Úvod
Díky své nízké hustotě mají pěny širokou škálu použití. Měkké pěny se používají například jako tlumicí materiál, pro akustický útlum nebo jako ochrana proti chrastění. Zejména tuhé pěny se používají jako izolační materiály, v podrážkách obuvi nebo například jako výplňové vrstvy v kompozitních konstrukcích. Pokud je kladen důraz na tepelně izolační účinek nebo odolnost materiálu v různých podmínkách prostředí, používají se obvykle pěny s uzavřenými buňkami. Naproti tomu zejména měkké pěny jsou obvykle s otevřenými buňkami, které umožňují únik plynu z jednotlivých buněk, a pěna tak může podléhat většímu pružnému stlačení.
Jako výchozí materiály pro pěny jsou obecně vhodné mnohé polymery. Obzvláště rozšířené jsou pěny na bázi expandovaného polystyrenu nebo polyuretanu (PUR). V závislosti na způsobu výroby mohou různé PUR pěny vykazovat velmi rozdílné vlastnosti. HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota a stupeň zesíťování pěn se značně liší v závislosti na množství nadouvadla (vody), přídavku dalších přísad a také na délce řetězce výchozích materiálů, což umožňuje širokou škálu od měkkých až po velmi tuhé pěny.
Pro stanovení mechanických vlastností se osvědčilo testování pomocí univerzálních tahových zkoušeček classic. Vedle statického deformačního chování má pro aplikaci často zásadní význam také tlumení pěny. Zde může DMA přinést cenný příspěvek tím, že zaznamená celé viskoelastické chování pěn. V tomto příspěvku je jako příklad zkoumána měkká PUR pěna s otevřenými póry.
Statické testování
Při statické (kvazi-statické) zkoušce s přístrojem High Force DMA Gabo Eplexor® 500 N se působí pomalu se měnícím zatížením jako v univerzálním testeru a měří se výsledné síly a deformace. Podle běžných montážních situací u pěn se měření obvykle provádí v kompresním režimu.
Na obr. 1 je vlevo zobrazen nezatížený vzorek a vpravo stlačený vzorek na Eplexor®. Lze si všimnout, že dochází pouze k relativně small příčné deformaci a lze zde v počáteční aproximaci předpokládat zcela stlačitelný materiál.
Nejprve se zaznamenají statické křivky napětí a deformace. Aby se vyloučily jednorázové vlivy, je vzorek pěny obvykle dvakrát zatížen a odlehčen, přičemž na obrázku 2 je zobrazen pouze druhý cyklus zatěžování.
To ukazuje trojúhelníkovou křivku napětí a deformace, typickou pro měkké elastické pěny; srovnej např. s (Keller, 2019). Při relativně small napětí jsou buňky deformovány jen mírně a materiál se chová přibližně lineárně-elasticky. S rostoucí deformací se buňky pěny s otevřenými buňkami hroutí. Protože při tomto procesu musí z buněk unikat vzduch, jsou výsledky funkcí rychlosti deformace. V této plošné oblasti roste napětí potřebné k deformaci jen pomalu. Při velmi vysokých úrovních deformace (zde od cca 50 %) se pak již zhroucené buňky dále stlačují a napětí opět výrazněji roste. Při následném odlehčení jsou potřebná napětí jen o něco nižší v důsledku disipace energie, k níž mezitím došlo, a dochází k typické hysterezi.
Podle normy ISO 3386 se tvrdost v tlaku určuje jako potřebné napětí při rostoucí deformaci 40 %; zde činí tvrdost v tlaku σd 40 = 0,12 MPa. Oblast hystereze umožňuje hrubý odhad tlumení materiálu. Tlumicí schopnost PUR pěn se značně liší.
Na obrázku 3 jsou schematicky znázorněny různé hysterezní křivky. Podle tlumicího chování lze PUR pěny rozdělit na medium tlumicí (typ A), silně tlumicí (typ B) nebo slabě tlumicí (typ C). Podle toho lze zkoumaný vzorek zařadit spíše do typu C.
Jako alternativa k zde použitému zatížení celého povrchu se na pěnách často provádějí penetrační zkoušky. V tomto případě se do vzorku místo horní tyče vtlačí menší těleso. Síla, která je k tomu zapotřebí, se nazývá vtiskovací tvrdost.
Dynamické testování
Při statickém měření DMA se v každém kroku aplikuje statické zatížení a poté se v tomto stavu provede experiment s dynamickým kmitáním. Tímto způsobem lze přímo v tomto bodě změřit Youngův modul a tím také lokálně určit tlumení.
Vzorek pěny se opět staticky roztáhne v krocích až do 70 %. Na obrázku 4 je vidět stejné chování jako při statických zkouškách: V případě deformace small se vzorek chová přibližně lineárně, ale poté se s rostoucí deformací vyvíjí degresivní pružinová charakteristika. Konečné stlačení je pak opět charakterizováno tuhostí pružiny, která roste se statickou deformací, a proto ji lze charakterizovat jako progresivní tuhost pružiny.
Pomocí DMA lze v každém bodě měřit Youngův modul v důsledku dynamického kmitání. Podle očekávání modul zpočátku klesá v oblasti small deformace, poté je relativně konstantní a nakonec opět roste s rostoucí kompresí. Modul měřený pomocí DMA se tedy chová přesně stejně jako tangenciální modul po vyhodnocení statické zkoušky.
U mechanických zkušebních zařízení se Youngův modul vzorku neměří přímo, ale na základě měřitelných sil a deformací se nejprve stanoví komi tuza. V závislosti na geometrii vzorku a materiálovém modelu se pak vypočítá Youngův modul. Protože se pěna chová jako do značné míry stlačitelná, plocha průřezu se během deformace výrazně nemění. V souladu s tím lze vypočítat napětí působící na vzorek; to se vždy vyjadřuje jako:
σ = F/A0
Zde F ist je síla a A0 je jmenovitý počáteční průřez.
Protože se délka vzorku výrazně mění, měla by být dynamická deformace vždy vztažena k aktuální délce vzorku, tj,
ε = ΔL/Lm
s deformací ΔL a aktuální délkou vzorku Lm. Z toho vyplývá geometrický faktor pro výpočet modulu pružnosti jako Lm / A0.
Tento faktor je obecně platný pro stlačitelné materiály a lze jej zvolit přímo v softwaru Eplexor®.
Při statické zkoušce je možné charakterizovat tlumicí chování pěny na základě hystereze celé deformace. DMA umožňuje přesnější charakterizaci, protože lokální tlumení lze určit pro každé statické zatížení. Je zřejmé, že pěna má pouze nízkou tlumicí schopnost v rozsahu deformací small. Tlumení (zde tan δ) zůstává relativně konstantní v oblasti plošiny a poté se opět zvyšuje v oblasti komprese. DMA tedy umožňuje správně určit tlumicí schopnost v zatíženém stavu.
Nelineární chování materiálu je zcela analogické při zvyšování amplitudy dynamických kmitů. Obrázek 5 ukazuje odpovídající hysterezi dynamického cyklu kmitání (s 10% amplitudou dynamické deformace) při různých úrovních statické deformace. Youngův modul opět vyplývá ze sklonu v diagramu napětí a deformace. Je vidět, že tuhost zpočátku klesá v rozsahu small statických deformací (degresivní tuhost) a poté opět roste při large deformacích (progresivní tuhost). Při large dynamických amplitudách je toto chování patrné i v deformaci hystereze. Nárůst tlumení se statickým předpětím je patrný také v large oblasti hystereze.
Chování při teplotě
Vedle měření mechanického nelineárního chování materiálu umožňuje DMA Gabo Eplexor® zejména termomechanickou analýzu. Dříve prováděné analýzy je tak možné provádět i při zvýšených teplotách nebo teplotách pod bodem mrazu. Tepelná charakterizace se většinou provádí v lineárním rozsahu amplitud small. Vzhledem k silnému izolačnímu účinku pěny byla zvolena nízká rychlost ohřevu 2 K/min.
Vedle přímého teplotního chování jsou často předmětem zájmu vlastnosti materiálu při frekvencích, které nejsou měřením přímo přístupné. To se týká například použití pěn pro akustické tlumení. Zde lze pro generování hlavních křivek použít metodu časově-teplotní superpozice. To umožňuje vyvozovat závěry o chování materiálu i při mnohem vyšších frekvencích.
Souhrn
DMA Gabo Eplexor® 500 N nabízí dostatečné silové rezervy pro měření pěn ve smysluplných velikostech, takže lze charakterizovat nelineární a časově závislé mechanické chování. Kromě informací, které poskytuje diagram napětí a deformace, lze DMA využít také ke stanovení tuhosti a tlumení ve stlačeném stavu. Kromě toho lze pomocí DMA jedním přístrojem určit teplotní chování a pomocí techniky hlavní křivky také Youngův modul při vysokých frekvencích. To umožňuje charakterizovat pěny pro různé scénáře použití.