NETZSCH DMA 523: Възможности на флексометъра на Goodrich със симултанен динамично-механичен анализ
Въведение
Еластомерите, като вискоеластични материали, играят основна роля в множество индустрии. Известно е, че вискозният компонент на механичното поведение води до загуба на енергия под формата на топлина поради различни дисипативни процеси. Типичните DMA измервания включват използването на small размери на пробите, ниски динамични амплитуди и ниски честоти, което води до незначително количество разсеяна топлина на цикъл. Това разсейване не води до значително повишаване на температурата в образеца. Някои каучукови продукти обаче, като например протектори на гуми, подложки на резервоари и гумени валяци large, изпитват значителна сила по време на експлоатацията си. Това може да доведе до обстоятелства, при които се генерира повече топлинна енергия, отколкото се разсейва в заобикалящата среда. Резултатът е натрупване на топлина (HBU) в каучука, което в крайна сметка може да доведе до повреда на продукта поради издуване (BO).
Благодарение на двете си независими задвижвания NETZSCH DMA 523 Eplexor® е оптимално решение за извършване на измервания при високи нива на деформация, както и при голяма статична и динамична сила. Този DMA с висока сила позволява провеждането на изпитвания с флексометър на Goodrich в съответствие със стандарта ASTM D623 oder ISO 4666-3/ISO 4666-4, както и измервателни параметри, отклоняващи се от тези стандарти, въз основа на изискванията на клиента.
Възможности за изпитване с флексометър с NETZSCH Високопроизводителни DMA
За експериментите HBU и BO е необходим държач за проби с термоизолиращи плочи, които отговарят на горепосочените стандарти. Пластините са изработени от ламинатен материал, съставен от термореактивен материал на фенолна основа и твърда хартия. Те са проектирани така, че да сведат до минимум загубата на топлина от гумения образец към държача за проби, като по този начин симулират най-лошия сценарий при постоянни тежки динамични механични натоварвания. В центъра на горния държач на пробата е разположена термодвойка за точно измерване на температурата на повърхността на образеца.
Схематичен изглед на този държач за проби е показан на фигура 1а.
За да се получи информация за температурата от вътрешността на образеца, NETZSCH предлага две възможности:
- Хоризонтална иглена термодвойка, която се поставя ръчно близо до центъра на образеца. Тя може да се използва като допълнение към основния държач за проби Flexometer. Тази термодвойка измерва температурата през цялото времетраене на HBU експеримента. Препоръчително е да се избягва използването на хоризонталната иглена термодвойка по време на експериментите с БО, тъй като това може да доведе до повреда на сензора. Пример за тази конфигурация е показан на фигура 1б.
- Отделен държач за проби с плочи Pertinax и допълнителна вертикална иглена термодвойка се поставят пневматично в пробата след извършване на HBU измерването. При тази конфигурация термодвойката, определяща температурата на повърхността на образеца, е поставена леко извън центъра. Схематичен изглед на този тип държач за проби е показан на фигура 1в.
Как да извършите тест за нагряване и изпускане с високоскоростните DMA на NETZSCH
Преди да пристъпите към измерването, моля, уверете се, че NETZSCH DMA 523 Eplexor® е правилно оборудван с подходящия сензор за сила. Освен това пружинната система на лопатката трябва да се адаптира, за да може да поеме по-големи деформации. Поради силите и деформациите на large по време на изпитването HBU и BO, се препоръчва да се използва поне сензор за сила с номинална максимална сила от 2500 N. Що се отнася до системата от пружини на остриетата, двете стоманени пружини на остриетата трябва да се отделят чрез разхлабване на съединителната гайка със специални гаечни ключове. Тези стъпки могат лесно да бъдат изпълнени от потребителя в рамките на няколко минути. Изпитванията HBU и BO са определени в следните стандарти: ASTM D623 или ISO 4666/3, ISO 4666/4 и JIS K 6265. Размерите на пробите се очаква да бъдат цилиндри с диаметър 17,8 mm и височина 25 mm.
В допълнение към резултатите от конвенционалните изпитвания с флексометър, като например временното развитие на температурата и термичната настройка, изпитванията с флексометър с NETZSCH DMA 523 Eplexor® дават представа и за вискокоеластичните свойства модул на съхранение (E'), модул на загуба (E'') и коефициент на загуба (tan δ).
По-долу са обобщени типичните параметри за експерименти с HBU и BO.
- Изпитвания с натрупване на топлина
За изпитванията HBU стандартът ASTM D623ASTM D623 и ISO 4666-3/ISO 4666-4 препоръчват динамична амплитуда от 2,225 mm, 2,855 mm или 3,175 mm. В повечето случаи се избира вариантът с амплитуда 2,225 mm. Статичното напрежение е 1 MPa. Измерванията могат да се извършват при стайна температура, 50°C или 100°C, като последните две са препоръчани от стандартите. Точността на настройката на флексометъра се потвърждава, като се използва проба от стирен-бутадиен каучук (SBR) с известен състав, както е посочено в стандарта. Увеличението на температурата трябва да бъде 26,7 °C ± 1,1 °C след провеждане на HBU тест с честота 30 Hz в продължение на 25 min при точка на околната температура 100 °C. - Изпитвания за издуване
BO изпитванията се извършват по начин, аналогичен на HBU изпитванията. Основната разлика е в прилагането на увеличени натоварвания върху образеца. Вместо статично напрежение от 1 МРа, в този случай се използва статично напрежение от 2 МРа. По същия начин амплитудата на динамичната деформация се увеличава на 3,125 mm. Вследствие на това статичното напрежение съответно се увеличава на 2 MPa, докато честотата остава непроменена в сравнение с HBU изпитванията.
Обърнете внимание, че в зависимост от твърдостта на каучуковия материал може да се наложи отклонение от предложените параметри на измерване, дадени в стандарта. Устройството NETZSCH DMA 523 осигурява пълна гъвкавост на устройствата за изпитване DMA.
Тъй като статиката се контролира от напрежението, е необходимо надеждно измерване на диаметъра на каучуковия образец с помощта на шублер. Параметрите на измерването се въвеждат в предварително конфигурираните файлове с шаблони на паната. В случай на HBU изпитване потребителят трябва да коригира само най-важните настройки, като например диаметъра на пробата.
Изпитване за натрупване на топлина и изпускане на въздух
Типичната процедура и обхватът на възможностите за изпитване с флексометъра NETZSCH DMA 523 Eplexor® са илюстрирани с помощта на гумен образец.
a. Проверка на точността на измерването на температурата с референтни образци от SBR
Точността на настройката на държача за образци на Flexometer се потвърждава, като се използва референтен образец от SBR, както бе споменато по-горе. Увеличението на температурата е показано на фигура 3 за два различни еталонни образеца SBR. И двата образеца демонстрират висока степен на възпроизводимост и са в рамките на температурния толеранс, определен от стандарта ASTM D623.
b. Изпитвания за натрупване на топлина и издуване на проба от мека гума
След като се провери точността на измерването на температурата с помощта на държача за проби Flexometer, гумените проби бяха първоначално оценени с параметрите на измерване, установени за изпитването HBU. Резултатите са представени на фигура 4.
Температурата се повишава с ~36°C след 25 мин. Освен това и за трите изследвани образеца се наблюдават две отделни температурни области. Първата област се простира до линейното нарастване на температурата с времето след приблизително 10 мин. След тази област наклонът на температурата започва отново да се увеличава, докато накрая се изравни с плато стойност близо до края на експеримента с HBU.
Интересно е, че повишаването на температурата и увеличаването на tan δ се случват едновременно. Изключително важно е да се подчертае, че коефициентът на загуба по-скоро отразява температурно предизвиканите промени в затихването на целия обем на образеца. Повишаването на температурата се измерва само на горната повърхност на гумените образци.
Tan δ първо намалява от първоначалната си стойност от ~0,15 поради повишаването на температурата в пробата. Намаляването на коефициента на загуба показва по-висока степен на еластична реакция при общата механична работа, приложена върху образеца. Въпреки това, след като достигне минимум от ~0,10 след около 5-6 мин, tan δ постепенно се повишава отново, докато достигне нов локален максимум от 0,12 след време на измерване от 18-19 мин. Въз основа на проверката на напречното сечение на образеца след измерването, показано на фигура 5, се приема, че увеличаването на коефициента на загуби се дължи на образуването на кухини в центъра на образеца. Намалената цялост на образеца позволява по-голямо огъване, което води до видимо увеличение на коефициента на загуби. Този ефект обаче не е присъщ на материала, а се дължи на образуването на газови мехурчета във вътрешността на образеца.
Повишеното динамично-механично натоварване води до по-бързо повишаване на температурата с течение на времето. Резултатите от тези BO тестове са показани на фигура 6. На тази фигура температурата се увеличава почти линейно с течение на времето. В края на изпитванията на BO обаче скоростта на нарастване на температурата се забавя и в крайна сметка завършва с разрушаване на гумените образци чрез внезапно издуване. Най-високата регистрирана температура на повърхността преди разрушаването е 54 °C.
Времевата еволюция на tan δ показва характеристики, сравними с тези, наблюдавани при HBU тестовете. В този случай увеличаването на коефициента на загуба се случва в по-кратки срокове, тъй като по-голямата механична работа, приложена върху образците, води до по-ранно образуване на кухини.
Допълнителна информация може да се получи чрез използване на вертикална иглена термодвойка. Когато е активирана за измерване с този държач за проби Flexometer (фигура 1в), тази функция открива една температурна точка след измерването на HBU.
Вертикалната иглена термодвойка автоматично се вкарва в центъра на пробата, за да изследва температурата след края на HBU измерването. В случая на изследваните тук еластомери температурата се е повишила средно с ~57 °C в сравнение с ~36 °C, открити на повърхността на пробите.
c. Изпитване за натрупване на топлина върху проба от твърд каучук
Ако тази единична точка на измерване не е достатъчна, съществува и възможността за ръчно поставяне на хоризонтална иглена термодвойка в центъра на пробата, както е показано на фигура 1б. Резултатите от тази измервателна конфигурация са показани на фигура 7. Тази конфигурация позволява да се наблюдава температурата по време на цялото измерване на HBU.
Ясно се вижда, че повишението на температурата в центъра на пробата (~68°C) е значително по-високо от това, което се открива на повърхността на пробата (~20°C). Следователно, за да се измери точно температурата, при която настъпва издуване на материала, трябва да се постави хоризонтална иглена термодвойка. Въпреки това, с нейното използване е свързан известен недостатък, който ще бъде разгледан в Заключението. Става ясно също така, че наклонът на tan δ (макар и обърнат) е подобен на наклона на увеличението на температурата в центъра на образеца. Това подчертава, че температурата на повърхността не е достатъчна за описване на промените във вискоеластичните свойства на целия обем на пробата, което tan δ осигурява.
Температурата на вертикалната иглена термодвойка, която се поставя след приключване на измерването на HBU, съответства добре на установената температура в пробата. Въпреки това трябва да се има предвид, че съществува известно закъснение, през което температурата на пробата в центъра намалява с повече от 10 °C.
Значение на термичната настройка по време на експерименти с натрупване на топлина
NETZSCH DMA 523 позволява също така едновременно измерване на термичната настройка по време на целия експеримент с HBU. Това свойство позволява да се направят заключения относно стабилността на формата на каучуковия материал при големи динамични натоварвания. Например, подложките на резервоарните коловози трябва да запазят първоначалната си форма във възможно най-голяма степен, за да се гарантира тяхната функционалност. Термичният набор се измерва въз основа на дължината на образеца, установена за първата точка на измерване в началото на динамичния сегмент на експеримента HBU, т.е. след края на сегмента на времето за накисване.
На фигура 8 е показана еволюцията на термичната настройка и повишаването на температурата на два еталонни образеца SBR. През първите пет минути доминира разширяването на пробата, тъй като температурата в целия обем на пробата се повишава най-бързо през този времеви интервал. Едва след като нарастването на температурата започне да се забавя, дължината на пробата започва да намалява. След като пробата се е разширила с около 1 % при отбелязването на 5 минути, това разширяване се компенсира от намаляването на дължината на пробата, причинено от големите динамични натоварвания, приложени към пробата SBR.
Заключение
NETZSCH DMA 523 Eplexor® осигурява пряк достъп до изпитване с флексометър за каучукови материали и не само. Той събира данни за температурното развитие на еластомерните проби и техните вискоеластични свойства, като предоставя цялата необходима информация за разработване на по-издръжливи каучукови продукти, които могат да издържат на големи натоварвания по време на експлоатация. Освен това стабилността на формата на каучуковите образци може да бъде измерена чрез температурния набор, открит по време на експеримента HBU.
Изборът на оборудване обаче води до определени предимства и недостатъци по отношение на приложението:
- Основният държач за образци Flexometer е проектиран така, че да открива температурата на горната повърхност през цялото времетраене на HBU и BO изпитванията. Въпреки че това може да е достатъчно за еластомерни съединения с различни свойства на термично разграждане, някои различни съединения може да не покажат разлика в повишаването на температурата на повърхността си по време на измерването.
- NETZSCH предлага две решения за получаване на повече информация от вътрешността на еластомерните съединения: От една страна, има държач за проби Flexometer с вертикална иглена термодвойка, а от друга страна, има хоризонтална иглена термодвойка, която може да се използва с основния държач за проби Flexometer като допълнение.
- Първият вариант е предназначен да открива само една точка на измерване на температурата след приключване на измерването на HBU. За разлика от ръчно поставената хоризонтална иглена термодвойка, тази процедура се извършва автоматично. Тази функция намалява необходимостта от изобретяване от потребителя между измерванията, като повишава ефективността и последователността.
- Хоризонталната иглена термодвойка позволява измерване на температурата в центъра на пробата за цялата продължителност на измерването. Тази добавка обаче изисква ръчно поставяне преди експеримента. Предварителното поставяне на термодвойката може да отслаби структурата на образеца чрез въвеждане на пукнатина в материала. Това, от своя страна, може да повлияе на точността на измерените вискозоеластични свойства. Освен това то може потенциално да повлияе на образуването на кухини в центъра на образеца, тъй като развиващата се газова смес има лесен път да се разпространи към повърхността по иглата на термодвойката. Основната цел на HBU или BO измерванията е да се изследва структурно девствена проба; тази добавка трябва да се използва единствено като допълнителен ресурс за потенциални симулации на натрупването на топлина, а не като заместител на конвенционалните HBU и BO експерименти с девствени проби. Важно е да се отбележи, че триенето между термодвойката и образеца, както и ролята на термодвойката за отвеждане на топлината от сърцевината на образеца към външната среда, са фактори, които оказват влияние при използването на тази добавка.