Introduktion
I dag er metoden Dynamic-Mechanical Thermal Analysis (DMTA) veletableret inden for materialeforskning i gummi og dæk. Udviklingen af nye blandinger, f.eks. i dækindustrien, kræver detaljerede oplysninger om de anvendte materialers mekaniske egenskaber. Dette omfatter bestemmelse af viskoelastiske materialedata, der indeholder lagringsmodulet E', tabsmodulet E" og tabsfaktoren tanδ som funktion af temperaturen, excitationsfrekvensen og den eksterne deformation (f.eks. StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning).
Shore-hårdhedstesten er meget populær. Desværre mangler der oplysninger om de viskoelastiske egenskaber, der opnås ved shore-tests, på visse vigtige områder. Data om forbindelsernes temperatur- og frekvensafhængighed er slet ikke tilgængelige. Desuden måles den deformation, der påføres prøverne under strandtesten, ikke.
Kun DMTA-undersøgelser er i stand til at give de ønskede resultater. Da de viskoelastiske egenskaber (E', E", tanδ) for elastomersystemer afhænger af den eksternt påførte deformation, skal temperatursweeps udføres ved konstante belastningsamplituder over hele anvendelsestemperaturområdet.
På grund af gummiblandingernes høje stivhed ved temperaturer under glasovergangstemperaturen Tg er det nødvendigt med høje kraftniveauer for at opnå de nødvendige statiske og dynamiske deformationer.
Normalt anvendes cylindriske prøver ("Roelig"-prøver) med en højde og diameter på 10 mm til kompressionstest.
Hvis man antager et E'-modul på 3.000 MPa, som er en typisk værdi i glasagtig tilstand, kræver instrumentets testkapacitet en dynamisk kraftamplitude på +/-50 N for at generere en påviselig forlængelse på ca. 2 μm. Dette kan ikke opnås med klassiske laboratorie-DMA-instrumenter. Særligt velegnet til disse opgaver er Eplexor® 500 N fra NETZSCH GABO Instruments (se figur 1).
DMTA-systemer som Eplexor® -serien fra NETZSCH GABO Instruments er udstyret med højeffektdrev til at realisere passende amplituder med høje kraftniveauer.
I kvalitetskontrol (QC) er tidskrævende temperatursweeps imidlertid upraktiske af økonomiske årsager. QC-tests skal udføres meget hurtigt. En QC-test, inklusive prøveforberedelse, bør være færdig på højst 20 minutter. Denne applikationsnote illustrerer, hvordan temperatursweeps kan erstattes af frekvenssweeps, der udføres tæt på Tg.
Temperaturafhængighed af butylgummi (BR) og SBR 1500
Alle temperatursweeps udføres ved en statisk deformation på 4 % i forhold til den oprindelige prøvelængde (10 mm for alle prøver) inden for et temperaturområde på -80 °C til 80 °C. Den anvendte dynamiske deformationsamplitude er ± 0,2 %; testfrekvensen er 10 Hz.
Figur 2 viser det komplekse modul for en fyldt (50 phr carbon black) og en ufyldt BR som en funktion af temperaturen.
På grund af indholdet af carbon black er modulet for den fyldte BR ca. 10 gange højere end for den rene BR ved temperaturer over 0 °C.
De fyldte og ufyldte BR-systemer (figur 3) udviser et meget bredt glasovergangsområde, der dækker et temperaturinterval på ca. 50 K (halv bredde af tanδ-toppen). De to systemers tanδ-tophøjder er dog markant forskellige fra hinanden (fyldt: tanδ-toppens maksimum er 0,75, ufyldt: tanδ-toppens maksimum er 1,3).
Figur 4 og 5 viser det komplekse modul og tanδ for det andet undersøgte system. Igen blev et fyldt og et ufyldt system karakteriseret, men denne gang baseret på SBR 1500. Den rene SBR udviser en meget smallere glasovergangstop end BR-systemet. Halvbredden af denne glasovergang var kun 20 K. Ligesom tidligere falder de absolutte værdier af det komplekse modul [E*] for den ufyldte SBR fra næsten 3.000 MPa under Tg til værdier på mindre end 5 MPa over Tg. De fyldte systemers [E*] er - ved temperaturer over Tg - dobbelt så høj som for den ufyldte SBR 1500.
Indsæt tekst
Frekvenssweeps udført på fyldte og ufyldte gummisystemer
Figur 6 viser frekvensafhængigheden for de to butylgummisystemer. Det komplekse modul (E*, vist som absolutte værdier) for det fyldte system (BR - 50 phr ved 23 °C) er ganske enkelt forskudt til et højere niveau end for det ufyldte BR (BR - ufyldt ved 23 °C). Ved omgivelsestemperatur er linjeformerne for de fyldte (BR - 50 phr ved 23 °C) og ufyldte (BR - ufyldt ved 23 °C) BR-forbindelser meget ens, hvilket indikerer den samme frekvensadfærd for de fyldte og ufyldte gummier.
Inden for glasovergangsområdet ved en temperatur på T = -20 °C er situationen helt anderledes. Det ufyldte BR udviser en meget højere hældning af [E*]-kurven med stigende frekvens end det fyldte system.
Lignende resultater kan opnås for de fyldte og ufyldte SBR 1500-systemer (figur 7). Som forventet viser det fyldte system (SBR 1500 - 50 phr ved 23 °C) generelt højere værdier for det komplekse modul [E*] end det ufyldte (SBR 1500 - ufyldt ved 23 °C). Hældningen på de to kurver ved stuetemperatur er ikke meget forskellig. Ved -20 °C kan man igen se large forskelle i linjeformen, som gør det muligt at skelne mellem forskellige fyldstofindhold ved at analysere de absolutte værdier af E* som tidligere beskrevet.
Sammenfatning
Large gummiprøver (med en diameter på 10 mm) kan kun undersøges i kompressionstilstand ved hjælp af DMA-instrumenter med høj kraft, som f.eks. Eplexor® 500 N fra NETZSCH GABO Instruments.
Spørgsmålet om, på hvilken måde E* er en funktion af carbon black-indholdet, kan besvares med frekvenssweeps udført i termisk ligevægt ved forskellige temperaturer. På grund af princippet om tid-temperatur- eller frekvens-temperatur-superposition kan variation af frekvensen under opretholdelse af en konstant temperatur give de samme oplysninger som et temperatursweep.
Et frekvenssweep tager typisk kun ca. 5 minutter, hvilket fremskynder testproceduren drastisk i forhold til konventionelle temperatursweeps, som tager ca. 2 timer.
Testresultaterne viser også, at frekvenssweeps, der udføres tæt på Tg, gør det muligt at skelne mellem gummimaterialer med forskelligt carbon black-indhold ved hjælp af en ret hurtig analyse.