مقدمة
نظراً لكثافتها المنخفضة، فإن الرغاوي لها مجموعة واسعة من التطبيقات. وتستخدم الرغاوي اللينة، على سبيل المثال، كمواد توسيد أو للتخميد الصوتي أو للحماية من الخشخشة. وتستخدم الرغاوي الصلبة على وجه الخصوص كمواد عازلة، أو في نعال الأحذية، أو في تطبيقات مثل طبقات الحشو في الهياكل المركبة. عندما ينصب التركيز على تأثير العزل الحراري أو مقاومة المواد في ظل الظروف البيئية المختلفة، عادةً ما يتم استخدام الرغاوي ذات الخلايا المغلقة. من ناحية أخرى، عادةً ما تكون الرغاوي اللينة على وجه الخصوص، عادةً ما تكون مفتوحة الخلايا، مما يسمح للغاز بالخروج من الخلايا الفردية وبالتالي يسمح للرغوة بالخضوع لضغط مرن أكبر.
وعمومًا، فإن العديد من البوليمرات مناسبة كمواد أولية للرغاوي. وتستخدم رغاوي البوليسترين الموسع أو الرغاوي القائمة على البولي يوريثان (PUR-) على نطاق واسع بشكل خاص. واعتمادًا على تصنيعها، يمكن أن تُظهر رغاوي البولي يوريثان المختلفة خصائص مختلفة جدًا. تختلف كثافة ودرجة تشابك الرغاوي بشكل كبير اعتمادًا على كمية عامل النفخ (الماء)، وإضافة المزيد من المواد المضافة وكذلك طول سلسلة المواد الأولية، مما يسمح بنطاق واسع من الرغاوي اللينة إلى الرغاوي شديدة الصلابة.
ولتحديد الخواص الميكانيكية، فإن الاختبار باستخدام أجهزة اختبار الشد العالمية classic راسخ جيدًا. وبالإضافة إلى سلوك التشوه الساكن، غالبًا ما يكون تخميد الرغوة أيضًا ذا أهمية مركزية للتطبيق. هنا، يمكن أن يقدم DMA مساهمة قيمة من خلال تسجيل السلوك اللزج المرن الكامل للرغاوي. في هذه المساهمة، يتم دراسة رغوة البولي يوريثان الناعمة ذات المسام المفتوحة كمثال.
الاختبار الثابت
أثناء الاختبار الاستاتيكي (شبه الاستاتيكي) باستخدام جهاز DMA GABO Eplexor® 500 N عالي القوة، يتم تطبيق حمل متغير ببطء كما هو الحال في جهاز الاختبار العام ويتم قياس القوى والتشوهات الناتجة. وفقًا لحالات التركيب الشائعة للرغاوي، يتم القياس عادةً في وضع الضغط.
يوضح الشكل 1 العينة غير المحملة على اليسار والعينة المضغوطة على اليمين، في Eplexor®. يمكن ملاحظة أنه لا يحدث سوى إجهاد عرضي small نسبيًا ويمكن للمرء أن يفترض هنا مادة قابلة للانضغاط تمامًا في تقدير تقريبي أولي.
أولاً، يتم تسجيل منحنيات الإجهاد-الإجهاد الساكن. ولاستبعاد التأثيرات التي تحدث لمرة واحدة، يتم عادةً تحميل عينة الرغوة وتفريغها مرتين، حيث تظهر دورة التحميل الثانية فقط في الشكل 2.
يُظهر هذا منحنى ثلاثي الإجهاد والإجهاد، وهو نموذجي للرغاوي اللينة المرنة؛ على سبيل المثال، قارن مع (كيلر، 2019). تحت سلالات small نسبيًا، لا تتشوه الخلايا إلا قليلاً وتتصرف المادة بطريقة خطية مرنة تقريبًا. مع زيادة الإجهاد، تنهار خلايا الرغوة مفتوحة الخلية. وبما أن الهواء يجب أن يتسرب من الخلايا في هذه العملية، فإن النتائج تكون دالة لمعدل التشوه. في منطقة الهضبة هذه، يزداد الإجهاد المطلوب للتشوه ببطء فقط. عند مستويات عالية جدًا من الإجهاد (تبدأ هنا عند 50% تقريبًا)، يتم ضغط الخلايا التي انهارت بالفعل، ويزداد الإجهاد مرة أخرى بشكل أكثر حدة. أثناء التفريغ اللاحق، تكون الضغوط المطلوبة أقل إلى حد ما فقط بسبب تبديد الطاقة الذي حدث في هذه الأثناء، ويحدث تباطؤ نموذجي.
ووفقًا للمواصفة القياسية ISO 3386، يتم تحديد صلابة الانضغاط على أنها الإجهاد اللازم تحت إجهاد متزايد بنسبة 40%؛ وهنا تبلغ صلابة الانضغاط σd 40 = 0.12 ميجا باسكال. تسمح مساحة التباطؤ بتقدير تقريبي لتخميد المادة. تختلف قدرة التخميد لرغاوي PUR بشكل كبير.
يوضح الشكل 3 منحنيات التباطؤ المختلفة بشكل تخطيطي. ووفقًا لسلوك التخميد الخاص بها، يمكن تصنيف رغاوي PUR إلى medium تخميد (النوع A)، أو تخميد قوي (النوع B) أو تخميد ضعيف (النوع C). وفقًا لذلك، يمكن تصنيف العينة التي تم فحصها على أنها من النوع C.
وكبديل للتحميل السطحي الكامل المستخدم هنا، كثيرًا ما يتم إجراء اختبارات الاختراق على الرغاوي. في هذه الحالة، يتم الضغط على جسم smallفي العينة بدلاً من القضيب العلوي. وتسمى القوة المطلوبة لذلك صلابة المسافة البادئة.
الاختبار الديناميكي
في المسح الثابت لـ DMA، يتم تطبيق حمل ثابت في كل خطوة ثم يتم إجراء تجربة تذبذب ديناميكي في هذه الحالة. وبهذه الطريقة، يمكن قياس معامل يونج مباشرةً في هذه النقطة، وبالتالي، يمكن أيضًا تحديد التخميد محليًا.
يتم تمديد عينة الرغوة مرة أخرى بشكل ثابت في خطوات تصل إلى 70%. في الشكل 4، يمكن رؤية نفس السلوك كما في الاختبارات الساكنة: بالنسبة للسلالات small ، تسلك العينة سلوكًا خطيًا تقريبًا، ولكن بعد ذلك تتطور خاصية الزنبرك الانحداري مع زيادة الإجهاد. ثم يتسم الانضغاط النهائي مرة أخرى بصلابة زنبركية تزداد مع الإجهاد الساكن، وبالتالي يمكن وصفها بأنها صلابة زنبركية تصاعدية.
عن طريق DMA، يمكن قياس معامل يونج عند كل نقطة بسبب التذبذب الديناميكي. كما هو متوقع، ينخفض المعامل في البداية في منطقة small الإجهاد، ثم يكون ثابتًا نسبيًا ويزداد في النهاية مرة أخرى مع زيادة الضغط. وبالتالي فإن المعامل المقاس بواسطة DMA يتصرف تمامًا مثل معامل الظل بعد تقييم الاختبار الساكن.
مع معدات الاختبار الميكانيكي، لا يتم قياس معامل يونج للعينة بشكل مباشر، ولكن يتم تحديد معامل الصلابة أولاً بناءً على القوى والتشوهات القابلة للقياس. واعتماداً على هندسة العينة ونموذج المادة، يتم بعد ذلك حساب معامل يونج. نظرًا لأن الرغوة تتصرف على أنها largely قابلة للانضغاط، فإن مساحة المقطع العرضي لا تتغير بشكل ملحوظ أثناء التشوه. وبناءً على ذلك، يمكن حساب الإجهاد المؤثر على العينة؛ ويتم التعبير عن ذلك دائمًا على النحو التالي
σ = F/A0
هنا، F هو القوة وA0 هو المقطع العرضي الابتدائي الاسمي.
نظرًا لأن طول العينة يتغير بشكل كبير، يجب أن يرتبط الإجهاد الديناميكي دائمًا بطول العينة الحالي، أي
ε = ΔL/Lm
مع التشوه ΔL وطول العينة الحالي Lm. ينتج عن ذلك العامل الهندسي لحساب المعامل على أنه Lm / A0.
يكون هذا العامل صالحًا بشكل عام للمواد القابلة للانضغاط ويمكن حسابه مباشرةً selectفي برنامج Eplexor®.
في الاختبار الساكن، من الممكن توصيف سلوك التخميد للرغوة بناءً على التباطؤ في التشوه بأكمله. يسمح DMA بتوصيف أكثر دقة حيث يمكن تحديد التخميد المحلي لكل حمل ثابت. يتضح أن الرغوة لديها قدرة تخميد منخفضة فقط في نطاق التشوهات small. ويظل التخميد (هنا tan δ) ثابتًا نسبيًا في منطقة الهضبة ثم يزداد مرة أخرى في منطقة الانضغاط. وبالتالي، يسمح DMA بالتحديد الصحيح لقدرة التخميد في حالة التحميل.
يكون سلوك المادة غير الخطي متماثلًا تمامًا عند زيادة سعة الاهتزاز الديناميكي للاهتزاز. ويوضح الشكل 5 التباطؤ المقابل لدورة التذبذب الديناميكي (بسعة إجهاد ديناميكي بنسبة 10%) عند مستويات إجهاد ثابتة مختلفة. وينتج معامل يونج مرة أخرى من الميل في مخطط الإجهاد والانفعال. يمكن ملاحظة أن الصلابة تتناقص في البداية في نطاق small السعة السكونية (صلابة تراجعية) ثم تزداد مرة أخرى تحت سعة large (صلابة تدريجية). في السعة الديناميكية large ، يتضح هذا السلوك أيضًا في تشوه التباطؤ. يمكن أيضًا ملاحظة الزيادة في التخميد مع التحميل المسبق الساكن في منطقة large من التباطؤ.
سلوك درجة الحرارة
إلى جانب قياس سلوك المواد الميكانيكية غير الخطية الميكانيكية، يسمح أيضًا جهاز DMA GABO Eplexor® على وجه الخصوص بإجراء التحليل الميكانيكي الحراري. وبالتالي، فإن التحليلات التي أجريت سابقًا ممكنة أيضًا في درجات حرارة مرتفعة أو درجات حرارة أقل من نقطة التجمد. يتم إجراء التوصيف الحراري في الغالب في النطاق الخطي لسعة small. ونظرًا للتأثير العازل القوي للرغوة، تم اختيار معدل تسخين منخفض يبلغ 2 كلفن/دقيقة.
إلى جانب السلوك المباشر لدرجة الحرارة، غالبًا ما تكون خصائص المواد في الترددات التي لا يمكن الوصول إليها مباشرة عن طريق القياس ذات أهمية. ينطبق هذا، على سبيل المثال، على استخدام الرغاوي للتخميد الصوتي. هنا، يمكن استخدام طريقة التراكب بين الزمن ودرجة الحرارة لتوليد المنحنيات الرئيسية. وهذا يسمح أيضًا باستخلاص استنتاجات حول سلوك المادة عند ترددات أعلى بكثير.
الملخص
يوفر جهاز DMA GABO Eplexor® 500 نيوتن احتياطي قوة كافٍ لقياس الرغاوي بأحجام ذات مغزى بحيث يمكن توصيف السلوك الميكانيكي غير الخطي والمعتمد على الوقت. وبالإضافة إلى المعلومات الناتجة عن مخطط الإجهاد والإجهاد، يمكن أيضًا استخدام DMA لتحديد الصلابة والتخميد في حالة الضغط. وعلاوة على ذلك، مع DMA يمكن تحديد سلوك درجة الحرارة، وعن طريق تقنية المنحنى الرئيسي، يمكن أيضًا تحديد معامل يونج عند الترددات العالية باستخدام أداة واحدة فقط. وهذا يتيح توصيف الرغاوي لمجموعة متنوعة من سيناريوهات التطبيق.