Indledning
Det er afgørende at forstå polymerers viskoelastiske egenskaber for at kunne anvende dem i mange sammenhænge, herunder sportsudstyr. Højtydende polymerer og polymerkompositter har revolutioneret sportsbranchen ved at give brugerne holdbart, komfortabelt, præcist og langtidsholdbart udstyr [1]). Polymerer og polymerkompositter udgør grundlaget for en aktiv dag: De indgår i gulvbelægningen i indendørs og udendørs sportsanlæg, i skosåler, i netvæv, i strenge til ketsjere osv. Evnen til at vurdere disse materialers termiske egenskaber og fysiske ydeevne er afgørende for deres design, fremstilling og endelige anvendelse.
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) anvendes primært til at analysere de viskoelastiske egenskaber hos polymermaterialer, men bruges også til at måle metaller og keramiske materialer eller til at simulere specifikke mekaniske forhold. NETZSCH s DMA 303 Eplexor® er et alsidigt bordapparat, der kan måle i et temperaturområde fra -170 °C til 800 °C (-274 °F til 1472 °F) og påføre kræfter fra 1 mN til 50 N, og kan operere ved frekvenser fra 0,001 til 150 Hz. I denne undersøgelse blev tre forskellige højtydende badmintonstrenge testet ved hjælp af dynamisk mekanisk analyse (DMA). Det moderne design af badmintonstrenge består af flere materialer, lag og belægninger [2]. Alle tre testede prøver har samme grundlæggende struktur: en multifilamentkerne af nylon omgivet af flettede nylonfibre. Prøve 1 har en titanhydridbelægning, mens prøve 2 og 3 har en sammensat cup-stack-belægning af kulstofnanorør. Set ud fra et ydeevnesynspunkt klassificerer producenten de forskellige strenge, hvilket er sammenfattet i tabel 1.
Tabel 1: Producentens angivne egenskaber for de tre badmintonstrenge.
| Variabel | Prøve 1 (score ud af 10) | Prøve 2 (score ud af 10) | Prøve 3 (Score ud af 10) |
|---|---|---|---|
| Afstødningskraft | 7 | 8 | 9 |
| Holdbarhed | 7 | 10 | 7 |
| Slaglyd | 7 | 7 | 8 |
| Støddæmpning | 6 | 6 | 8 |
| Styring | 6 | 6 | 10 |
Hovedformålet med denne undersøgelse er at sammenholde de viskoelastiske egenskaber, der er målt ved hjælp af DMA, med de ydeevnekriterier, som producenten har angivet i tabel 1. Lagringsmodulet (E’) beskriver materialets evne til at lagre og frigive energi (ligesom en fjeder), hvilket kan sættes i direkte sammenhæng med den angivne frastødningskraft. Tabsmodulet (E”) beskriver materialets energitab (typisk gennem indre friktion), og endelig er dæmpningsfaktoren (tan δ) forholdet mellem E” og E’ (som beskriver, hvor meget et materiale vil dæmpe en påført kraft). Derfor er både anslagslyd og stødabsorbering direkte knyttet til egenskaberne E” og tan δ. Derudover kan parametre såsom holdbarhed undersøges ved at teste som en funktion af stigende kraft i stedet for temperatur.
DMA-test af viskoelastiske egenskaber og anvendelsessimulering
Til bestemmelse af de viskoelastiske egenskaber ved de tre badmintonstrenge blev der udført en standardtemperatursvingning på hver prøve under træk (visuel fremstilling i figur 1) ved hjælp af DMA 303-apparatet fra NETZSCH Eplexor® i temperaturområdet fra -150 til 150 °C.
Tabel 2 opsummerer de forskellige overgangsområder for hver prøve. Den viskoelastiske profil for prøve 1 som en funktion af temperaturen er vist i figur 2, for prøve 2 i figur 3 og for prøve 3 i figur 4; alle prøver blev målt under træk. Af figur 2 til 4 fremgår det, at både prøve 2 og 3 har meget ens profiler og overgangszoner, i modsætning til prøve 1 (som har en anden belægning), der adskiller sig markant. Nylon er et alifatisk polyamid, der almindeligvis klassificeres efter numeriske kvaliteter (6, 66, 11, 12), som alle har en glasovergang, der finder sted mellem 40 og 95 °C. Det er derfor meget interessant at se nærmere på de andre overgange, der observeres ved temperaturer under omgivelsestemperaturen.
Tabel 2: Termiske overgange for prøverne 1, 2 og 3, angivet for E’, E” og tan δ. Alle prøver blev målt under træk ved hjælp af en dynamisk deformation på 10 μm, en proportionalitetsfaktor på 1,3 og en opvarmningshastighed på 2 ºC/min.
| Overgang | E' Start | E” Top | tan δ |
|---|---|---|---|
Prøve 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 0,1ß6 |
Prøve 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 |
Prøve 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 |
Ud fra figur 2 til 4 er det også vigtigt at tage højde for temperaturens indvirkning på strengenes viskoelastiske egenskaber. Badminton er typisk en indendørssport, men hvad med at spille udendørs?
Figur 5 viser den termiske profil for prøve 1 fra 0 til 50 °C. På en kølig efterårsdag ved 4 °C vil strengene være 2,3 gange stivere end ved stuetemperatur (25 °C) eller 3,0 gange stivere end på en varm sommerdag ved 35 °C. Dæmpningsfaktoren følger dog ikke nøjagtig den samme tendens, idet den kun er 1,1 gange højere ved 4 °C sammenlignet med 25 °C og 1,3 gange ved 4 °C sammenlignet med 35 °C. Selvom strengene altså ville være stivere og give mindre efter ved anslaget mod fjerbolden, ville den mængde energi, som strengene absorberer – og som ikke overføres til anslaget – derfor forblive på samme niveau.
Et centralt formål med disse test er at forstå, hvordan badmintonstrengene vil opføre sig i den tilsigtede anvendelse. Derfor blev de samme tre prøver testet i en trepunktsbøjning for at forstå deres bøjningsegenskaber (bøjningsafstand på 20 mm for at analysere et afgrænset afsnit af det samlede racketmønster), hvilket simulerer, hvordan de vil opføre sig, når de er spændt på racketen og bruges til at slå fjerbolden. Testopsætningen, hvor strengen er strammet i bøjning, er vist i figur 6.
For at teste ydeevnen ved trepunktsbøjning blev der udført to forskellige belastningsforløb ved stuetemperatur for at måle egenskaberne. Figur 7 viser effekten af stigende dynamisk deformation (som forblev under 0,7 N).
Figur 8 viser ændringen i prøvernes længde som funktion af stigende kraft.
Af figur 7 fremgår det, at der ved stuetemperatur er en tydelig forskel i de tre strenges mekaniske egenskaber. Ved en illustrativ amplitude på 50 μm har prøve 1 de laveste modulværdier (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), prøve 2 har de højeste (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), og prøve 3 ligger midt imellem (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). I betragtning af at dæmpningsfaktoren er forholdet mellem tabmodulet og lagringsmodulet, betyder det, at prøve 1 har de højeste dæmpningsegenskaber (0,14), efterfulgt af prøve 3 (0,09) og prøve 2 (0,09). Disse værdier svarer ikke direkte til dem, der er angivet af producenten i tabel 1, men det er meget vigtigt at tage højde for, hvordan alle tre viskoelastiske parametre påvirker ydeevnen, og hvor vigtig den temperatur er, ved hvilken de blev testet, som det fremgår af figur 5.
Endelig ses det i figur 8, hvordan prøvelængden ændrer sig med stigende dynamisk kraft. Dette er en vigtig faktor for, hvor stor en kraft et enkelt strengelement kan modstå uden væsentlig deformation. Prøve 3 udviser den største deformation, hvilket antyder, at den sandsynligvis er den mindst holdbare af de tre på grund af dens tendens til at deformeres (dette resultat stemmer overens med tabel 1). Det er vigtigt at bemærke, at disse prøver, der blev belastet ved trepunktsbøjning, blev strammet med hånden, hvilket kan øge variationen mellem de absolutte målinger.
Resumé
Udviklingen af højtydende polymerer og polymerkompositter har revolutioneret sportsudstyrsbranchen. Her har vi vist, hvordan NETZSCH DMA 303 Eplexor® kan anvendes til at evaluere, sammenligne og simulere ydeevnen hos tre forskellige badmintonstrenge ud fra en række parametre. Der blev udført temperaturforløb for at bestemme overgangstemperaturerne for de tre prøver samt for at vurdere deres ydeevne ved forskellige temperaturer, som de kan blive udsat for udendørs. Der blev udført belastningsforløb for at vurdere strengenes mekaniske egenskaber ved stuetemperatur og for at forstå deres reaktion på en påført 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 i den retning, hvor strengene rammer en fjerbold.