Εισαγωγή
Για την ενίσχυση εξαρτημάτων από καουτσούκ, όπως ελαστικά αυτοκινήτων, ιμάντες μεταφοράς ή ιμάντες στροφών, χρησιμοποιούνται κορδόνια ελαστικών και/ή υλικά με πλέγμα. Κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας, τα υλικά αυτά βουλκανίζονται και μετατρέπονται σε μείγμα καουτσούκ. Ωστόσο, δεν είναι μόνο οι δυναμικές-μηχανικές ιδιότητες μιας ένωσης ελαστικού ή ενός πλέγματος που ενδιαφέρουν. Συχνά απαιτούνται επίσης πληροφορίες σχετικά με την πρόσφυση μεταξύ του κορδονιού ελαστικού και του ελαστικού- αυτή επηρεάζεται κυρίως από τη θερμοκρασία, τις ιδιότητες του υλικού, τη μηχανική καταπόνηση και τον χρησιμοποιούμενο κολλητικό παράγοντα.
Ο κολλητικός παράγοντας είναι ένα μείγμα που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του κορδονιού ελαστικού για να προσαρμόσει την αντοχή της πρόσφυσης μεταξύ του μείγματος ελαστικού και του κορδονιού ελαστικού. Κατά τη χρήση ενός ελαστικού, εμφανίζονται τάσεις εφελκυσμού, διάτμησης και συμπίεσης όταν ο τροχός περιστρέφεται, καθώς και κατά το φρενάρισμα, την εκκίνηση ή τη στροφή.
Για τους λόγους αυτούς, η γνώση της πρόσφυσης του κορδονιού ελαστικού μέσα στη μήτρα καουτσούκ είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη προϊόντων με αξιόπιστες και ανθεκτικές δυναμικές ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες επηρεάζονται από την απόδοση του κολλητικού υλικού, η οποία μπορεί να προσδιοριστεί με τη χρήση ενός συστήματος DMTA υψηλής δύναμης, όπως το Eplexor® 500 N της NETZSCH GABO Instruments. Το Eplexor® 500 N δεν είναι μόνο σε θέση να εκτελέσει δοκιμές εφελκυσμού βάσει του ASTM D4776 για τον προσδιορισμό της μέγιστης δύναμης εξόλκευσης, αλλά επιτρέπει επίσης βαθύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων ενός υλικού εφαρμόζοντας μια ταλαντευόμενη δύναμη στο δείγμα. Το Σχήμα 1 δείχνει τη διάταξη που χρησιμοποιείται στις λεγόμενες δοκιμές Τ ή Η (η ονομασία βασίζεται στο σχήμα του δείγματος) για τον προσδιορισμό των δυναμικών ιδιοτήτων των ενσωματωμένων κορδονιών ελαστικών.
Α) Επιρροή της θερμοκρασίας
Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται μια δοκιμή κόπωσης που πραγματοποιήθηκε σε δύο σύνθετα υλικά κορδονιού-καουτσούκ από το ίδιο υλικό για να χαρακτηριστεί η συμπεριφορά πρόσφυσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες.
Η θερμοκρασία του πειράματος ήταν 100°C για το δείγμα 1 (κόκκινο) και 150°C για το δείγμα 2 (μπλε). Η δοκιμή διεξήχθη σε λειτουργία ελεγχόμενης δύναμης, δηλαδή με στατική δύναμη 20 N και δυναμική δύναμη 2 N. Η συχνότητα δοκιμής ήταν 60 Hz για 6000 sec (360000 κύκλοι). Η αύξηση του σύνθετου μέτρου ελαστικότητας του δείγματος 1 (κόκκινο) μπορεί να εξηγηθεί ότι προκλήθηκε από το γεγονός ότι στους 100°C προχωρά η διαδικασία σκλήρυνσης. Στους 150°C, το σύνθετο μέτρο ελαστικότητας του δείγματος 2 (μπλε) μειώνεται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ένωση καουτσούκ έχει ήδη αρχίσει εδώ να αποικοδομείται.
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η συμπεριφορά απόσβεσης (tanδ) των δύο δειγμάτων. Διαφορετικές θερμοκρασίες έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές ιδιότητες απόσβεσης.
Οι λόγοι γι' αυτό είναι οι ίδιοι που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Σε σχέση με την κόκκινη καμπύλη (στους 100°C), το tanδ μειώνεται λόγω της διασύνδεσης (σκλήρυνσης), ενώ σε σχέση με την μπλε καμπύλη (στους 150°C), αυξάνεται λόγω της αποσύνθεσης.
Β) Προσδιορισμός των ορίων καταπόνησης
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν σε δύο πανομοιότυπα σύνθετα υλικά κορδονιού-καουτσούκ αλλά με διαφορετικούς κολλητικούς παράγοντες. Στόχος της δοκιμής αυτής ήταν ο προσδιορισμός των δυναμικών-μηχανικών ορίων καταπόνησης.
Η στατική δυναμική σάρωση στη λειτουργία ελεγχόμενης παραμόρφωσης αυξάνει τη στατική και τη δυναμική παραμόρφωση βήμα προς βήμα: 0,5% στατικό φορτίο/0,05% δυναμική παραμόρφωση, 1%/0,1%, 2%/0,2% ... 9%/0.9%.
Η συχνότητα δοκιμής ήταν 10 Hz. Για κάθε βήμα φόρτισης καταγράφηκαν 20 σημεία δεδομένων για να εμφανιστεί η αναμενόμενη μείωση της δύναμης μόλις επιτευχθεί η μέγιστη τάση.
Οι μπλε γραμμές δείχνουν τη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού κορδονιού-καουτσούκ με καλές ιδιότητες πρόσφυσης, ενώ η κόκκινη καμπύλη προέρχεται από το υλικό με ανεπαρκή πρόσφυση. Όπως φαίνεται από το δείγμα 1 (κόκκινη καμπύλη), το κορδόνι ελαστικού αρχίζει ήδη να αποκολλάται από τη μήτρα ελαστικού σε στατική παραμόρφωση 6% και σε δυναμική παραμόρφωση 0,6%. Το βήμα 6%/0,6% στατικής/δυναμικής φόρτισης υποδεικνύει την έναρξη της μη γραμμικής συμπεριφοράς του υλικού.
Γνωρίζοντας τα όρια των τάσεων, μπορούν να διεξαχθούν περαιτέρω δοκιμές για να ληφθούν περισσότερες πληροφορίες για το υλικό. Στο Σχήμα 5 απεικονίζεται η χρονική εξάρτηση του σύνθετου μέτρου και του tanδ κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής κόπωσης που εφαρμόστηκε στα ίδια δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν στο Σχήμα 2.
Η δοκιμή διεξήχθη σε λειτουργία ελεγχόμενης παραμόρφωσης με στατικό φορτίο 5% και δυναμικό φορτίο 0,5% σε συχνότητα 50 Hz. Οι συνθήκες ήταν selectέτσι ώστε να είναι κοντά στο όριο αστοχίας 6%/0,6% που προκύπτει από το σχήμα 4, με στόχο να προκληθεί γρήγορη υποβάθμιση του δείγματος 1. Η δοκιμή διεξήχθη σε θερμοκρασία δωματίου.
Το σχήμα 5 δείχνει τα αναμενόμενα αποτελέσματα. Η μηχανική γήρανση του δείγματος 1 (κόκκινο) πραγματοποιείται ταχύτερα από εκείνη του δείγματος 2 (μπλε). Μετά από 2300 δευτερόλεπτα (115000 κύκλοι), το κορδόνι του δείγματος 1 αρχίζει να αποκολλάται από την ένωση καουτσούκ, γεγονός που μπορεί να φανεί ως μείωση του σύνθετου μέτρου ελαστικότητας E*.
Το σύνθετο μέτρο ελαστικότητας του δείγματος 2 (μπλε) μειώνεται μόνο αργά κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
Συμπέρασμα
Οι δοκιμές συνεχούς δυναμικής φόρτισης (δοκιμές κόπωσης) είναι κατάλληλες για τον χαρακτηρισμό της πρόσφυσης μεταξύ του κορδονιού και της μήτρας από καουτσούκ, όταν στην επιφάνεια του κορδονιού εφαρμόζονται συγκολλητικά. Λόγω των υψηλών δυνάμεων και πλάτους που απαιτούνται, η σειρά οργάνων Eplexor® της NETZSCH GABO Instruments, ιδίως το Eplexor® 500 N, είναι κατάλληλη για τη δυναμική φόρτιση των δοκιμίων για χιλιάδες κύκλους. Για τις αναλύσεις χρησιμοποιήθηκαν δείγματα σε σχήμα Τ ή Η. Αυτά αποτελούνταν από ένα κορδόνι ελαστικού το καθένα και υλικό από καουτσούκ είτε στο ένα άκρο (δοκιμή Τ) είτε και στα δύο άκρα (δοκιμή Η).