Въведение
Разбирането на вискоеластичните свойства на полимерите е от решаващо значение за тяхното приложение в редица области, включително в производството на спортни стоки. Висококачествените полимери и полимерните композити революционизираха спортната индустрия, като предоставиха на потребителите издръжливо, удобно, прецизно и дълготрайно оборудване [1]). Полимерите и полимерните композити са в основата на един активен ден: те съставляват настилката, използвана в закрити и открити спортни съоръжения, подметките на обувките, плетената мрежа на мрежите, струните на ракетите и т.н. Възможността за оценка на термичните свойства и физическите характеристики на тези материали е от решаващо значение за тяхното проектиране, производство и крайна употреба.
Динамичният механичен анализ (DMA) се използва предимно за анализ на вискоеластичните свойства на полимерните материали, но се прилага и за измерване на метали, керамика или за симулиране на специфични механични условия. NETZSCH DMA 303 Eplexor® е универсално настолно устройство, способно да измерва в температурен диапазон от -170 °C до 800 °C (-274 °F до 1472 °F), като прилага сили в диапазона от 1 mN до 50 N, и работещо при честоти от 0,001 до 150 Hz. В настоящото проучване бяха тествани три различни високопроизводителни струни за бадминтон чрез динамичен механичен анализ (DMA). Съвременният дизайн на струните за бадминтон включва няколко материала, слоя и покрития [2]. И трите тествани проби имат една и съща основна структура: найлонова мултифиламентна сърцевина, обградена от сплетени найлонови влакна. Проба 1 има покритие от титанов хидрид, докато проби 2 и 3 имат покритие от съставни въглеродни нанотръби с куполовидонареждане. От гледна точка на експлоатационните характеристики производителят класифицира различните струни, като обобщението е представено в Таблица 1.
Таблица 1: Декларирани характеристики на трите струни за бадминтон според производителя.
| Променлива | Проба 1 (Оценка от 10) | Проба 2 (Оценка от 10) | Проба 3 (Оценка от 10) |
|---|---|---|---|
| Сила на отскок | 7 | 8 | 9 |
| Издръжливост | 7 | 10 | 7 |
| Звук при удара | 7 | 7 | 8 |
| Амортизация | 6 | 6 | 8 |
| Управление | 6 | 6 | 10 |
Основната цел на това проучване е да се установи връзка между вискоеластичните свойства, измерени чрез DMA, и критериите за експлоатационни характеристики, посочени от производителя в таблица 1. Модулът на съхранение (E’) описва способността на материала да съхранява и освобождава енергия (подобно на пружина), което може да бъде пряко свързано с посочената сила на отблъскване. Модулът на загуба (E”) описва разсейването на енергията от материала (обикновено чрез вътрешно триене), а накрая факторът на затихване (tan δ) е съотношението на E” към E’ (което описва до каква степен материалът ще заглуши приложената сила). Следователно както звукът при удара, така и поглъщането на ударите са пряко свързани със свойствата на E” и tan δ. Освен това параметри като издръжливостта могат да бъдат изследвани чрез изпитване като функция на нарастваща сила, а не на температура.
DMA изпитвания за вискоеластични свойства и симулация на приложението
За определяне на вискоеластичните свойства на трите струни за бадминтон на всяка проба беше проведено стандартно температурно сканиране при опън (визуално представяне на фигура 1) с апаратурата DMA 303 на „ NETZSCH “ Eplexor® в диапазона от -150 до 150 °C.
В таблица 2 са обобщени различните преходни зони на всяка проба. Вискоеластичният профил на проба 1 в зависимост от температурата е показан на фигура 2, на проба 2 – на фигура 3, а на проба 3 – на фигура 4; всички проби са измервани при опън. От фигури 2 до 4 се вижда, че пробите 2 и 3 имат много сходни профили и преходни зони, за разлика от проба 1 (която има различно покритие), която се отличава значително. Найлонът е алифатичен полиамид, обикновено класифициран по номерични марки (6, 66, 11, 12), като при всички тях стъкляването настъпва при температури между 40 и 95 °C. Поради това е много интересно да се разгледат другите преходи, които се наблюдават при температури под стайната.
Таблица 2: Термични преходи на пробите 1, 2 и 3, представени като E’, E” и tan δ. Всички проби бяха измервани при опън, като се използваха динамична деформация от 10 μm, пропорционален коефициент 1,3 и скорост на нагряване 2 ºC/min.
| Преход | Начало на E' | E” Максимум | tan δ |
|---|---|---|---|
Проба 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 МПа | -84,2 °C 467 МПа | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 МПа | -4,2 °C 363 МПа | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 МПа | 97,2 °C 62 МПа | 98,2 °C 0,1ß6 |
Проба 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 МПа | -74,1 °C 381 МПа | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 МПа | 49,4 °C 220 МПа | 65,1 °C 0,136 |
Проба 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 МПа | -71,9 °C 309 МПа | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 МПа | 51,7 °C 187 МПа | 68,1 °C 0,138 |
От фигури 2 до 4 е важно също така да се вземе предвид влиянието на температурата върху вискоеластичните характеристики на струните. Бадминтонът обикновено е спорт, който се практикува на закрито, но какво става, когато се играе на открито?
На фигура 5 е показан термичният профил на проба 1 в диапазона от 0 до 50 °C. В хладен есенен ден при 4 °C струните биха били 2,3 пъти по-твърди, отколкото при стайна температура (25 °C), или 3,0 пъти по-твърди, отколкото в горещ летен ден при 35 °C. Въпреки това коефициентът на затихване не следва точно същата тенденция, като е само 1,1 пъти по-висок при 4 °C в сравнение с 25 °C и 1,3 пъти по-висок при 4 °C в сравнение с 35 °C. Следователно, въпреки че струните биха били по-твърди и биха проявявали по-малко еластичност при удара на перцето, количеството енергия, абсорбирано от струните и непреобразувано в удара, би останало сходно.
Ключова цел на тези изпитвания е да се разбере как биха се държали струните за бадминтон при предвиденото им приложение. Затова същите три проби бяха подложени на триточково изгибане, за да се определят техните свойства при огъване (разстояние на огъване от 20 mm за анализ на един краен участък от цялостната мрежова структура на ракетата), като се симулираше как биха се държали, когато са натегнати върху ракетата и се използват за удряне на перцето. Настройката на теста с напрегнатото при огъване въже е показана на фигура 6.
За да се провери поведението при триточково огъване, бяха проведени две различни серии натоварвания при стайна температура с цел измерване на свойствата. На фигура 7 е показан ефектът от увеличаването на динамичната деформация (която остана под 0,7 N).
На фигура 8 е показана промяната в дължината на пробите в зависимост от нарастващата сила.
От фигура 7 се вижда, че при стайна температура се наблюдава ясно разграничение в механичните свойства на трите струни. При примерна амплитуда от 50 μm проба 1 има най-ниските стойности на модула (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), проба 2 има най-високите (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), а проба 3 е между тях (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Като се има предвид, че коефициентът на затихване е съотношението между модула на загуба и модула на съхранение, това означава, че проба 1 има най-високите свойства на затихване (0,14), следвана от проба 3 (0,09) и проба 2 (0,09). Тези стойности не съответстват пряко на посочените от производителя в Таблица 1, но е много важно да се има предвид как и трите вискоеластични параметъра влияят върху характеристиките и колко важна е температурата, при която са били тествани, както е показано на Фигура 5.
Накрая, от фигура 8 се наблюдава промяната в дължината на пробата при нарастване на динамичната сила. Това е важен фактор за определяне на силата, която един елемент от струната може да издържи без значителна деформация. Проба 3 показва най-голяма степен на деформация, което предполага, че тя вероятно е най-малко издръжлива от трите поради склонността ѝ към деформация (този резултат съвпада с Таблица 1). Важно е да се отбележи, че тези проби, подложени на триточково огъване, са били опънати на ръка, което може да увеличи вариациите между абсолютните измервания.
Обобщение
Развитието на високопроизводителни полимери и полимерни композити доведе до революция в света на спортните стоки. В настоящата статия демонстрирахме как уредът DMA 303 на „ NETZSCH “ ( Eplexor® ) може да се използва за оценка, сравнение и симулиране на характеристиките на три различни вида струни за бадминтон по отношение на редица параметри. Бяха проведени температурни тестове за определяне на температурите на преход на трите проби, както и за оценка на характеристиките им при различни температури, на които могат да бъдат изложени на открито. Бяха извършени тестове с промяна на натоварването за оценка на механичните свойства на струните при стайна температура, както и за да се разбере как се държат при приложено натоварване в посоката, в която струните биха ударили перцето.