المطاط تحت أحمال ثقيلة - اختبار تراكم الحرارة والانفجار

NETZSCH DMA 523: قدرات مقياس المرونة من جودريتش مع التحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي المتزامن

مقدمة

تلعب اللدائن، كمواد لزجة، دورًا أساسيًا في صناعات متعددة. ومن المسلم به أن المكون اللزج للسلوك الميكانيكي يؤدي إلى فقدان الطاقة في شكل حرارة بسبب عمليات التبديد المختلفة. تتضمن قياسات DMA النموذجية استخدام small أحجام العينات وسعات ديناميكية منخفضة وترددات منخفضة، مما يؤدي إلى حرارة مبددة لا تذكر في كل دورة. لا يؤدي هذا التبديد إلى زيادة درجة الحرارة ذات الصلة في العينة. ومع ذلك، فإن بعض المنتجات المطاطية، مثل مداس الإطارات، ووسادات مسار الدبابات، وبكرات المطاط large ، تتعرض لقوة كبيرة أثناء خدمتها. يمكن أن يؤدي ذلك إلى ظروف تتولد فيها طاقة حرارية أكثر من تلك التي تتبدد في البيئة المحيطة. والنتيجة هي تراكم الحرارة (HBU) داخل المطاط، مما قد يؤدي في النهاية إلى تعطل المنتج بسبب الانفجار (BO).

يُعد جهاز NETZSCH DMA 523 Eplexor^® الحل الأمثل لإجراء القياسات عند مستويات عالية من التشوه وكذلك تحت قوة ثابتة وديناميكية عالية، وذلك بفضل محركي الأقراص المستقلين. يسمح جهاز DMA DMA عالي القوة هذا بإجراء اختبارات Goodrich Flexometer وفقًا لمعيار ASTM D623 أو معيار ISO 4666-3/ISO 4666-4، بالإضافة إلى معايير القياس التي تنحرف عن هذه المعايير بناءً على طلبات العملاء.

إمكانيات اختبار مقياس المرونة مع NETZSCH أجهزة DMA عالية القوة

من الضروري وجود حامل عينة مزود بصفائح عازلة حراريًا تفي بالمعايير المذكورة أعلاه لتجارب HBU وBU. تُصنع الصوانى من مادة صفائحية مكونة من مادة حرارية أساسها الفينول وورق صلب. وهي مصممة لتقليل فقدان الحرارة من العينة المطاطية إلى حامل العينة، وبالتالي محاكاة أسوأ سيناريو في ظل الأحمال الميكانيكية الديناميكية الثقيلة المستمرة. يتم وضع مزدوج حراري داخل مركز حامل العينة العلوي لقياس درجة حرارة سطح العينة بدقة.

يظهر عرض تخطيطي لحامل العينة في الشكل 1أ.

للحصول على معلومات درجة الحرارة من داخل العينة، يقدم NETZSCH خيارين:

• مزدوجة حرارية بإبرة أفقية توضع يدويًا بالقرب من مركز العينة. يمكن استخدام هذا الخيار كإضافة مع حامل عينة Flexometer الأساسي. تقيس هذه المزدوجة الحرارية درجة الحرارة خلال كامل مدة تجربة HBU. يوصى بتجنب استخدام المزدوجة الحرارية ذات الإبرة الأفقية أثناء تجارب وحدة قياس درجة الحرارة (BO)، حيث قد يؤدي ذلك إلى تلف المستشعر. يظهر مثال على هذا الإعداد في الشكل 1ب.
• يتم إدخال حامل عينة منفصل مع صفائح بيرتيناكس ومزدوجة حرارية بإبرة رأسية إضافية بالهواء المضغوط في العينة بعد إجراء قياس HBU. في هذا التكوين، توضع المزدوجة الحرارية التي تكتشف درجة حرارة سطح العينة بعيدًا عن المركز قليلاً. يظهر في الشكل 1ج عرض تخطيطي لهذا النوع من حامل العينة.

كيفية إجراء اختبار تراكم الحرارة وانفجارها باستخدام NETZSCH DMAs عالي القوة

قبل الشروع في القياس، يُرجى التأكد من أن جهاز NETZSCH DMA 523 Eplexor^® مجهز بشكل صحيح بمستشعر القوة المناسب. بالإضافة إلى ذلك، يجب تكييف نظام نابض الشفرة لاستيعاب التشوهات الأعلى. نظرًا للقوى والتشوهات large المتضمنة أثناء اختبار HBU وBO، يوصى باستخدام مستشعر قوة على الأقل بقوة قصوى اسمية تبلغ 2500 نيوتن. فيما يتعلق بنظام نابض الشفرة، يجب فصل كل من نوابض الشفرة الفولاذية عن طريق فك صامولة الوصلة باستخدام مفاتيح ربط خاصة. يمكن إكمال هذه الخطوات بسهولة من قبل المستخدم في غضون بضع دقائق. يتم تعريف اختبارات HBU وBO في المعايير التالية: ASTM D623 أو ISO 4666/3 وISO 4666/4 وISO 4666/4 وJIS K 6265. من المتوقع أن تكون أبعاد العينة أسطوانية بقطر 17.8 مم وارتفاع 25 مم.

وبالإضافة إلى نتائج اختبارات مقياس المرونة التقليدية، مثل التطور الزمني لدرجة الحرارة والمجموعة الحرارية، فإن اختبارات مقياس المرونة باستخدام جهاز NETZSCH DMA 523 Eplexor^® توفر أيضًا نظرة ثاقبة على معامل تخزين خواص اللزوجة المرنة (E') ومعامل الفقد (E'') ومعامل الفقد (tanδ).

فيما يلي، يتم تلخيص المعلمات النموذجية لتجارب HBU وBO.

• اختبارات التراكم الحراري
  بالنسبة لاختبارات HBU، يوصي معيار ASTM D623ASTM D623 وISO 4666-3/ISO 4666-4 بسعة ديناميكية تبلغ 2.225 مم أو 2.855 مم أو 3.175 مم. في معظم الحالات، يتم تحديد الخيار 2.225 مم. الإجهاد الساكن هو 1 ميجا باسكال. يمكن إجراء القياسات إما في درجة حرارة الغرفة أو 50 درجة مئوية أو 100 درجة مئوية، مع التوصية بالخيارين الأخيرين حسب المعايير. يتم التأكد من دقة إعداد مقياس المرونة باستخدام عينة من مطاط الستايرين-بوتادين (SBR) بتركيبة معروفة، كما هو موضح في المعيار. يجب أن تكون الزيادة في درجة الحرارة 26.7 درجة مئوية ± 1.1 درجة مئوية بعد إجراء اختبار HBU عند 30 هرتز لمدة 25 دقيقة عند درجة حرارة محيطة تبلغ 100 درجة مئوية.
• اختبارات النفخ
  يتم إجراء اختبارات النفخ يتم إجراء اختبارات النفخ بطريقة مماثلة لاختبارات HBU. الفرق الأساسي هو تطبيق أحمال متزايدة على العينة. فبدلاً من الضغط الساكن البالغ 1 ميجا باسكال، يتم استخدام ضغط ساكن يبلغ 2 ميجا باسكال في هذه الحالة. وبالمثل، يتم زيادة سعة التشوه الديناميكي إلى 3.125 مم. وبالتالي، يتم زيادة الضغط الساكن وفقًا لذلك إلى 2 ميجا باسكال، بينما يظل التردد دون تغيير عن اختبارات HBU.

يرجى ملاحظة أنه، اعتمادًا على صلابة المادة المطاطية، قد يكون من الضروري الانحراف عن معايير القياس المقترحة الواردة في المعيار. يوفر NETZSCH DMA 523 مرونة كاملة لأجهزة اختبار DMA.

نظرًا لأن الإحصائيات يتم التحكم في الإجهاد، يلزم إجراء قياس موثوق لقطر العينة المطاطية باستخدام الفرجار. يتم إدخال معلمات القياس في ملفات قالب القالب المهيأ مسبقًا. في حالة اختبار HBU، يحتاج المستخدم فقط إلى ضبط الإعدادات الأكثر أهمية، مثل قطر العينة.

اختبار التراكم الحراري والانفجار الحراري

يتم توضيح الإجراء النموذجي ونطاق قدرات اختبار مقياس المرونة باستخدام NETZSCH DMA 523 Eplexor^® باستخدام عينة مطاطية.

a. التحقق من دقة قياس درجة الحرارة باستخدام عينات مرج عية من SBR
يتم التأكد من دقة إعداد حامل عينة Flexometer باستخدام عينة مرجعية من SBR، كما ذكرنا سابقًا. تظهر الزيادة في درجة الحرارة في الشكل 3 لعينتين مرجعيتين مختلفتين من SBR. تُظهر كلتا العينتين درجة عالية من قابلية التكرار وضمن درجة الحرارة المسموح بها المحددة في معيار ASTM D623.

b. اختبارات التراكم الحراري والانفجار على عينة مطاطية لينة
بعد التحقق من دقة قياس درجة الحرارة باستخدام حامل عينة جهاز المرنومتر، تم تقييم عينات المطاط مبدئياً باستخدام معايير القياس الموضوعة لاختبار HBU. وترد النتائج في الشكل 4.

تزداد درجة الحرارة بنحو 36 درجة مئوية بعد 25 دقيقة. وبالإضافة إلى ذلك، تتضح منطقتان متميزتان لدرجات الحرارة لجميع العينات الثلاث قيد الفحص. تمتد المنطقة الأولى حتى تزداد درجة الحرارة خطيًا مع مرور الوقت عند 10 دقائق تقريبًا. بعد هذه المنطقة، يبدأ منحدر درجة الحرارة في الزيادة مرة أخرى حتى يستقر في النهاية عند قيمة هضبة قرب نهاية تجربة HBU.

ومن المثير للاهتمام، أن الزيادة في درجة الحرارة والزيادة في tan δ تحدث في وقت واحد. من المهم التأكيد على أن عامل الفقد يعكس بالأحرى التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة في التخميد في حجم العينة بالكامل. يتم قياس الزيادة في درجة الحرارة فقط عند السطح العلوي للعينات المطاطية.

ينخفض تان δ أولًا من قيمته الأولية البالغة 0.15 تقريبًا بسبب زيادة درجة الحرارة داخل العينة. يشير انخفاض عامل الفقد إلى درجة أعلى من الاستجابة المرنة في إجمالي الشغل الميكانيكي المطبق على العينة. ومع ذلك، بعد الوصول إلى حد أدنى يبلغ 0.10 تقريبًا عند حوالي 5 إلى 6 دقائق، يرتفع tan δ تدريجيًا مرة أخرى حتى يصل إلى حد أقصى محلي جديد يبلغ 0.12 بعد وقت قياس يتراوح بين 18 إلى 19 دقيقة. استنادًا إلى الفحص اللاحق للقياس للمقطع العرضي للعينة الموضح في الشكل 5، يُفترض أن الزيادة في عامل الفقد ناتجة عن تكوين تجاويف داخل مركز العينة. يسمح انخفاض سلامة العينة بزيادة الانثناء، مما يؤدي إلى زيادة واضحة في عامل الفقد. ومع ذلك، فإن هذا التأثير ليس جوهريًا ماديًا؛ فهو ناتج عن تكوين فقاعات غازية داخل العينة.

يؤدي الحمل الديناميكي الميكانيكي المتزايد إلى زيادة أسرع في درجة الحرارة بمرور الوقت. تظهر نتائج اختبارات BO هذه في الشكل 6. في هذا الشكل، تزداد درجة الحرارة خطيًا تقريبًا بمرور الوقت. ومع ذلك، في نهاية اختبارات BO، يتباطأ معدل الزيادة في درجة الحرارة، وينتهي الأمر في نهاية المطاف بكسر العينات المطاطية عن طريق الانفجار المفاجئ. أعلى درجة حرارة سطحية مسجلة قبل الفشل هي 54 درجة مئوية.

يعرض التطور الزمني لـ tan δ خصائص مماثلة لتلك التي لوحظت في اختبارات HBU. في هذه الحالة، تحدث الزيادة في عامل الفقد على نطاقات زمنية أقصر، حيث يؤدي الشغل الميكانيكي الأعلى المطبق على العينات إلى تكوين التجاويف في وقت مبكر.

يمكن الحصول على معلومات إضافية باستخدام المزدوجة الحرارية ذات الإبرة العمودية. عند تفعيلها للقياس باستخدام حامل عينة جهاز Flexometer (الشكل 1ج)، تكتشف هذه الميزة نقطة درجة حرارة واحدة بعد قياس HBU.

يتم إدخال المزدوجة الحرارية ذات الإبرة الرأسية تلقائيًا في مركز العينة لقياس درجة الحرارة بعد نهاية قياس HBU. في حالة اللدائن التي تم فحصها هنا، ارتفعت درجة الحرارة بنحو 57 درجة مئوية في المتوسط مقارنةً بـ 36 درجة مئوية تقريبًا المكتشفة على سطح العينات.

c. اختبار التراكم الحراري على عينة مطاطية صلبة
إذا لم تكن نقطة القياس المفردة هذه كافية، فهناك أيضًا إمكانية إدخال مزدوج حراري بإبرة أفقية يدويًا في وسط العينة، كما هو موضح في الشكل 1ب. تُعرض نتائج إعداد القياس هذا في الشكل 7. يتيح هذا الإعداد مراقبة درجة الحرارة طوال فترة قياس HBU بأكملها.

ويمكن ملاحظة أن الزيادة في درجة الحرارة في مركز العينة (68 درجة مئوية تقريبًا) أعلى بكثير من الزيادة المكتشفة على سطح العينة (20 درجة مئوية تقريبًا). وبالتالي، لقياس درجة الحرارة التي يحدث عندها انفجار المادة بدقة، يجب إدخال مزدوج حراري بإبرة أفقية. ومع ذلك، هناك بعض العيوب المرتبطة باستخدامها والتي ستتم مناقشتها في الخاتمة. ويتضح أيضًا أن منحدر tan δ (على الرغم من أنه مقلوب) مشابه لميل زيادة درجة الحرارة في مركز العينة. يسلط هذا الضوء على أن درجة حرارة السطح ليست كافية لوصف التغيرات في خواص اللزوجة المرنة لحجم العينة بالكامل، وهو ما يوفره tan δ.

تتوافق درجة حرارة المزدوجة الحرارية ذات الإبرة الرأسية التي يتم إدخالها بعد الانتهاء من قياس HBU بشكل جيد مع درجة الحرارة المكتشفة في العينة. ومع ذلك، يجب مراعاة وجود تأخير معين، تنخفض خلاله درجة حرارة العينة في المركز بأكثر من 10 درجات مئوية.

أهمية المجموعة الحرارية أثناء تجارب البناء الحراري
يسمح جهاز NETZSCH DMA 523 أيضًا بالقياس المتزامن للمجموعة الحرارية أثناء كامل تجربة HBU. تتيح هذه الخاصية استخلاص استنتاجات بشأن ثبات شكل المادة المطاطية أثناء الأحمال الديناميكية الثقيلة. على سبيل المثال، يجب أن تظل وسادات مسار الخزان في شكلها الأصلي إلى أقصى حد ممكن من أجل ضمان وظيفتها. يتم قياس المجموعة الحرارية بناءً على طول العينة المكتشفة لنقطة القياس الأولى في بداية الجزء الديناميكي من تجربة HBU، أي بعد نهاية الجزء الزمني للنقع.

في الشكل 8، يتم عرض تطور المجموعة الحرارية والزيادة في درجة الحرارة لعينتين مرجعيتين من SBR. خلال الدقائق الخمس الأولى، يهيمن تمدد العينة حيث ترتفع درجة حرارة العينة عبر حجم العينة بالكامل بسرعة أكبر خلال هذه الفترة الزمنية. بمجرد أن تبدأ الزيادة في درجة الحرارة في التباطؤ فقط يبدأ طول العينة في الانخفاض. بعد أن تتمدد العينة بنسبة 1% تقريبًا عند علامة الخمس دقائق، يتم تعويض هذا التمدد من خلال انخفاض طول العينة الناتج عن الأحمال الديناميكية الثقيلة المطبقة على عينة SBR.

الخاتمة

يوفر جهاز NETZSCH DMA 523 Eplexor^® إمكانية الوصول المباشر إلى اختبار مقياس المرونة للمواد المطاطية وغيرها. فهو يجمع بيانات عن تطور درجة حرارة عينات المطاط الصناعي وخصائصها اللزجة المرنة، مما يوفر جميع المعلومات اللازمة لتطوير منتجات مطاطية أكثر متانة يمكنها تحمل الأحمال الثقيلة أثناء الخدمة. علاوة على ذلك، يمكن قياس ثبات شكل عينات المطاط عن طريق المجموعة الحرارية المكتشفة أثناء تجربة HBU.

ومع ذلك، ينطوي اختيار المعدات على مزايا وعيوب معينة من حيث التطبيق:

• تم تصميم حامل عينة جهاز Flexometer الأساسي للكشف عن درجة حرارة السطح العلوي خلال كامل مدة اختبارات HBU وBU وBU. وفي حين أن هذا قد يكون كافيًا بالنسبة لمركبات المطاط الصناعي ذات خصائص التحلل الحراري المميزة، إلا أن بعض المركبات المختلفة قد لا تظهر اختلافًا في زيادة درجة حرارة سطحها أثناء القياس.
• NETZSCH يوفر حلين للحصول على مزيد من المعلومات من داخل مركبات المطاط الصناعي: من ناحية، هناك حامل عينة Flexometer المزود بمزدوجة حرارية بإبرة عمودية، ومن ناحية أخرى، هناك المزدوجة الحرارية الأفقية ذات الإبرة التي يمكن استخدامها مع حامل عينة Flexometer الأساسي كإضافة.
  • تم تصميم الخيار الأول للكشف عن نقطة قياس درجة حرارة واحدة فقط بعد انتهاء قياس HBU. وعلى عكس المزدوجة الحرارية ذات الإبرة الأفقية التي يتم إدخالها يدويًا، يتم تنفيذ هذا الإجراء تلقائيًا. تقلل هذه الميزة من الحاجة إلى اختراع المستخدم بين القياسات، مما يعزز الكفاءة والاتساق.
  • تسمح المزدوجة الحرارية الأفقية ذات الإبرة الأفقية بقياس درجة الحرارة داخل مركز العينة طوال مدة القياس. ومع ذلك، تتطلب هذه الإضافة الإدخال اليدوي قبل التجربة. يمكن أن يؤدي إدخال المزدوجة الحرارية مسبقًا إلى إضعاف بنية العينة عن طريق إدخال شق في المادة. وهذا بدوره يمكن أن يؤثر على دقة خواص اللزوجة المرنة المقاسة. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن يؤثر ذلك على تكوين تجاويف في مركز العينة، حيث إن خليط الغاز النامي لديه مسار سهل للانتشار إلى السطح على طول الإبرة الحرارية. والهدف الأساسي من قياسات HBU أو BO هو فحص عينة نقية من الناحية الهيكلية؛ وينبغي استخدام هذه الإضافة فقط كمصدر إضافي للمحاكاة المحتملة لتراكم الحرارة المحتمل، وليس كبديل لتجارب HBU وBU التقليدية مع العينات البكر. من المهم ملاحظة أن الاحتكاك بين المزدوجة الحرارية والعينة، بالإضافة إلى دور المزدوجة الحرارية في توصيل الحرارة بعيدًا عن قلب العينة إلى الخارج، من العوامل المؤثرة عند استخدام هذه الإضافة.