مقدمة
واليوم، أصبحت طريقة التحليل الحراري الديناميكي الميكانيكي الديناميكي (DMTA) راسخة في أبحاث المواد الخاصة بالمطاط والإطارات. يتطلب التطوير حول المركبات الجديدة، على سبيل المثال، في صناعة الإطارات، معلومات مفصلة حول الخواص الميكانيكية للمواد المستخدمة. ويشمل ذلك تحديد بيانات المواد اللزجة المرنة التي تحتوي على معامل التخزين E'، ومعامل الفقد E" ومعامل الفقد tanδ، كدالة لدرجة الحرارة وتردد الإثارة والتشوه الخارجي (على سبيل المثال، الإجهاد).
يحظى اختبار صلابة الشاطئ بشعبية كبيرة. لسوء الحظ، هناك نقص في المعلومات حول الخصائص اللزوجة المرنة التي يتم الحصول عليها من خلال اختبارات الشاطئ في بعض المناطق المهمة. لا تتوفر بيانات حول درجة الحرارة والتردد المعتمد على المركبات على الإطلاق. علاوة على ذلك، لا يتم قياس التشوه المطبق على العينات أثناء اختبار الشاطئ.
ولا يمكن الحصول على النتائج المرجوة إلا من خلال فحوصات DMTA. نظرًا لأن الخواص اللزوجة المرنة (E'، E"، tanδ) لأنظمة المطاط الصناعي تعتمد على التشوه المطبق خارجيًا، يجب إجراء عمليات مسح درجة الحرارة بسعات إجهاد ثابتة على نطاق درجة حرارة التطبيق بالكامل.
ونظرًا للصلابة العالية لمركبات المطاط عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الانتقال الزجاجي Tg، يلزم وجود مستويات قوة عالية من أجل الحصول على التشوهات الثابتة والديناميكية المطلوبة.
عادة، بالنسبة لاختبارات الضغط، يتم استخدام عينات أسطوانية (عينات "Roelig") بارتفاع وقطر 10 مم.
بافتراض أن معامل E 'معامل E يبلغ 3000 ميجا باسكال، وهي قيمة نموذجية في الحالة الزجاجية، فإن قدرة الاختبار للأداة تتطلب سعة قوة ديناميكية تبلغ +/- 50 نيوتن لتوليد استطالة يمكن اكتشافها تبلغ حوالي 2 ميكرومتر. ولا يمكن تحقيق ذلك باستخدام أدوات DMA المختبرية الكلاسيكية. إن جهاز Eplexor® 500 N من شركة NETZSCH GABO Instruments (انظر الشكل 1) مناسب بشكل خاص لهذه المهام.
تم تجهيز أنظمة DMTA مثل سلسلة Eplexor® من شركة NETZSCH GABO Instruments بمحركات عالية الطاقة لتحقيق سعات مناسبة لمستويات قوة عالية.
في مراقبة الجودة (QC)، ومع ذلك، فإن عمليات مسح درجة الحرارة التي تستغرق وقتًا طويلاً غير ملائمة لأسباب اقتصادية. يجب إجراء اختبارات مراقبة الجودة بسرعة كبيرة. يجب الانتهاء من اختبار مراقبة الجودة، بما في ذلك تحضير العينة، في 20 دقيقة على الأكثر. توضح مذكرة التطبيق هذه كيف يمكن الاستعاضة عن عمليات مسح درجة الحرارة بعمليات مسح التردد، التي تتم بالقرب من Tg.
الاعتماد على درجة حرارة مطاط البوتيل (BR) و SBR 1500
يتم إجراء جميع عمليات المسح في درجة الحرارة عند تشوه ثابت بنسبة 4٪ انفعال بالنسبة لطول العينة الأولي (10 مم لجميع العينات) في نطاق درجة حرارة من -80 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية. وتبلغ سعة الانفعال الديناميكي المطبق ± 0.2%؛ ويبلغ تردد الاختبار 10 هرتز.
يوضح الشكل 2 المعامل المركب للمعامل المعقد لعينة مملوءة (50 عبارة من أسود الكربون) وعينة BR غير مملوءة كدالة لدرجة الحرارة.
ونظرًا لمحتوى الكربون الأسود، فإن معامل BR المملوء أعلى بنحو 10 أضعاف من BR النقي عند درجات حرارة أعلى من 0 درجة مئوية.
تُظهر أنظمة BR المملوءة وغير المملوءة (الشكل 3) منطقة انتقال زجاجية واسعة جدًا تغطي نطاق درجة حرارة يبلغ حوالي 50 كلفن (نصف عرض قمة tanδ). ومع ذلك، تختلف ارتفاعات ذروة tanδ للنظامين اختلافًا كبيرًا عن بعضهما البعض (مملوءة: الحد الأقصى لذروة tanδ هو 0.75، وغير مملوءة: الحد الأقصى لذروة tanδ هو 1.3).
يوضح الشكلان 4 و5 المعامل المركب و tanδ للنظام الثاني الذي تم فحصه. ومرة أخرى، تم توصيف النظام المملوء وغير المملوء، ولكن هذه المرة على أساس SBR 1500. يُظهر SBR النقي ذروة انتقال زجاجي أضيق بكثير من نظام BR. ومثلما حدث من قبل، تنخفض القيم المطلقة للمعامل المركب [E*] لمعامل [E*] لمفاعل SBR غير المملوء من حوالي 3000 ميجا باسكال تحت درجة حرارة Tg إلى قيم أقل من 5 ميجا باسكال فوق درجة حرارة Tg. وتبلغ [E*] للأنظمة المملوءة - عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة Tg - ضعف قيمة المعامل المعقد [E*] ل SBR 1500 غير المملوء.
إدراج نص
عمليات مسح الترددات التي أجريت على أنظمة المطاط المملوءة وغير المملوءة
يصور الشكل 6 الاعتماد على التردد لنظامي مطاط البوتيل. فالمعامل المركب (E*، معروض كقيم مطلقة) للنظام المملوء (BR - 50 phr عند درجة حرارة 23 درجة مئوية) يتحول ببساطة إلى مستوى أعلى من نظام BR غير المملوء (BR - غير المملوء عند درجة حرارة 23 درجة مئوية). عند درجة الحرارة المحيطة، تتشابه أشكال الخطوط لمركبات BR المملوءة (BR - 50 phr عند 23 درجة مئوية) وغير المملوءة (BR - غير المملوءة عند 23 درجة مئوية) تشابهًا كبيرًا، مما يشير إلى نفس سلوك التردد للمطاط المملوء وغير المملوء.
داخل منطقة الانتقال الزجاجي عند درجة حرارة T = -20 درجة مئوية، يختلف الوضع تمامًا. يُظهر نظام BR غير المملوء انحدارًا أعلى بكثير لمنحنى [E*] مع زيادة التردد من النظام المملوء.
يمكن الحصول على نتائج مماثلة لأنظمة SBR 1500 المملوءة وغير المملوءة (الشكل 7). كما هو متوقع، يُظهر النظام المملوء (SBR 1500 - 50 phr عند درجة حرارة 23 درجة مئوية) عمومًا قيمًا أعلى للمعامل المركب [E*] من النظام غير المملوء (SBR 1500 - غير مملوء عند درجة حرارة 23 درجة مئوية). لا يختلف ميل المنحنيين عند درجة حرارة الغرفة كثيرًا. مرة أخرى، عند درجة حرارة -20 درجة مئوية، يمكن اكتشاف اختلافات كبيرة في شكل الخط، مما يسمح للمرء بالتمييز بين محتويات الحشو المختلفة من خلال تحليل القيم المطلقة لـ E* كما نوقش سابقًا.
الملخص
لا يمكن فحص عينات المطاط الكبيرة (بقطر 10 مم) إلا في وضع الضغط باستخدام أجهزة DMA عالية القوة مثل Eplexor® 500 N من شركة NETZSCH GABO Instruments.
يمكن الإجابة عن السؤال عن الطريقة التي يكون بها E* دالة لمحتوى أسود الكربون من خلال عمليات مسح التردد التي يتم إجراؤها في التوازن الحراري عند درجات حرارة مختلفة. ونظرًا لمبدأ التراكب بين الزمن ودرجة الحرارة أو التردد ودرجة الحرارة، يمكن أن يوفر تغير التردد مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة نفس المعلومات التي يوفرها مسح درجة الحرارة.
وعادةً ما يتطلب مسح التردد حوالي 5 دقائق فقط، مما يسرّع إجراء الاختبار بشكل كبير مقارنةً بعمليات مسح درجة الحرارة التقليدية التي تستغرق حوالي ساعتين.
تُظهر نتائج الاختبار أيضًا أن عمليات مسح التردد التي تتم بالقرب من Tg تسمح بتمييز المواد المطاطية ذات المحتوى المختلف من أسود الكربون من خلال تحليل سريع إلى حد ما.