Úvod
Porozumění viskoelastickým vlastnostem polymerů je klíčové pro jejich využití v mnoha oblastech, včetně sportovních potřeb. Vysoce výkonné polymery a polymerní kompozity přinesly revoluci do sportovního průmyslu tím, že uživatelům poskytují odolné, pohodlné, přesné a trvanlivé vybavení [1]). Polymery a polymerní kompozity tvoří základ pro celý den plný aktivit: jsou součástí podlahových krytin používaných ve vnitřních i venkovních sportovních zařízeních, podrážek obuvi, ok sítí, výpletů raket atd. Schopnost vyhodnotit tepelné vlastnosti a fyzikální výkonnost těchto materiálů je klíčová pro jejich návrh, výrobu i konečné použití.
Dynamická mechanická analýza (DMA) se primárně používá k analýze viskoelastických vlastností polymerních materiálů, ale využívá se také k měření kovů, keramiky nebo k simulaci specifických mechanických podmínek. NETZSCH DMA 303 Eplexor® je univerzální stolní přístroj schopný měřit v teplotním rozsahu od -170 °C do 800 °C (-274 °F až 1472 °F) při působení sil v rozmezí od 1 mN do 50 N, a pracovat při frekvencích od 0,001 do 150 Hz. V této studii byly pomocí dynamické mechanické analýzy (DMA) testovány tři různé vysoce výkonné badmintonové struny. Moderní konstrukce badmintonových strun se skládá z několika materiálů, vrstev a povlaků [2]. Všechny tři testované vzorky mají stejnou základní strukturu: nylonové multifilamentní jádro obklopené spletenými nylonovými vlákny. Vzorek 1 má povlak z hydridu titanu, zatímco vzorky 2 a 3 mají povlak ze složených uhlíkových nanotrubiček typu „cup-stack“. Z hlediska výkonu výrobce rozděluje jednotlivé struny do různých tříd, jejichž přehled je uveden v tabulce 1.
Tabulka 1: Údaje o vlastnostech tří badmintonových strun uvedené výrobcem.
| Parametr | Vzorek 1 (hodnocení na stupnici od 0 do 10) | Vzorek 2 (hodnocení na stupnici od 1 do 10) | Vzorek 3 (hodnocení na stupnici od 1 do 10) |
|---|---|---|---|
| Odrazová síla | 7 | 8 | 9 |
| Odolnost | 7 | 10 | 7 |
| Zvuk při úderu | 7 | 7 | 8 |
| Tlumení nárazů | 6 | 6 | 8 |
| Ovládání | 6 | 6 | 10 |
Hlavním cílem této studie je porovnat viskoelastické vlastnosti naměřené pomocí DMA s výkonnostními kritérii uvedenými výrobcem v tabulce 1. Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. Modul pružnosti (E’) popisuje schopnost materiálu akumulovat a uvolňovat energii (podobně jako pružina), což lze přímo vztáhnout k udávané odpudivé síle. Modul ztráty (E”) popisuje rozptyl energie v materiálu (obvykle prostřednictvím vnitřního tření) a konečně tlumicí faktor (tan δ) představuje poměr E” k E’ (popisuje, do jaké míry materiál tlumí působící sílu). Proto jsou jak tlumení nárazového hluku, tak tlumení nárazů přímo spojeny s vlastnostmi E“ a tan δ. Navíc lze parametry, jako je trvanlivost, zkoumat testováním v závislosti na rostoucí síle namísto teploty.
Testování DMA pro stanovení viskoelastických vlastností a simulaci aplikací
Za účelem stanovení viskoelastických vlastností tří badmintonových strun byl na každém vzorku v tahu proveden standardní teplotní průběh (vizuální znázornění na obrázku 1) pomocí přístroje DMA 303 od společnosti NETZSCH Eplexor® v rozmezí teplot od -150 do 150 °C.
Tabulka 2 shrnuje různé přechodové oblasti jednotlivých vzorků. Viskoelastický profil vzorku 1 v závislosti na teplotě je znázorněn na obrázku 2, vzorku 2 na obrázku 3 a vzorku 3 na obrázku 4; měření všech vzorků byla provedena v tahu. Z obrázků 2 až 4 je patrné, že vzorky 2 a 3 mají velmi podobné profily a přechodové zóny, na rozdíl od vzorku 1 (který má odlišný povlak), který se výrazně liší. Nylon je alifatický polyamid, který se běžně klasifikuje podle číselných označení (6, 66, 11, 12), přičemž u všech dochází ke skelnému přechodu v rozmezí 40 až 95 °C. Je proto velmi zajímavé zabývat se dalšími přechody, které lze pozorovat při teplotách nižších než okolní teplota.
Tabulka 2: Tepelné přechody vzorků 1, 2 a 3, uvedené pro parametry E’, E” a tan δ. Všechny vzorky byly měřeny v tahu s použitím dynamické deformace 10 μm, proporcionálního faktoru 1,3 a rychlosti ohřevu 2 ºC/min.
| Přechod | Nástup E' | E” Vrchol | tan δ |
|---|---|---|---|
Vzorek 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1β6 |
Vzorek 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Vzorek 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Na základě obrázků 2 až 4 je rovněž důležité zohlednit vliv teploty na viskoelastické vlastnosti strun. Badminton se obvykle hraje v hale, ale jak je tomu v případě hry venku?
Obrázek 5 znázorňuje teplotní profil vzorku 1 v rozmezí od 0 do 50 °C. V chladný podzimní den při teplotě 4 °C by struny byly 2,3krát tužší než při pokojové teplotě (25 °C) nebo 3,0krát tužší než v horkém letním dni při teplotě 35 °C. Tlumicí faktor však nesleduje přesně stejný trend, neboť je při 4 °C pouze 1,1krát vyšší než při 25 °C a při 4 °C 1,3krát vyšší než při 35 °C. Proto i přesto, že by struny byly tužší a vykazovaly menší pružnost při úderu do míčku, množství energie absorbované strunami, které se nepřenese do úderu, by zůstalo podobné.
Hlavním cílem těchto testů je zjistit, jak by se badmintonové struny chovaly při zamýšleném použití. Proto byly stejné tři vzorky podrobeny tříbodovému ohybovému testu s cílem zjistit jejich ohybové vlastnosti (vzdálenost ohybu 20 mm pro analýzu jednoho konečného úseku celkové mřížky rakety), čímž se simulovalo, jak by se chovaly, kdyby byly navlečeny na raketě a použity k úderu na míček. Uspořádání zkoušky s napnutou strunou v ohybu je znázorněno na obrázku 6.
Za účelem ověření vlastností při tříbodovém ohybu byly při pokojové teplotě provedeny dva různé cykly zatěžování s cílem změřit tyto vlastnosti. Obrázek 7 znázorňuje vliv rostoucí dynamické deformace (která zůstala pod hodnotou 0,7 N).
Obrázek 8 znázorňuje změnu délky vzorků v závislosti na rostoucí síle.
Z obrázku 7 je patrné, že při pokojové teplotě dochází k jasnému rozlišení mechanických vlastností těchto tří strun. Při ilustrativní amplitudě 50 μm má vzorek 1 nejnižší hodnoty modulu pružnosti (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), vzorek 2 má nejvyšší (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa) a vzorek 3 se nachází mezi nimi (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Vzhledem k tomu, že tlumicí faktor je poměr ztrátového modulu k akumulačnímu modulu, znamená to, že vzorek 1 má nejvyšší tlumicí vlastnosti (0,14), následuje vzorek 3 (0,09) a vzorek 2 (0,09). Tyto hodnoty přímo neodpovídají hodnotám uvedeným výrobcem v tabulce 1, je však velmi důležité zohlednit, jak všechny tři viskoelastické parametry ovlivňují výkonnost a jak důležitá je teplota, při které byly testovány, jak ukazuje obrázek 5.
Z obrázku 8 je nakonec patrná změna délky vzorku s rostoucí dynamickou silou. To je důležitý faktor pro určení, jak velkou sílu může jednotlivý prvek struny vydržet bez významné deformace. Vzorek 3 vykazuje největší deformaci, což naznačuje, že je zřejmě nejméně odolný ze všech tří vzorků kvůli své tendenci k deformaci (tento výsledek je v souladu s tabulkou 1). Je důležité poznamenat, že u těchto vzorků, které byly zatíženy v tříbodovém ohybu, byly ručně napnuty, což mohlo zvýšit rozptyl mezi absolutními měřeními.
Shrnutí
Vývoj vysoce výkonných polymerů a polymerních kompozitů přinesl revoluci do světa sportovních potřeb. V tomto článku jsme demonstrovali, jak lze pomocí přístroje DMA 303 od společnosti NETZSCH Eplexor® vyhodnotit, porovnat a simulovat vlastnosti tří různých badmintonových strun v rámci řady parametrů. Byly provedeny teplotní rampy za účelem stanovení přechodových teplot tří vzorků a také za účelem vyhodnocení jejich vlastností při různých teplotách, kterým mohou být vystaveny venku. Byly provedeny zátěžové cykly za účelem vyhodnocení mechanických vlastností strun při pokojové teplotě a také za účelem pochopení jejich chování při působení zátěže ve směru, ve kterém struny zasáhnou míček.