Εισαγωγή
Λόγω της χαμηλής πυκνότητάς τους, οι αφροί έχουν ευρύ φάσμα εφαρμογών. Τα μαλακά αφρώδη υλικά χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, ως μαξιλαράκια, για ακουστική απόσβεση ή ως προστασία από κρότους. Οι άκαµπτοι αφροί χρησιµοποιούνται ιδίως ως µονωτικά υλικά, σε σόλες παπουτσιών, ή για τέτοιες εφαρµογές ως στρώµατα πλήρωσης σε σύνθετες δοµές. Όταν το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στο αποτέλεσμα της θερμομόνωσης ή στην αντοχή του υλικού σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες, χρησιμοποιούνται συνήθως αφροί κλειστών κυψελών. Ειδικά οι μαλακοί αφροί, από την άλλη πλευρά, είναι συνήθως ανοιχτοκυτταρικοί, επιτρέποντας τη διαφυγή του αερίου από τα επιμέρους κύτταρα και επιτρέποντας έτσι στον αφρό να υποστεί μεγαλύτερη ελαστική συμπίεση.
Γενικά, πολλά πολυμερή είναι κατάλληλα ως υλικά εκκίνησης για αφρούς. Οι αφροί με βάση τη διογκωμένη πολυστερίνη ή την πολυουρεθάνη (PUR) χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα ευρέως. Ανάλογα με την κατασκευή τους, οι διάφοροι αφροί PUR μπορούν να παρουσιάσουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες. Η πυκνότητα και ο βαθμός διασύνδεσης των αφρών ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό ανάλογα με την ποσότητα του διογκωτικού παράγοντα (νερό), την προσθήκη περαιτέρω προσθέτων και επίσης το μήκος της αλυσίδας των αρχικών υλικών, επιτρέποντας έτσι ένα ευρύ φάσμα από μαλακούς έως πολύ σκληρούς αφρούς.
Για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων έχει καθιερωθεί η διενέργεια δοκιμών με δοκιμαστές εφελκυσμού γενικής χρήσης classic. Μαζί με τη στατική συμπεριφορά παραμόρφωσης, η απόσβεση του αφρού είναι συχνά κεντρικής σημασίας για την εφαρμογή. Εδώ η DMA μπορεί να συμβάλει πολύτιμα καταγράφοντας ολόκληρη την ιξωδοελαστική συμπεριφορά των αφρών. Στην παρούσα συμβολή, διερευνάται ως παράδειγμα ένας μαλακός, ανοιχτόπορος αφρός PUR.
Στατικές δοκιμές
Κατά τη διάρκεια στατικών (οιονεί στατικών) δοκιμών με το High Force DMA GABO Eplexor® 500 N, εφαρμόζεται ένα αργά μεταβαλλόμενο φορτίο όπως σε έναν universal tester και μετρούνται οι προκύπτουσες δυνάμεις και παραμορφώσεις. Σύμφωνα με τις συνήθεις καταστάσεις εγκατάστασης για αφρώδη υλικά, η μέτρηση πραγματοποιείται συνήθως σε λειτουργία συμπίεσης.
Στο σχήμα 1 απεικονίζεται το αφόρτιστο δείγμα στα αριστερά και το συμπιεσμένο δείγμα στα δεξιά, στο Eplexor®. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι εμφανίζεται μόνο μια σχετικά small εγκάρσια παραμόρφωση και μπορεί κανείς να υποθέσει εδώ ένα πλήρως συμπιεστό υλικό σε μια αρχική προσέγγιση.
Πρώτον, καταγράφονται οι στατικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης. Για να αποκλειστούν οι εφάπαξ επιδράσεις, το δείγμα αφρού συνήθως φορτίζεται και αποφορτίζεται δύο φορές, ενώ στο σχήμα 2 παρουσιάζεται μόνο ο δεύτερος κύκλος φόρτισης.
Αυτό δείχνει μια τριμερή καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης, τυπική για μαλακό-ελαστικούς αφρούς- π.χ., συγκρίνετε με (Keller, 2019). Κάτω από σχετικά small τάσεις, τα κύτταρα παραμορφώνονται ελάχιστα και το υλικό συμπεριφέρεται με περίπου γραμμικό-ελαστικό τρόπο. Με την αύξηση της τάσης, τα κύτταρα του αφρού ανοικτών κυψελών καταρρέουν. Δεδομένου ότι ο αέρας πρέπει να διαφύγει από τα κύτταρα κατά τη διαδικασία αυτή, τα αποτελέσματα είναι συνάρτηση του ρυθμού παραμόρφωσης. Σε αυτή την περιοχή πλατώ, η τάση που απαιτείται για την παραμόρφωση αυξάνεται μόνο αργά. Σε πολύ υψηλά επίπεδα παραμόρφωσης (εδώ ξεκινώντας από το 50% περίπου), τα κύτταρα που έχουν ήδη καταρρεύσει συμπιέζονται στη συνέχεια περαιτέρω και η τάση αυξάνεται και πάλι πιο έντονα. Κατά την επακόλουθη αποφόρτιση, οι απαιτούμενες τάσεις είναι μόνο κάπως χαμηλότερες λόγω της διάχυσης ενέργειας που συνέβη στο μεταξύ, και εμφανίζεται μια τυπική υστέρηση.
Σύμφωνα με το ISO 3386, η σκληρότητα θλίψης προσδιορίζεται ως η αναγκαία τάση υπό αυξανόμενη τάση 40%- εδώ, η σκληρότητα θλίψης ανέρχεται σε σd 40 = 0,12 MPa. Η περιοχή της υστέρησης επιτρέπει την κατά προσέγγιση εκτίμηση της απόσβεσης του υλικού. Η ικανότητα απόσβεσης των αφρών PUR ποικίλλει σημαντικά.
Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται σχηματικά διαφορετικές καμπύλες υστέρησης. Σύμφωνα με τη συμπεριφορά απόσβεσης, οι αφροί PUR μπορούν να ταξινομηθούν σε medium απόσβεση (τύπος Α), έντονα απόσβεση (τύπος Β) ή ασθενώς απόσβεση (τύπος C). Κατά συνέπεια, το δείγμα που διερευνήθηκε μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ως περισσότερο τύπου C.
Ως εναλλακτική λύση στη φόρτιση πλήρους επιφάνειας που χρησιμοποιείται εδώ, διεξάγονται συχνά δοκιμές διείσδυσης σε αφρούς. Στην περίπτωση αυτή, αντί της άνω ράβδου πιέζεται στο δείγμα ένα μικρότερο σώμα. Η δύναμη που απαιτείται γι' αυτό ονομάζεται σκληρότητα εντυπώσεων.
Δυναμικές δοκιμές
Σε μια στατική σάρωση του DMA, εφαρμόζεται ένα στατικό φορτίο σε κάθε βήμα και στη συνέχεια διεξάγεται ένα πείραμα δυναμικής ταλάντωσης σε αυτήν την κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, το μέτρο ελαστικότητας Young μπορεί να μετρηθεί απευθείας σε αυτό το σημείο και έτσι, η απόσβεση μπορεί επίσης να προσδιοριστεί τοπικά.
Το δείγμα αφρού τεντώνεται και πάλι στατικά σε βήματα έως και 70%. Στο σχήμα 4, φαίνεται η ίδια συμπεριφορά όπως και στις στατικές δοκιμές: Για τις παραμορφώσεις small, το δείγμα συμπεριφέρεται περίπου γραμμικά, αλλά στη συνέχεια αναπτύσσει μια φθίνουσα χαρακτηριστική ελατηρίου με την αύξηση της παραμόρφωσης. Η τελική συμπίεση χαρακτηρίζεται και πάλι από μια δυσκαμψία ελατηρίου που αυξάνεται με τη στατική παραμόρφωση και μπορεί συνεπώς να χαρακτηριστεί ως προοδευτική δυσκαμψία ελατηρίου.
Μέσω της DMA, μπορεί να μετρηθεί ένα μέτρο ελαστικότητας Young σε κάθε σημείο λόγω δυναμικής ταλάντωσης. Όπως αναμενόταν, το μέτρο ελαστικότητας αρχικά πέφτει στην περιοχή των παραμορφώσεων small, στη συνέχεια είναι σχετικά σταθερό και τελικά αυξάνεται και πάλι με την αύξηση της συμπίεσης. Το μέτρο ελαστικότητας που μετράται μέσω της DMA συμπεριφέρεται επομένως ακριβώς όπως το μέτρο εφαπτομένης μετά την αξιολόγηση μιας στατικής δοκιμής.
Με τον εξοπλισμό μηχανικών δοκιμών, το μέτρο ελαστικότητας Young ενός δείγματος δεν μετράται άμεσα, αλλά προσδιορίζεται πρώτα μια δυσκαμψία με βάση τις μετρήσιμες δυνάμεις και παραμορφώσεις. Ανάλογα με τη γεωμετρία του δείγματος και το μοντέλο υλικού, υπολογίζεται στη συνέχεια το μέτρο ελαστικότητας Young. Δεδομένου ότι ο αφρός συμπεριφέρεται ως σε μεγάλο βαθμό συμπιεζόμενος, η επιφάνεια διατομής δεν μεταβάλλεται αισθητά κατά την παραμόρφωση. Κατά συνέπεια, μπορεί να υπολογιστεί η τάση που ασκείται στο δείγμα- αυτή εκφράζεται πάντα ως εξής:
σ = F/A0
Εδώ, F είναι η δύναμη και A0 η ονομαστική αρχική διατομή.
Δεδομένου ότι το μήκος του δείγματος μεταβάλλεται σημαντικά, η δυναμική τάση πρέπει πάντα να σχετίζεται με το τρέχον μήκος του δείγματος, δηλ,
ε = ΔL/Lm
με την παραμόρφωση ΔL και το τρέχον μήκος του δείγματος Lm. Έτσι προκύπτει ο παράγοντας γεωμετρίας για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας ως Lm / A0.
Ο παράγοντας αυτός ισχύει γενικά για συμπιεστά υλικά και μπορεί να επιλεγεί απευθείας στο λογισμικό Eplexor®.
Στις στατικές δοκιμές, είναι δυνατόν να χαρακτηριστεί η συμπεριφορά απόσβεσης του αφρού με βάση την υστέρηση ολόκληρης της παραμόρφωσης. Η DMA επιτρέπει ακριβέστερο χαρακτηρισμό, καθώς η τοπική απόσβεση μπορεί να προσδιοριστεί για κάθε στατικό φορτίο. Καθίσταται σαφές ότι ο αφρός έχει μόνο χαμηλή ικανότητα απόσβεσης στο εύρος των παραμορφώσεων small. Η απόσβεση (εδώ tan δ) παραμένει σχετικά σταθερή στην περιοχή του πλατώματος και στη συνέχεια αυξάνεται και πάλι στην περιοχή της συμπίεσης. Έτσι, η DMA επιτρέπει τον ορθό προσδιορισμό της ικανότητας απόσβεσης σε φορτισμένη κατάσταση.
Η μη γραμμική συμπεριφορά του υλικού είναι εντελώς ανάλογη όταν αυξάνεται το πλάτος ταλάντωσης δυναμικής δόνησης. Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται η αντίστοιχη υστέρηση ενός κύκλου δυναμικής ταλάντωσης (με πλάτος δυναμικής παραμόρφωσης 10%) σε διαφορετικά επίπεδα στατικής παραμόρφωσης. Το μέτρο ελαστικότητας Young προκύπτει και πάλι από την κλίση στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης. Παρατηρείται ότι η δυσκαμψία αρχικά μειώνεται στην περιοχή των στατικών παραμορφώσεων small (φθίνουσα δυσκαμψία) και στη συνέχεια αυξάνεται και πάλι υπό τις παραμορφώσεις large (προοδευτική δυσκαμψία). Σε large δυναμικά πλάτη, η συμπεριφορά αυτή είναι επίσης εμφανής στην παραμόρφωση της υστέρησης. Η αύξηση της απόσβεσης με τη στατική προφόρτιση μπορεί επίσης να παρατηρηθεί στην περιοχή large της υστέρησης.
Συμπεριφορά θερμοκρασίας
Παράλληλα με τη μέτρηση της μηχανικής μη γραμμικής συμπεριφοράς του υλικού, το DMA GABO Eplexor® επιτρέπει επίσης τη διεξαγωγή θερμομηχανικής ανάλυσης. Έτσι, οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν προηγουμένως είναι δυνατές και σε υψηλές θερμοκρασίες ή σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο πήξης. Ο θερμικός χαρακτηρισμός πραγματοποιείται κυρίως στη γραμμική περιοχή των πλατών small. Λόγω της ισχυρής μονωτικής επίδρασης του αφρού, επιλέχθηκε χαμηλός ρυθμός θέρμανσης 2 K/min.
Μαζί με την άμεση θερμοκρασιακή συμπεριφορά, συχνά ενδιαφέρουν και οι ιδιότητες του υλικού σε συχνότητες που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες από τη μέτρηση. Αυτό ισχύει, για παράδειγμα, για τη χρήση αφρών για ακουστική απόσβεση. Εδώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος υπέρθεσης χρόνου-θερμοκρασίας για τη δημιουργία κύριων καμπυλών. Αυτό επιτρέπει επίσης την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη συμπεριφορά του υλικού σε πολύ υψηλότερες συχνότητες.
Περίληψη
Το DMA GABO Eplexor® 500 N προσφέρει επαρκή αποθέματα δύναμης για τη μέτρηση αφρών σε σημαντικά μεγέθη, έτσι ώστε να μπορεί να χαρακτηριστεί η μη γραμμική και χρονικά εξαρτώμενη μηχανική συμπεριφορά. Εκτός από τις πληροφορίες που προκύπτουν από το διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων, το DMA μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της δυσκαμψίας και της απόσβεσης σε συμπιεσμένη κατάσταση. Επιπλέον, με το DMA μπορεί να προσδιοριστεί με ένα μόνο όργανο η θερμοκρασιακή συμπεριφορά και, μέσω της τεχνικής της κύριας καμπύλης, επίσης το μέτρο ελαστικότητας Young σε υψηλές συχνότητες. Αυτό επιτρέπει τον χαρακτηρισμό αφρών για μια ποικιλία σεναρίων εφαρμογής.