NETZSCH DMA 523: Možnosti flexometru Goodrich se simultánní dynamicko-mechanickou analýzou
Úvod
Elastomery jako viskoelastické materiály hrají zásadní roli v mnoha průmyslových odvětvích. Je známo, že viskózní složka mechanického chování vede ke ztrátám energie ve formě tepla v důsledku různých disipativních procesů. Při typických měřeních DMA se používají vzorky o velikosti small, nízké dynamické amplitudy a nízké frekvence, což vede k zanedbatelnému rozptýlení tepla na cyklus. Tato disipace nevede k relevantnímu zvýšení teploty vzorku. Na některé pryžové výrobky, jako jsou běhouny pneumatik, podložky kolejnic nádrží a pryžové válečky large, však působí během jejich provozu značná síla. To může mít za následek okolnosti, kdy vzniká více tepelné energie, než se odvádí do okolního prostředí. Výsledkem je hromadění tepla (HBU) uvnitř pryže, které může nakonec vést k selhání výrobku v důsledku vyfouknutí (BO).
Přístroj NETZSCH DMA 523 Eplexor® je díky dvěma nezávislým pohonům optimálním řešením pro provádění měření při vysokých úrovních deformace i při působení velké statické a dynamické síly. Toto zařízení DMA s vysokou silou umožňuje provádět zkoušky flexometrem Goodrich v souladu s normou ASTM D623 oder ISO 4666-3/ISO 4666-4, jakož i měření parametrů odchylujících se od těchto norem na základě požadavků zákazníka.
Možnosti testování flexometrem pomocí NETZSCH DMA s vysokou silou
Pro experimenty s HBU a BO je nezbytný držák vzorků s tepelně izolačními deskami, které splňují výše uvedené normy. Desky jsou vyrobeny z laminátového materiálu složeného z termosetu na bázi fenolu a tvrdého papíru. Jsou navrženy tak, aby minimalizovaly tepelné ztráty z pryžového vzorku do držáku vzorku, čímž simulují nejhorší možný scénář při stálém silném dynamickém mechanickém zatížení. Ve středu horního držáku vzorku je umístěn termočlánek pro přesné měření povrchové teploty vzorku.
Schematický pohled na tento držák vzorku je znázorněn na obrázku 1a.
Pro získání informací o teplotě uvnitř vzorku nabízí NETZSCH dvě možnosti:
- Vodorovný jehlový termočlánek, který se ručně umístí do blízkosti středu vzorku. Ten lze použít jako doplněk k základnímu držáku vzorků Flexometer. Tento termočlánek měří teplotu po celou dobu trvání experimentu HBU. Doporučuje se nepoužívat horizontální jehlový termočlánek během BO experimentů, protože to může vést k poškození čidla. Příklad tohoto uspořádání je na obrázku 1b.
- Po provedení měření HBU se do vzorku pneumaticky vloží samostatný držák vzorku s deskami Pertinax a další vertikální jehlový termočlánek. V této konfiguraci je termočlánek detekující povrchovou teplotu vzorku umístěn mírně mimo střed. Schematický pohled na tento typ držáku vzorku je znázorněn na obrázku 1c.
Jak provést test zahřívání a vyfukování pomocí vysokotlakých DMA NETZSCH
Před zahájením měření se ujistěte, že je NETZSCH DMA 523 Eplexor® správně vybaven příslušným snímačem síly. Kromě toho by měl být systém pružin lopatek přizpůsoben tak, aby byl schopen pojmout větší deformace. Vzhledem k silám large a deformacím při zkoušce HBU a BO se doporučuje použít alespoň snímač síly se jmenovitou maximální silou 2 500 N. Pokud jde o systém lopatkových pružin, obě ocelové lopatkové pružiny by se měly odpojit povolením spojovací matice pomocí speciálních klíčů. Tyto kroky může uživatel snadno provést během několika minut. Zkoušky HBU a BO jsou definovány v následujících normách: ASTM D623 nebo ISO 4666/3, ISO 4666/4 a JIS K 6265. Předpokládané rozměry vzorku jsou válce o průměru 17,8 mm a výšce 25 mm.
Kromě výsledků běžných zkoušek Flexometrem, jako je časový vývoj teploty a teplotní set, poskytují zkoušky Flexometrem s NETZSCH DMA 523 Eplexor® také informace o viskoelastických vlastnostech Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti (E'), Viskozní modulKomplexní modul (viskózní složka), ztrátový modul nebo G'' je "imaginární" část vzorků celkového komplexního modulu. Tato viskózní složka udává kapalnou nebo nefázovou odezvu měřeného vzorku. ztrátový modul (E'') a ztrátový faktor (tan δ).
V následujícím textu jsou shrnuty typické parametry pro experimenty HBU a BO.
- Zkoušky tepelného nárůstu
Pro zkoušky HBU doporučuje norma ASTM D623ASTM D623 a ISO 4666-3/ISO 4666-4 dynamickou amplitudu 2,225 mm, 2,855 mm nebo 3,175 mm. Ve většině případů se volí možnost 2,225 mm. Statické napětí je 1 MPa. Měření lze provádět buď při pokojové teplotě, 50 °C, nebo 100 °C, přičemž normy doporučují poslední dvě možnosti. Přesnost nastavení flexometru se potvrzuje pomocí vzorku styren-butadienového kaučuku (SBR) se známým složením, jak je uvedeno v normě. Nárůst teploty by měl být 26,7 °C ± 1,1 °C po provedení zkoušky HBU při frekvenci 30 Hz po dobu 25 min při teplotě okolí 100 °C. - Zkoušky vyfouknutím
Zkoušky BO se provádějí obdobným způsobem jako zkoušky HBU. Hlavním rozdílem je působení zvýšeného zatížení na vzorek. Místo statického napětí 1 MPa se v tomto případě používá statické napětí 2 MPa. Stejně tak je zvýšena amplituda dynamické deformace na 3,125 mm. V důsledku toho se odpovídajícím způsobem zvýší statické napětí na 2 MPa, zatímco frekvence zůstane oproti zkouškám HBU nezměněna.
Upozorňujeme, že v závislosti na tuhosti pryžového materiálu může být nutné odchýlit se od navrhovaných parametrů měření uvedených v normě. Přístroj NETZSCH DMA 523 poskytuje plnou flexibilitu pro zkušební zařízení DMA.
Vzhledem k tomu, že statika je řízena napětím, je nutné spolehlivé měření průměru pryžového vzorku pomocí kaliperu. Parametry měření se zadávají do předem nakonfigurovaných souborů šablony pánve. V případě zkoušky HBU musí uživatel upravit pouze nejdůležitější nastavení, jako je průměr vzorku.
Zkoušky zahřívání a vyfukování
Typický postup a rozsah možností testování flexometrem NETZSCH DMA 523 Eplexor® je znázorněn na vzorku pryže.
a. Ověření přesnosti měření teploty pomocí referenčních vzorků SBR
Přesnost nastavení držáku vzorku Flexometru se potvrdí pomocí referenčního vzorku SBR, jak bylo uvedeno výše. Nárůst teploty je znázorněn na obrázku 3 pro dva různé referenční vzorky SBR. Oba vzorky vykazují vysokou míru reprodukovatelnosti a jsou v rámci teplotní tolerance stanovené normou ASTM D623.
b. Zkoušky tepelného nárůstu a vyfukování na vzorku měkké pryže
Po ověření přesnosti měření teploty pomocí držáku vzorku Flexometer byly vzorky pryže nejprve posouzeny s parametry měření stanovenými pro zkoušky HBU. Výsledky jsou uvedeny na obrázku 4.
Po 25 minutách se teplota zvýší o ~36 °C. Kromě toho jsou u všech tří zkoumaných vzorků patrné dvě odlišné teplotní oblasti. První oblast se rozšiřuje až do lineárního nárůstu teploty s časem po cca 10 min. Po této oblasti se sklon teploty začne opět zvyšovat, až se nakonec ustálí na hodnotě plató v blízkosti konce experimentu HBU.
Zajímavé je, že k nárůstu teploty a nárůstu tan δ dochází současně. Je zásadní zdůraznit, že ztrátový činitel odráží spíše teplotou vyvolané změny tlumení celého objemu vzorku. Zvýšení teploty se měří pouze na horním povrchu pryžových vzorků.
Tan δ nejprve klesá z počáteční hodnoty ~0,15 v důsledku zvýšení teploty uvnitř vzorku. Pokles ztrátového faktoru naznačuje vyšší stupeň pružné odezvy v celkové mechanické práci působící na vzorek. Po dosažení minima ~0,10 po přibližně 5 až 6 min však tan δ opět postupně stoupá, až po době měření 18 až 19 min dosáhne nového lokálního maxima 0,12. Na základě kontroly průřezu vzorku po měření, která je znázorněna na obr. 5, se předpokládá, že nárůst ztrátového činitele je způsoben vznikem dutin ve středu vzorku. Snížená celistvost vzorku umožňuje zvýšené ohýbání, které vede ke zjevnému zvýšení ztrátového činitele. Tento efekt však není vlastní materiálu; je způsoben tvorbou plynových bublin uvnitř vzorku.
Zvýšené dynamicko-mechanické zatížení vede k rychlejšímu nárůstu teploty v čase. Výsledky těchto testů BO jsou uvedeny na obrázku 6. Na tomto obrázku se teplota v průběhu času zvyšuje téměř lineárně. Na konci zkoušek BO se však rychlost nárůstu teploty zpomaluje a nakonec končí prasknutím pryžových vzorků náhlým vyfouknutím. Nejvyšší zaznamenaná povrchová teplota před porušením je 54 °C.
Časový vývoj tan δ vykazuje srovnatelné charakteristiky jako u testů HBU. V tomto případě dochází k nárůstu ztrátového činitele v kratších časových úsecích, protože vyšší mechanická práce působící na vzorky vede k dřívějšímu vzniku dutin.
Další informace lze získat použitím vertikálního jehlového termočlánku. Je-li tato funkce aktivována pro měření s tímto držákem vzorků Flexometer (obrázek 1c), detekuje jeden teplotní bod po měření HBU.
Vertikální jehlový termočlánek se automaticky vloží do středu vzorku a sondou se sleduje teplota po skončení měření HBU. V případě zde zkoumaných elastomerů se teplota zvýšila v průměru o ~57 °C ve srovnání s ~36 °C zjištěnými na povrchu vzorků.
c. Zkouška nárůstu teploty na vzorku tvrdé pryže
. Pokud toto jediné místo měření nestačí, existuje také možnost ručního vložení vodorovného jehlového termočlánku do středu vzorku, jak je znázorněno na obrázku 1b. Výsledky tohoto nastavení měření jsou zobrazeny na obrázku 7. Toto uspořádání umožňuje sledovat teplotu v průběhu celého měření HBU.
Je zřetelně vidět, že nárůst teploty ve středu vzorku (~68 °C) je výrazně vyšší než nárůst teploty zjištěný na povrchu vzorku (~20 °C). Pro přesné měření teploty, při níž dochází k vyfukování materiálu, je tedy třeba vložit horizontální jehlový termočlánek. S jeho použitím je však spojena určitá nevýhoda, o které bude pojednáno v závěru. Je také zřejmé, že sklon tan δ (i když je převrácený) je podobný sklonu nárůstu teploty ve středu vzorku. To zdůrazňuje, že povrchová teplota není dostatečná pro popis změn viskoelastických vlastností celého objemu vzorku, což tan δ poskytuje.
Teplota svislého jehlového termočlánku, který je vložen po ukončení měření HBU, dobře odpovídá zjištěné teplotě ve vzorku. Je však třeba vzít v úvahu, že existuje určité zpoždění, během něhož teplota vzorku ve středu klesne o více než 10 °C.
Význam teplotního setu během experimentů s tepelným nárůstem
Přístroj NETZSCH DMA 523 umožňuje také simultánní měření teplotního setu během celého experimentu HBU. Tato vlastnost umožňuje vyvozovat závěry týkající se tvarové stability pryžového materiálu při velkém dynamickém zatížení. Například podložky kolejnic nádrží by měly zůstat v co největší míře v původním tvaru, aby byla zaručena jejich funkčnost. Teplotní soubor se měří na základě délky vzorku zjištěné pro první bod měření na začátku dynamického segmentu experimentu HBU, tj. po skončení časového úseku namáčení.
Na obrázku 8 je zobrazen vývoj tepelné sady a nárůst teploty dvou referenčních vzorků SBR. Během prvních pěti minut dominuje expanze vzorku, protože teplota vzorku v celém objemu vzorku v tomto časovém úseku roste nejrychleji. Teprve jakmile se nárůst teploty začne zpomalovat, délka vzorku se začne zmenšovat. Poté, co se vzorek po pěti minutách rozšíří přibližně o 1 %, je toto rozšíření kompenzováno poklesem délky vzorku způsobeným velkým dynamickým zatížením vzorku SBR.
Závěr
Přístroj NETZSCH DMA 523 Eplexor® umožňuje přímý přístup k testování pryžových materiálů flexometrem i mimo něj. Shromažďuje údaje o teplotním vývoji vzorků elastomerů a jejich viskoelastických vlastnostech a poskytuje všechny potřebné informace pro vývoj odolnějších pryžových výrobků, které vydrží velké zatížení během provozu. Kromě toho lze měřit tvarovou stálost pryžových vzorků pomocí teplotní sady zjištěné během experimentu HBU.
Výběr zařízení však s sebou nese určité výhody a nevýhody z hlediska použití:
- Základní držák vzorku Flexometer je určen ke zjišťování teploty horního povrchu po celou dobu trvání zkoušek HBU a BO. To může být dostatečné pro elastomerové směsi s výraznými tepelně degradačními vlastnostmi, avšak některé odlišné směsi nemusí vykazovat rozdíl v nárůstu své povrchové teploty během měření.
- NETZSCH nabízí dvě řešení, jak získat více informací z vnitřku elastomerových směsí: Na jedné straně je držák vzorku Flexometer s vertikálním jehlovým termočlánkem a na druhé straně je horizontální jehlový termočlánek, který lze použít se základním držákem vzorku Flexometer jako doplněk.
- První varianta je určena k detekci pouze jednoho bodu měření teploty po ukončení měření HBU. Na rozdíl od ručně vkládaného horizontálního jehlového termočlánku se tento postup provádí automaticky. Tato funkce snižuje potřebu invence uživatele mezi měřeními, čímž zvyšuje efektivitu a konzistenci.
- Horizontální jehlový termočlánek umožňuje měření teploty ve středu vzorku po celou dobu měření. Tento doplněk však vyžaduje ruční vložení před experimentem. Předchozí vložení termočlánku může oslabit strukturu vzorku tím, že do materiálu vznikne trhlina. To může následně ovlivnit přesnost měřených viskoelastických vlastností. Kromě toho může potenciálně ovlivnit vznik dutin ve středu vzorku, protože vyvíjející se plynná směs má snadnou cestu k difúzi na povrch podél jehlového termočlánku. Základním cílem měření HBU nebo BO je zkoumat strukturně nedotčený vzorek; tento doplněk by měl být využíván pouze jako pomocný zdroj pro případné simulace nárůstu tepla, nikoli jako náhrada konvenčních experimentů HBU a BO s panenskými vzorky. Je důležité si uvědomit, že tření mezi termočlánkem a vzorkem, stejně jako úloha termočlánku při odvádění tepla z jádra vzorku do vnějšího prostředí, jsou při použití tohoto doplňku ovlivňujícími faktory.