Ingen smerte med Payne ... og Mullins

En praktisk vejledning i at udføre målinger af Payne- og Mullins-effekten med NETZSCH High-Force DMA'er

Introduktion

Elastomerer indeholder ofte aktive fyldstoffer som f.eks. carbon black eller silica for at forbedre deres mekaniske egenskaber og opnå den nødvendige kvalitet til højtydende anvendelser. I tilfælde af et højt indhold af fyldstoffer dannes der et tredimensionelt (3D) netværk af aggregerede fyldstofpartikler. Det resulterer i en væsentlig forøgelse af prøvens stivhed. Dette mikrostrukturelle træk er dog kun stabilt, så længe de påførte deformationer forbliver small, dvs. inden for det lineære viskoelastiske regime. Over denne tærskel bryder 3D-fyldstofnetværket sammen, og moduli bliver en funktion af den påførte 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 eller forskydning af prøven. Dette område kaldes det ikke-lineære viskoelastiske område.

To vigtige effekter er forbundet med dette fænomen: Payne- og Mullins-effektenMullins-effekten beskriver et fænomen, der er typisk for gummimaterialer.Mullins-effekten. Mens begge er strain-softtening-fænomener, og begge effekter afhænger af deformationshistorien, beskriver førstnævnte faldet i lagringsmodul ved stigende dynamiske deformationer. Mullins-effektenMullins-effekten beskriver et fænomen, der er typisk for gummimaterialer.Mullins-effekten forstås almindeligvis som ændringen i spændings-tøjningskurverne for successive belastnings- og aflastningscyklusser, der udføres i kvasistatiske trækforsøg. I dette tilfælde vil de efterfølgende spændings-tøjningskurver ligge under kurven for den første belastningscyklus. Spændings-tøjnings-kurven for en prøve vil kun matche spændings-tøjnings-kurven for en jomfruelig prøve, når den tidligere maksimale tøjning i prøvens deformationshistorie er overskredet.

Det er vigtigt at bemærke, at disse effekter ikke blot er videnskabelige kuriositeter. De er også relevante for scenarier i det virkelige liv. Da elastomerer ofte udsættes for høje dynamiske og statiske belastninger under brug, påvirker det deres ydeevne betydeligt med hensyn til stivhed og dæmpning sammenlignet med det jomfruelige elastomermateriale. For pålideligt at kvantificere disse ændringer under large deformationer og/eller dynamisk 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 skal der udføres tests til bestemmelse af Payne- og Mullins-effektenMullins-effekten beskriver et fænomen, der er typisk for gummimaterialer.Mullins-effekten. Eksempler omfatter vinduesviskerblade, motorophæng og dæk. Nøjagtig kvantificering af de belastningsinducerede ændringer i de (dynamisk)-mekaniske egenskaber muliggør pålidelig feedback under forskning og udvikling af nye gummiblandinger samt simulering af produktets ydeevne i brug.

Payne-effektenPayne-effekten er faldet i et fyldt, krydsbundet elastomersystem med stigende deformationsamplitude.Payne-effekten:

Payne-effektenPayne-effekten er faldet i et fyldt, krydsbundet elastomersystem med stigende deformationsamplitude.Payne-effekten er det reversible fald i lagringsmodulet for fyldte elastomerer med stigende dynamisk belastningsamplitude.

Mullins-effekt:

Mullins-effektenMullins-effekten beskriver et fænomen, der er typisk for gummimaterialer.Mullins-effekten er den irreversible blødgøring af elastomerer efter den første belastnings- og aflastningscyklus.

Generelle aspekter af Payne- og Mullins-effektenMålinger

I de fleste tilfælde udføres Payne-effektenPayne-effekten er faldet i et fyldt, krydsbundet elastomersystem med stigende deformationsamplitude.Payne-effekten som et strain sweep ved hjælp af en (dobbelt) shear-prøveholder. Det skal bemærkes, at disse eksperimenter også kan udføres i træktilstand [1] (typisk er kun small dynamiske amplituder mulige, afhængigt af den oprindelige prøvelængde) eller kompressionstilstand [2].

Forskydningstilstand er den foretrukne mulighed i dynamisk-mekaniske analysatorer på grund af realiseringen af større belastnings-/forskydningsamplituder end dem i træk- eller kompressionsopstillinger.

For at sikre en præcis bestemmelse af forskydningsmodulerne foreskriver ISO 6721-6-standarden brug af prøver med en diameter (cylindrisk form) eller højde (kubisk form) på mindst 4 gange prøvens tykkelse. Denne tilgang eliminerer alle potentielle bøjningseffekter og fjerner dermed behovet for korrektioner. En anden grund til shear mode er ideen om at anvende belastningsforhold, der ligner den virkelige anvendelse: Vinduesviskere vil vise deformationer forårsaget af en kombineret forskydningsbøjningsbelastning på op til ±90°. Slidbaneblandinger på den øverste overflade af passagerdæk såvel som på lastvognsdæk vil blive forskudt mod det næste lag, der ligger under slidbanelaget ("underjordisk lag"), op til 200% eller mere.

Endelig har målinger foretaget under forskydningsbelastning den klare fordel, at de eliminerer behovet for statiske komponenter. Derfor er Payne-effektenPayne-effekten er faldet i et fyldt, krydsbundet elastomersystem med stigende deformationsamplitude.Payne-effekten, der er målt i dette tilfælde, udelukkende en funktion af de stigende dynamiske forskydningsamplituder. Der kræves ingen statisk 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 for at analysere Payne-effektenPayne-effekten er faldet i et fyldt, krydsbundet elastomersystem med stigende deformationsamplitude.Payne-effekten.

På den anden side er Mullins-effektenMullins-effekten beskriver et fænomen, der er typisk for gummimaterialer.Mullins-effekten forårsaget af statiske belastningsprocesser på forskellige deformationsniveauer. Mullins-effekten undersøges typisk i træktilstand. Det er også muligt at måle denne effekt på samme måde ved hjælp af prøveholdere til kompression eller (dobbelt) forskydning.

I det følgende præsenteres en trinvis vejledning til opsætning af en måling af Payne-effekten med (dobbelt) shear-prøveholderen.

Trin-for-trin guide til udførelse af Payne-effektMålinger med prøveholder med dobbelt forskydning

Kunderne kan vælge mellem forskellige muligheder for shear-prøveholdere: Der findes dobbelte forskydningsprøveholdere til prøver med en maksimal diameter/højde på 8 mm, 10 mm eller 20 mm, og der findes en specialiseret forskydningsprøveholder til tynde båndlignende prøver. Sidstnævnte kræver ikke fastgørelse af prøverne til stålcylindrene.

I det følgende fokuseres der kun på forberedelsen af en forskydningsprøveholder med en diameter på 10 mm med henblik på en Payne-effektmåling. I dette tilfælde er der også prøveforberedelsessæt (indsættelses- og justeringsværktøjet) til rådighed for at lette prøveforberedelsesprocessen, når der bruges et klæbemiddel. Prøveforberedelse er også mulig via direkte vulkanisering af ikke-vulkaniseret "grøn" gummi til stålcylindrene ved hjælp af en varmepresse. For at opnå dette skal det ikke-tværbundne gummi hældes mellem de forberedte stålcylindre og efterfølgende vulkaniseres ved den ønskede temperatur. Dette giver den fordel, at måleresultaterne er mere gentagelige på grund af den højest mulige vedhæftningsstyrke mellem elastomeren og metallet, en mere præcis placering af elastomeren mellem cylindrene og en mangel på klæberester.

a) Forberedelse af elastomerskiverne

I. En støbt gummiplade af den ønskede tykkelse skal være tilgængelig.

II. En håndboremaskine med et passende cylindrisk værktøj er nødvendig til næste trin.

III. Dyp den nederste del af det cylindriske værktøj i en vand- og sæbeopløsning. Dette hjælper med at reducere friktionen mellem værktøjet og gummipladen under boringen og muliggør dermed en bedre skæreproces.

IV. Sænk langsomt dåseboreværktøjet (den anbefalede hastighed er kun 20 til 40 omdrejninger pr. minut), indtil gummiprøven er skåret ud. Gentag processen for det ønskede antal prøver.

V. Tør den resterende sæbe på prøverne.

b) Samling af hele forskydningsprøven

Til forberedelse af den komplette opsætning af forskydningsprøveholderen er det nødvendigt at have følgende værktøjer: Et klæbemiddel til limning af metal på gummimaterialet, f.eks. et cyanoakrylatklæbemiddel, tre stålcylindre med en diameter på 10 mm, de udskårne elastomerskiver og indføringsværktøjssættet, der er vist i figur 1. Afhængigt af gummimaterialet kan det være nødvendigt at vælge et andet klæbemiddel.

Desuden kan gummiprøveoverfladerne gøres ru med finkornet sandpapir før det første monteringstrin. Det kan give bedre vedhæftning under limningen

Efterfølgende skal elastomerprøveoverfladerne rengøres med et stof, der ikke ændrer materialets egenskaber, og som fordamper hurtigt. Et potentielt rengøringsmiddel til dette formål er Loctite 7063.

I. Mål først prøvetykkelsen og diameteren på de to elastomerskiver, der skal klæbes fast, med en skydelære, og skriv gennemsnitsværdien af begge ned.

II. En elastomerprøvedisk skal klæbes på en af de ydre stålcylindre. Det gør du ved at placere en stålcylinder i fordybningen på indføringsværktøjssættet, som vist i figur 2, og stramme den med fingerskruen.

III. Placer en elastomerskive

IV. på den fremspringende cylindriske del af den nederste del af indføringsværktøjssættet.

V. Påfør en small dråbe klæbemiddel på midten af den gummiskive, der skal limes på stålcylinderen. Spred klæbemidlet jævnt ud over overfladen. Lim gummiskiven på den fastspændte stålcylinder. Sørg for, at kanterne på cylinderen og skiven flugter. Indsæt derefter hele samlingen fra figur 2 i udsparingerne i stålblokken fra figur 1. På dette tidspunkt vil gummiskiven være i kontakt med den cylindriske forhøjning (den gule ellipse i figur 1). Tryk samlingen i figur 2 ned ovenfra med moderat kraft i 2-3 minutter. Klæbeforbindelsen bør nu være stabil nok til næste trin.

VI. Gentag disse trin, indtil hele opsætningen af stålcylinder - elastomerskive - stålcylinder - elastomerskive - stålcylinder er fremstillet. Husk altid at påføre limen på den metalliske overflade for at undgå, at den hærder hurtigt på elastomeroverfladen.

VII. Lad klæberen hærde i 24 timer, så grænsefladestyrken når sit maksimum. Hærdningsprocessen kan fremskyndes ved at placere den færdige forskydningsprøveholder i en ovn ved temperaturer mellem 30 °C og 70 °C.

VIII. Eventuelt overskydende klæbemiddel på den ydre overflade skal fjernes ved at slibe med finkornet sandpapir. Dette garanterer, at ingen klæberester vil påvirke elastomerprøvedelens stivhed under forskydningsforsøget.

c) Forberedelse af prøveholderen til måling af stivhedskorrektion

I. Justeringsværktøjet kan bruges til at forberede prøveholderen eksternt til stivhedskorrektionsmålingen med stålcylinderen (se figur 3).

II. Indsæt stålcylinderen, der bruges til stivhedskorrektion, og spænd skruerne med en skruetrækker med et fastgørelsesmoment på mindst 1,5 Nm.

III. Indsæt og forbind hele prøveholderopsætningen til de statiske og dynamiske kraftakser.

d) Forberedelse af prøveholderen til prøvemåling

Skru først de forreste dele, der holder stålcylinderen på plads, af, og tag den ud. Placer derefter den forberedte dobbeltforskydningsprøve så centralt som muligt, og fastgør den ved at skrue frontdelene på igen.

e) Definition af prøvemåling med Eplexor^® 9-softwaren

I dette tilfælde vælges den samme pan-skabelonfil som til måling af prøveholderkorrektion, da Payne-effekten måles i statisk/dynamisk sweep. Derfor er følgende indstilling som vist i figur 4 passende. Her er parametrene for de dynamiske svingninger normalt strain-kontrolleret, snarere end kraft-kontrolleret. Målepunkternes fordeling er valgt logaritmisk, da målingens dataplot traditionelt vises med en logaritmisk x-akse.

Bemærk, at jo højere den maksimale dynamiske 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 er, jo mere sandsynligt er det, at klæbemidlet ved grænsefladen mellem elastomeren og stålet kan gå i stykker og dermed ugyldiggøre alle yderligere kørsler. Den maksimalt mulige dynamiske forskydning, der påføres prøven, er begrænset af den maksimale deformation af den kulfiberforstærkede polymerbladfjeder.

Start målingen via "Load & Go"-panelet i Eplexor^® 9-softwaren.

Resultater

I det følgende præsenteres de måleresultater, der er udført på en EPDM70-elastomerblanding. Både Payne- og Mullins-effekten blev undersøgt.

a) Payne-effekten

De måleparametre, der blev brugt til måling af Mullins-effekten, er opsummeret i tabel 1.

I figur 5 vises de viskoelastiske størrelsers forskydningslagringsmodul, G', og tabsfaktor, tan δ, som en funktion af den dynamiske forskydningsamplitude fra 0,04 % til 100 %.

Testene blev udført ved hjælp af forskellige sweep-typer. Sweep-type "op" betyder, at den dynamiske amplitude vil blive fejet fra ±0,04 % op til ±100 %; "ned" betyder fra ±100 % tilbage til ±0,04 %.

Den første kurve repræsenterer de målte data for den jomfruelige prøve. Ved lave forskydningsværdier, dvs. i det lineære viskoelastiske regime for den ubeskadigede elastomerblanding, er forskydningslagringsmodulet ved 30 °C ca. 6 MPa. Slutningen på det lineære viskoelastiske regime er allerede ved en dynamisk forskydning på 0,1 %. Fra dette punkt begynder materialet at blive blødere på grund af opløsningen af fyldstof-fyldstof-netværket. Ved en forskydningsamplitude på 100 % falder G' til ca. 2 MPa - en værdi, der kun er 1/3 af den jomfruelige tilstand. Tilsvarende er tan δ i den jomfruelige tilstand ca. 0,1 og ligger på ca. 0,135 for en dynamisk forskydning på 100 %. I mellemtiden kan der observeres et maksimum i tan δ på ca. 4 %, hvilket svarer til et maksimum i varmeafledning eller dæmpning for denne gummiblanding.

Tabel 1: Oversigt over de parametre, der blev brugt til Payne-effektmålingerne med High-Force DMA'en

Under de efterfølgende down-scanninger kan der observeres en klar hystereseadfærd fra den indledende up-scanning. Lagringsmodulet og tabsfaktoren forskydes til henholdsvis lavere og højere værdier. Desuden skifter topværdien i tan δ en smule til lavere dynamiske forskydningsamplituder. Denne ændring skyldes skader på fyldstofnetværket som følge af de høje dynamiske forskydninger, der blev påført prøven under testen.

Det er vigtigt, at denne skade og dens konsekvenser også opdages under de resterende up- og down-scanninger. Lagringsmodulet og tabsfaktoren forbliver på samme niveau fra det første down-scan, efter at prøven blev dynamisk belastet op til 100 % forskydning for første gang.

b) Mullins-effekt

De måleparametre, der blev brugt til måling af Mullins-effekten, er opsummeret i tabel 2.

I figur 6 vises spændings-tøjningsdiagrammerne for to forskellige EPDM70-prøver med alle fem belastnings- og aflastningscyklusser. I løbet af disse cyklusser er den fyldte elastomers ikke-lineære viskoelastiske og tøjningsblødgørende adfærd tydelig.

Når prøven belastes til en bestemt maksimal tøjningsværdi for første gang, følger den den oprindelige kurve. Ved aflastning sker der en betydelig reduktion i spændingsniveauet for den samme tidligere belastning, hvilket fører til hysterese i spændings-tøjningsdiagrammet. På dette tidspunkt er det ikke muligt at skelne mellem et rent viskoelastisk fænomen, som demonstreret i en tidligere Application Note [3] for en kulstofbaseret aerogel, og yderligere skadelige effekter, såsom Mullins-effekten. Forskellen bliver først tydelig med den anden belastningscyklus op til den samme maksimale belastningsværdi som i den foregående cyklus. Hvis spændingsniveauerne er lavere i den anden cyklus end i den første, er der sket en skade. Når den maksimale tøjning fra den forrige cyklus er overskredet, følger spænding-tøjningskurven igen den oprindelige kurve op til den nye maksimale tøjning i den aktuelle cyklus.

Tabel 2: Oversigt over de parametre, der blev brugt til målingerne af Mullins-effekten med DMA'en med høj kraft.

Relevansen af Payne- og Mullins-effekterne i gummiindustrienGummiindustrien

Fyldte elastomerer, uanset om det er med carbon black eller silica, spiller en grundlæggende rolle i gummiindustrien. Da Payne- og Mullins-effekterne manifesterer sig som en ændring i de (dynamiske) mekaniske egenskaber for fyldte elastomermaterialer, er det afgørende at forstå konsekvenserne for produktets egenskaber under brug.

I mange virkelige anvendelser forekommer der høje dynamiske deformationer eller flere belastnings- og aflastningscyklusser i løbet af et produkts levetid - det er f.eks. tilfældet med vinduesviskere efter flere cyklusser, dæk efter flere hjørner eller gummidæmpere. Disse er derfor underlagt konsekvenserne af Payne- og Mullins-effekterne. Denne ændring i de viskoelastiske egenskaber vedrører forskellige relevante egenskaber som f.eks. dæks RullemodstandRullemodstanden er en kraft, der modstår bevægelsen, når et legeme ruller hen over en overflade. Den bestemmer skridsikkerheden på f.eks. bil- eller lastvognsdæk.rullemodstand via en ændring i tabsfaktoren eller bøsningsdæmpningsevnen.

NETZSCH High-Force DMA'er giver dig mulighed for nøjagtigt at kvantificere omfanget af Payne- og Mullins-effekterne i dit materiale og dermed fremstille gummi af højere kvalitet og bedre forudsige dine slutprodukters ydeevne.