Въведение
Поради ниската си плътност пяната има широк спектър от приложения. Меката пяна се използва например като материал за възглавници, за акустично заглушаване или за защита от дрънкане. По-специално твърдите пени се използват като изолационни материали, в подметките на обувките или за такива приложения като пълнежни слоеве в композитни структури. Когато се акцентира върху топлоизолационния ефект или устойчивостта на материала при различни условия на околната среда, обикновено се използват пяни със затворени клетки. От друга страна, особено меките пяни обикновено са с отворени клетки, което позволява на газа да излиза от отделните клетки и по този начин позволява на пяната да се подлага на по-голяма еластична компресия.
По принцип много полимери са подходящи като изходни материали за пяна. Особено широко се използват пените на основата на експандиран полистирен или полиуретан (PUR). В зависимост от начина на производство различните видове PUR пяна могат да имат много различни свойства. Плътността и степента на омрежване на пяната варират значително в зависимост от количеството на раздуващия агент (вода), добавянето на допълнителни добавки, както и от дължината на веригата на изходните материали, като по този начин се получава широк диапазон от мека до много твърда пяна.
За определяне на механичните свойства е утвърдено изпитването с универсални тестери на опън classic. Наред със статичното деформационно поведение, от основно значение за приложението често е и демпфирането на пяната. Тук DMA може да даде ценен принос, като регистрира цялото вискоеластично поведение на пяната. В този материал като пример се изследва мека PUR пяна с отворени пори.
Статично тестване
По време на статично (квазистатично) изпитване с уреда DMA GABO с висока сила Eplexor® 500 N се прилага бавно променящо се натоварване, както при универсален тестер, и се измерват получените сили и деформации. В съответствие с обичайните монтажни ситуации за пяна измерването обикновено се извършва в режим на компресия.
На фигура 1 е показана ненатоварената проба вляво и компресираната проба вдясно, в Eplexor®. Може да се забележи, че се появява само относително small напречна деформация и тук в първоначално приближение може да се приеме, че материалът е изцяло компресируем.
Първо се записват статичните криви напрежение-деформация. За да се изключат еднократните ефекти, образецът от пяна обикновено се натоварва и разтоварва два пъти, като на фигура 2 е показан само вторият цикъл на натоварване.
Това показва тристранна крива на напреженията и деформациите, типична за меките еластични пяни; например, сравни с (Keller, 2019). При относително small напрежения клетките се деформират съвсем слабо и материалът се държи приблизително линейно-еластично. С увеличаване на деформацията клетките на отворената клетъчна пяна се разрушават. Тъй като при този процес въздухът трябва да излезе от клетките, резултатите са функция на скоростта на деформация. В тази област на платото напрежението, необходимо за деформация, нараства бавно. При много високи нива на деформация (тук започващи от около 50 %), клетките, които вече са се срутили, се компресират допълнително и напрежението отново нараства по-рязко. По време на последващото разтоварване необходимите напрежения са само малко по-ниски поради междувременно настъпилото разсейване на енергията и се получава типичен хистерезис.
Съгласно ISO 3386 твърдостта при компресия се определя като необходимото напрежение при нарастваща деформация от 40 %; тук твърдостта при компресия възлиза на σd 40 = 0,12 MPa. Областта на хистерезис позволява груба оценка на затихването на материала. Капацитетът на демпфиране на PUR пяната варира значително.
На фигура 3 са показани схематично различни хистерезисни криви. В зависимост от поведението си на демпфиране PUR пяната може да се класифицира като medium демпфираща (тип А), силно демпфираща (тип В) или слабо демпфираща (тип С). Съответно изследваната проба може да бъде категоризирана като тип С.
Като алтернатива на използваното тук натоварване на цялата повърхност, често се провеждат изпитвания за проникване в пяната. В този случай вместо горния прът в образеца се натиска по-малко тяло. Силата, необходима за това, се нарича твърдост на врязване.
Динамично тестване
При статично измерване на DMA на всяка стъпка се прилага статично натоварване и след това се провежда експеримент за динамични колебания в това състояние. По този начин модулът на Юнг може да бъде измерен директно в тази точка и по този начин може да се определи и демпфирането на място.
Образецът от пяна отново се разтяга статично на стъпки до 70 %. На фигура 4 се вижда същото поведение като при статичните изпитвания: За small деформации образецът се държи приблизително линейно, но след това развива дегресивна пружинна характеристика с увеличаване на деформацията. Крайната компресия отново се характеризира с пружинна твърдост, която нараства със статичната деформация и следователно може да се характеризира като прогресивна пружинна твърдост.
С помощта на DMA може да се измери модулът на Юнг във всяка точка вследствие на динамичните колебания. Както се очакваше, модулът първоначално спада в областта на small деформациите, след това е относително постоянен и накрая отново се увеличава с увеличаване на компресията. По този начин модулът, измерен чрез DMA, се държи точно така, както тангенциалният модул след оценка на статично изпитване.
При оборудването за механични изпитвания модулът на Юнг на образеца не се измерва директно, а първо се определя комасация на твърдостта въз основа на измеримите сили и деформации. В зависимост от геометрията на образеца и модела на материала след това се изчислява модулът на Юнг. Тъй като пяната се държи като до голяма степен свиваема, площта на напречното сечение не се променя забележимо по време на деформацията. Съответно може да се изчисли напрежението, действащо върху образеца; то винаги се изразява като:
σ = F/A0
Тук F е силата, а A0 е номиналното начално сечение.
Тъй като дължината на образеца се променя значително, динамичната деформация трябва винаги да се свързва с текущата дължина на образеца, т.е,
ε = ΔL/Lm
с деформация ΔL и текуща дължина на образеца Lm. Така се получава геометричният коефициент за изчисляване на модула като Lm / A0.
Този коефициент обикновено е валиден за сгъваеми материали и може да се избере директно в софтуера Eplexor®.
При статично изпитване е възможно да се характеризира демпфиращото поведение на пяната въз основа на хистерезиса на цялата деформация. DMA позволява по-точно характеризиране, тъй като локалното затихване може да се определи за всяко статично натоварване. Става ясно, че пяната има само ниска демпфираща способност в диапазона на деформациите small. Заглушаването (тук tan δ) остава относително постоянно в областта на платото и след това отново се увеличава в областта на компресията. По този начин DMA позволява правилно определяне на капацитета на демпфиране в натоварено състояние.
Нелинейното поведение на материала е напълно аналогично при увеличаване на амплитудата на динамичните вибрационни колебания. На фигура 5 е показан съответният хистерезис на един цикъл на динамични трептения (с амплитуда на динамичните трептения 10%) при различни нива на статичните деформации. Модулът на Юнг отново е резултат от наклона на диаграмата напрежение-деформация. Вижда се, че коравината първоначално намалява в диапазона на small статичните деформации (дегресивна коравина) и след това отново се увеличава при large деформации (прогресивна коравина). При large динамичните амплитуди това поведение се проявява и в деформацията на хистерезиса. Увеличаването на затихването при статично предварително натоварване може да се забележи и в large областта на хистерезиса.
Поведение при температура
Наред с измерването на механичното нелинейно поведение на материала, DMA GABO Eplexor® позволява да се извършва и термомеханичен анализ. По този начин извършените преди това анализи са възможни и при повишени температури или температури под точката на замръзване. Термичното охарактеризиране се извършва най-вече в линейния диапазон на амплитудите small. Поради силния изолационен ефект на пяната е избрана ниска скорост на нагряване от 2 K/min.
Наред с директното температурно поведение, често интерес представляват свойствата на материала при честоти, които не са пряко достъпни за измерване. Това се отнася например за използването на пяна за акустично затихване. В този случай за генериране на основни криви може да се използва методът на суперпозиция на времето и температурата. Това позволява също така да се направят заключения за поведението на материала при много по-високи честоти.
Резюме
DMA GABO Eplexor® 500 N предлага достатъчен запас от сила за измерване на пяна със значими размери, за да може да се характеризира нелинейното и зависещо от времето механично поведение. В допълнение към информацията, получена от диаграмата "напрежение-деформация", DMA може да се използва и за определяне на твърдостта и демпфирането в компресирано състояние. Освен това с DMA само с един инструмент може да се определи температурното поведение, а чрез техниката на главната крива - и модулът на Юнг при високи честоти. Това дава възможност за охарактеризиране на пяна за различни сценарии на приложение.