Introduktion
På grund af deres lave massefylde har skum en bred vifte af anvendelsesmuligheder. Blødt skum bruges f.eks. som dæmpningsmateriale, til akustisk dæmpning eller som beskyttelse mod rystelser. Stive skumtyper anvendes især som isoleringsmaterialer, i skosåler eller som fyldlag i kompositkonstruktioner. Når fokus er på den varmeisolerende effekt eller materialets modstandsdygtighed under forskellige miljøforhold, bruges der normalt skum med lukkede celler. Især blødt skum har derimod normalt åbne celler, hvilket gør det muligt for gassen at slippe ud af de enkelte celler og dermed gøre det muligt for skummet at gennemgå en større elastisk kompression.
Generelt er mange polymerer velegnede som udgangsmaterialer til skum. Ekspanderet polystyren eller polyuretanbaseret (PUR) skum er særligt udbredt. Afhængigt af deres fremstilling kan forskellige PUR-skum udvise meget forskellige egenskaber. Skummets TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed og tværbindingsgrad varierer meget afhængigt af mængden af blæsemiddel (vand), tilsætningen af yderligere additiver og også kædelængden af udgangsmaterialerne, hvilket giver mulighed for en bred vifte fra bløde til meget stive skum.
Til bestemmelse af mekaniske egenskaber er testning med classic universelle træktestere veletableret. Sammen med den statiske deformationsadfærd er også dæmpning af skummet ofte af central betydning for anvendelsen. Her kan DMA yde et værdifuldt bidrag ved at registrere hele den viskoelastiske opførsel af skummet. I dette bidrag undersøges et blødt, åbenporet PUR-skum som et eksempel.
Statisk testning
Under statisk (kvasistatisk) testning med High Force DMA GABO Eplexor® 500 N påføres en langsomt varierende 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 som i en universaltester, og de resulterende kræfter og deformationer måles. I henhold til almindelige installationssituationer for skum udføres målingen normalt i kompressionstilstand.
Figur 1 viser den ubelastede prøve til venstre og den komprimerede prøve til højre i Eplexor®. Det kan bemærkes, at der kun forekommer en relativt small tværgående 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, og man kan her antage et helt komprimerbart materiale i en indledende tilnærmelse.
Først registreres de statiske spændings-tøjningskurver. For at udelukke engangseffekter belastes og aflastes skumprøven typisk to gange, og det er kun den anden belastningscyklus, der vises i figur 2.
Dette viser en tredelt spændings-tøjningskurve, som er typisk for blød-elastisk skum; sammenlign f.eks. med (Keller, 2019). Under relativt small belastninger er cellerne kun let deformerede, og materialet opfører sig på en tilnærmelsesvis lineær-elastisk måde. Med stigende 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 kollapser cellerne i skummet med åbne celler. Da der skal slippe luft ud af cellerne i denne proces, er resultaterne en funktion af deformationshastigheden. I dette plateauområde stiger den nødvendige spænding til deformation kun langsomt. Ved meget høje belastningsniveauer (her begyndende ved ca. 50 %) komprimeres de celler, der allerede er kollapset, yderligere, og spændingen stiger igen mere markant. Under den efterfølgende aflastning er de nødvendige spændinger kun noget lavere på grund af den energispredning, der er sket i mellemtiden, og der opstår en typisk hysterese.
I henhold til ISO 3386 bestemmes kompressionshårdheden som den nødvendige spænding under en stigende 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 på 40 %; her udgør kompressionshårdheden σd 40 = 0,12 MPa. Hystereseområdet giver mulighed for en grov vurdering af materialets dæmpning. PUR-skummenes dæmpningskapacitet varierer betydeligt.
Figur 3 viser skematisk forskellige hysteresekurver. I henhold til deres dæmpningsadfærd kan PUR-skummet klassificeres som medium dæmpende (type A), stærkt dæmpende (type B) eller svagt dæmpende (type C). Derfor kan den undersøgte prøve kategoriseres som mere type C.
Som et alternativ til den fuldfladebelastning, der er anvendt her, udføres der ofte penetrationstest på skum. I dette tilfælde presses et mindre legeme ind i prøven i stedet for den øverste stang. Den kraft, der kræves til dette, kaldes indtrykshårdhed.
Dynamisk testning
I et statisk sweep af DMA'en påføres en 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 i hvert trin, og derefter udføres et dynamisk svingningseksperiment i denne tilstand. På denne måde kan Youngs modul måles direkte på dette punkt, og dermed kan dæmpningen også bestemmes lokalt.
Skumprøven strækkes igen statisk i trin op til 70 %. I figur 4 kan man se den samme opførsel som i de statiske tests: På small opfører prøven sig omtrent lineært, men udvikler derefter en degressiv fjederkarakteristik med stigende belastning. Den endelige kompression er så igen karakteriseret ved en fjederstivhed, der stiger med den statiske belastning og derfor kan karakteriseres som progressiv fjederstivhed.
Ved hjælp af DMA kan et Young's modul måles i hvert punkt på grund af dynamisk svingning. Som forventet falder modulet i første omgang i området small strains, er derefter relativt konstant og stiger til sidst igen med stigende kompression. Modulet målt ved hjælp af DMA opfører sig således nøjagtigt på samme måde som tangentmodulet efter evaluering af en statisk test.
Med mekanisk testudstyr måles en prøves Young-modul ikke direkte, men en stivhedskombination bestemmes først ud fra de målbare kræfter og deformationer. Afhængigt af prøvens geometri og materialemodellen beregnes Youngs modul derefter. Da skummet opfører sig som stort set komprimerbart, ændres tværsnitsarealet ikke nævneværdigt under deformation. Derfor kan den spænding, der virker på prøven, beregnes; dette udtrykkes altid som:
σ = F/A0
Her er F kraften ogA0 det nominelle oprindelige tværsnit.
Da prøvens længde ændrer sig betydeligt, skal den dynamiske belastning altid relateres til den aktuelle prøvelængde, dvs,
ε = ΔL/Lm
med deformation ΔL og den aktuelle prøvelængde Lm. Dette giver geometrifaktoren til beregning af modulet som Lm /A0.
Denne faktor er generelt gyldig for komprimerbare materialer og kan vælges direkte i Eplexor® -softwaren.
Ved statisk testning er det muligt at karakterisere skummets dæmpningsadfærd baseret på hysteresen for hele deformationen. DMA giver mulighed for en mere præcis karakterisering, da den lokale dæmpning kan bestemmes for hver statisk belastning. Det bliver klart, at skummet kun har lav dæmpningskapacitet i området small deformationer. Dæmpningen (her tan δ) forbliver relativt konstant i plateauområdet og øges derefter igen i kompressionsområdet. DMA giver således mulighed for korrekt bestemmelse af dæmpningskapaciteten i belastet tilstand.
Den ikke-lineære materialeopførsel er helt analog, når den dynamiske vibrationsamplitude øges. Figur 5 viser den tilsvarende hysterese for en dynamisk svingningscyklus (med 10 % dynamisk spændingsamplitude) ved forskellige statiske spændingsniveauer. Youngs modul er igen resultatet af hældningen i spændings-tøjningsdiagrammet. Man kan se, at stivheden først falder i området small statiske belastninger (degressiv stivhed) og derefter stiger igen under large belastninger (progressiv stivhed). Ved large dynamiske amplituder er denne adfærd også tydelig i hysteresens deformation. Stigningen i dæmpning med statisk forspænding kan også ses i large området af hysteresen.
Temperaturadfærd
Sammen med målingen af den mekaniske ikke-lineære materialeadfærd giver DMA GABO Eplexor® især også mulighed for at udføre termomekanisk analyse. Således er de tidligere udførte analyser også mulige ved forhøjede temperaturer eller temperaturer under frysepunktet. Termisk karakterisering udføres for det meste i det lineære område af small amplituder. På grund af den stærke isolerende effekt af skummet blev der valgt en lav opvarmningshastighed på 2 K/min.
Sammen med den direkte temperaturadfærd er materialeegenskaber ved frekvenser, der ikke er direkte tilgængelige ved måling, ofte af interesse. Det gælder f.eks. ved brug af skum til akustisk dæmpning. Her kan tid-temperatur-superpositionsmetoden anvendes til at generere masterkurver. Dette gør det også muligt at drage konklusioner om materialets opførsel ved meget højere frekvenser.
Sammenfatning
DMA GABO Eplexor® 500 N tilbyder tilstrækkelige kraftreserver til at måle skum i meningsfulde størrelser, så den ikke-lineære og tidsafhængige mekaniske opførsel kan karakteriseres. Ud over de oplysninger, der fremkommer af spændings-tøjningsdiagrammet, kan DMA'en også bruges til at bestemme stivhed og dæmpning i komprimeret tilstand. Desuden kan man med DMA'en bestemme temperaturadfærden og ved hjælp af masterkurveteknikken også Young's modul ved høje frekvenser med kun ét instrument. Dette muliggør karakterisering af skum til en række forskellige anvendelsesscenarier.