantor.universityOrInstitutionUniversität Hamburg
dcterms.DCMITypeText-
tuhh.gvk.ppn1684342465
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:18-100905
item.fulltextWith Fulltext-
item.creatorOrcidKong, Xiangyun-
item.grantfulltextopen-
item.advisorGNDLuinstra, Gerrit A. (Prof. Dr.)-
item.languageiso639-1other-
item.creatorGNDKong, Xiangyun-
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen
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