Εισαγωγή
Σήμερα, η μέθοδος της Δυναμικής-Μηχανικής Θερμικής Ανάλυσης (DMTA) έχει καθιερωθεί στην έρευνα υλικώνarch για το καουτσούκ και τα ελαστικά. Η ανάπτυξη νέων σύνθετων υλικών, π.χ. στη βιομηχανία ελαστικών, απαιτεί λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοζόμενων υλικών. Αυτό περιλαμβάνει τον προσδιορισμό δεδομένων ιξωδοελαστικών υλικών που περιέχουν το μέτρο αποθήκευσης E', το μέτρο απωλειών E" και τον συντελεστή απωλειών tanδ, συναρτήσει της θερμοκρασίας, της συχνότητας διέγερσης και της εξωτερικής παραμόρφωσης (π.χ. παραμόρφωση).
Αρκετά δημοφιλής είναι η δοκιμή σκληρότητας ακτής. Δυστυχώς, οι πληροφορίες σχετικά με τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες που λαμβάνονται από τις δοκιμές ακτής λείπουν σε ορισμένες σημαντικές περιοχές. Δεν υπάρχουν καθόλου δεδομένα σχετικά με την εξάρτηση των ενώσεων από τη θερμοκρασία και τη συχνότητα. Επιπλέον, δεν μετράται η παραμόρφωση που εφαρμόζεται στα δείγματα κατά τη διάρκεια της δοκιμής ακτής.
Μόνο οι έρευνες DMTA είναι σε θέση να αποδώσουν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Δεδομένου ότι οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες (E', E", tanδ) των ελαστομερών συστημάτων εξαρτώνται από την εξωτερικά εφαρμοζόμενη παραμόρφωση, οι σαρώσεις θερμοκρασίας πρέπει να πραγματοποιούνται με σταθερά πλάτη παραμόρφωσης σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών εφαρμογής.
Λόγω της υψηλής δυσκαμψίας των ελαστικών ενώσεων σε θερμοκρασίες κάτω από την Tg υαλώδους μετάβασης, απαιτούνται υψηλά επίπεδα δύναμης για να επιτευχθούν οι απαιτούμενες στατικές και δυναμικές παραμορφώσεις.
Συνήθως, για δοκιμές θλίψης χρησιμοποιούνται κυλινδρικά δοκίμια ("Roelig") με ύψος και διάμετρο 10 mm.
Υποθέτοντας ότι το μέτρο ελαστικότητας Ε' είναι 3.000 MPa, μια τυπική τιμή στην υαλώδη κατάσταση, η ικανότητα δοκιμής του οργάνου απαιτεί ένα δυναμικό πλάτος δύναμης +/-50 N για να δημιουργηθεί μια ανιχνεύσιμη επιμήκυνση περίπου 2 μm. Αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί με τα εργαστηριακά όργανα DMA classical. Ιδιαίτερα κατάλληλο για αυτές τις εργασίες είναι το Eplexor® 500 N της NETZSCH GABO Instruments (βλέπε σχήμα 1).
Τα συστήματα DMTA, όπως η σειρά Eplexor® της NETZSCH GABO Instruments, είναι εξοπλισμένα με κινητήρες υψηλής ισχύος για την υλοποίηση κατάλληλων πλατών υψηλών επιπέδων δύναμης.
Στον ποιοτικό έλεγχο (QC), ωστόσο, οι χρονοβόρες σαρώσεις θερμοκρασίας δεν είναι βολικές για οικονομικούς λόγους. Οι δοκιμές QC πρέπει να διεξάγονται πολύ γρήγορα. Μια δοκιμή QC, συμπεριλαμβανομένης της προετοιμασίας του δείγματος, πρέπει να ολοκληρώνεται το πολύ σε 20 λεπτά. Αυτό το σημείωμα εφαρμογής δείχνει πώς οι σαρώσεις θερμοκρασίας μπορούν να αντικατασταθούν από σαρώσεις συχνότητας, οι οποίες πραγματοποιούνται κοντά στην Tg.
Εξάρτηση από τη θερμοκρασία του βουτυλοκαουτσούκ (BR) και SBR 1500
Όλες οι θερμοκρασιακές σαρώσεις πραγματοποιούνται σε στατική παραμόρφωση 4% παραμόρφωσης σε σχέση με το αρχικό μήκος του δείγματος (10 mm για όλα τα δείγματα) σε εύρος θερμοκρασιών από -80°C έως 80°C. Το εφαρμοζόμενο πλάτος δυναμικής παραμόρφωσης είναι ± 0,2%- η συχνότητα δοκιμής είναι 10 Hz.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το σύνθετο μέτρο ελαστικότητας ενός γεμισμένου (50 phr αιθάλης) και ενός μη γεμισμένου BR ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.
Λόγω της περιεκτικότητας σε αιθάλη, το μέτρο ελαστικότητας του γεμισμένου BR είναι περίπου 10 φορές υψηλότερο από εκείνο του καθαρού BR σε θερμοκρασίες άνω των 0°C.
Τα γεμισμένα και τα μη γεμισμένα συστήματα BR (σχήμα 3) παρουσιάζουν μια πολύ ευρεία περιοχή υαλώδους μετάπτωσης που καλύπτει ένα εύρος θερμοκρασιών περίπου 50 K (μισό πλάτος της κορυφής tanδ). Ωστόσο, τα ύψη των κορυφών tanδ των δύο συστημάτων διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους (πληρωμένο: μέγιστο κορυφής tanδ είναι 0,75, μη πληρωμένο: μέγιστο κορυφής tanδ είναι 1,3).
Στα Σχήματα 4 και 5 παρουσιάζονται το μιγαδικό μέτρο και το tanδ του δεύτερου συστήματος που εξετάστηκε. Και πάλι, χαρακτηρίστηκε ένα γεμισμένο και ένα μη γεμισμένο σύστημα, αλλά αυτή τη φορά με βάση το SBR 1500. Το καθαρό SBR παρουσιάζει πολύ στενότερη κορυφή υαλώδους μετάβασης από το σύστημα BR. Το μισό πλάτος αυτής της υαλώδους μετάβασης ήταν μόνο 20 K. Όπως και προηγουμένως, οι απόλυτες τιμές του σύνθετου μέτρου [E*] του μη πληρωμένου SBR πέφτουν από σχεδόν 3.000 MPa κάτω από το Tg σε τιμές μικρότερες από 5 MPa πάνω από το Tg. Το [E*] των γεμισμένων συστημάτων είναι - σε θερμοκρασίες πάνω από την Tg - διπλάσιο από εκείνο του μη γεμισμένου SBR 1500.
Εισαγωγή κειμένου
Σάρωση συχνότητας σε γεμισμένα και μη γεμισμένα συστήματα καουτσούκ
Στο Σχήμα 6 απεικονίζεται η εξάρτηση από τη συχνότητα των δύο συστημάτων βουτυλοκαουτσούκ. Το σύνθετο μέτρο ελαστικότητας (E*, απεικονίζεται ως απόλυτες τιμές) του γεμισμένου συστήματος (BR - 50 phr στους 23°C) απλώς μετατοπίζεται σε υψηλότερο επίπεδο από εκείνο του μη γεμισμένου BR (BR - μη γεμισμένο στους 23°C). Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τα σχήματα των γραμμών των πληρωμένων (BR - 50 phr στους 23°C) και μη πληρωμένων (BR - μη πληρωμένο στους 23°C) ενώσεων BR είναι πολύ παρόμοια, υποδεικνύοντας την ίδια συμπεριφορά συχνότητας για τα πληρωμένα και μη πληρωμένα ελαστικά.
Στην περιοχή υαλώδους μετάβασης σε θερμοκρασία Τ = -20°C, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το μη γεμισμένο BR παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη κλίση της καμπύλης [E*] με την αύξηση της συχνότητας από ό,τι το γεμισμένο σύστημα.
Παρόμοια αποτελέσματα μπορούν να προκύψουν για τα γεμισμένα και μη γεμισμένα συστήματα SBR 1500 (σχήμα 7). Όπως αναμενόταν, το γεμισμένο σύστημα (SBR 1500 - 50 phr στους 23°C) παρουσιάζει γενικά υψηλότερες τιμές για το σύνθετο μέτρο ελαστικότητας [E*] από το μη γεμισμένο (SBR 1500 - μη γεμισμένο στους 23°C). Η κλίση των δύο καμπυλών σε θερμοκρασία δωματίου δεν διαφέρει πολύ. Και πάλι, στους -20°C, μπορούν να εντοπιστούν large διαφορές στο σχήμα της γραμμής, οι οποίες επιτρέπουν τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών περιεκτικοτήτων πληρωτικού υλικού αναλύοντας τις απόλυτες τιμές του E*, όπως συζητήθηκε προηγουμένως.
Περίληψη
Large τα δείγματα από καουτσούκ (διαμέτρου 10 mm) μπορούν να διερευνηθούν μόνο σε λειτουργία συμπίεσης με τη χρήση οργάνων DMA υψηλής δύναμης, όπως το Eplexor® 500 N της NETZSCH GABO Instruments.
Το ερώτημα με ποιον τρόπο η E* είναι συνάρτηση της περιεκτικότητας σε αιθάλη μπορεί να απαντηθεί με σάρωση συχνότητας που πραγματοποιείται σε θερμική ισορροπία σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Λόγω της αρχής της υπέρθεσης χρόνου-θερμοκρασίας ή συχνότητας-θερμοκρασίας, η μεταβολή της συχνότητας με διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας μπορεί να παρέχει τις ίδιες πληροφορίες με μια σάρωση θερμοκρασίας.
Τυπικά, μια σάρωση συχνότητας απαιτεί μόνο περίπου 5 λεπτά, επιταχύνοντας έτσι δραστικά τη διαδικασία δοκιμής σε σχέση με τις συμβατικές σαρώσεις θερμοκρασίας, οι οποίες διαρκούν περίπου 2 ώρες.
Τα αποτελέσματα της δοκιμής δείχνουν επίσης ότι οι σαρώσεις συχνότητας που πραγματοποιούνται κοντά στην Tg επιτρέπουν τη διάκριση υλικών από καουτσούκ διαφορετικής περιεκτικότητας σε αιθάλη με μάλλον γρήγορη ανάλυση.