Introducción
Para el refuerzo de componentes de caucho como neumáticos de automóvil, cintas transportadoras o correas trapezoidales, se utilizan cuerdas de neumático y/o materiales mallados. Durante el proceso de producción, estos materiales se vulcanizan para convertirse en el compuesto de caucho. Sin embargo, no sólo interesan las propiedades dinámico-mecánicas de un compuesto de caucho o de una malla. A menudo también se necesita información sobre la adherencia entre la cuerda del neumático y el caucho, que se ve afectada principalmente por la temperatura, las propiedades del material, la tensión mecánica y el agente adherente utilizado.
Un agente adherente es una mezcla que se aplica a la superficie de la cuerda del neumático para adaptar la fuerza adhesiva entre el compuesto de caucho y la cuerda del neumático. Durante el uso de un neumático, se producen tensiones de tracción, cizallamiento y compresión cuando la rueda gira, así como durante el frenado, el arranque o las curvas.
Por estas razones, el conocimiento de la adherencia del cordón del neumático dentro de la matriz de caucho es esencial para desarrollar productos con propiedades dinámicas fiables y duraderas. Estas propiedades se ven influidas por el rendimiento del agente adherente, que puede evaluarse utilizando un sistema DMTA de alta fuerza como el Eplexor® 500 N de NETZSCH GABO Instruments. El Eplexor® 500 N no sólo es capaz de realizar ensayos de tracción basados en la norma ASTM D4776 para determinar la fuerza máxima de extracción, sino que también permite profundizar en las propiedades de los materiales aplicando una fuerza oscilante a la muestra. La figura 1 muestra la disposición utilizada en los denominados ensayos en T o en H (la denominación se basa en la forma de la muestra) para determinar las propiedades dinámicas de los cables de neumáticos incrustados.
A) Influencia de la temperatura
La figura 2 muestra un ensayo de fatiga realizado con dos compuestos de cuerda y caucho del mismo material para caracterizar el comportamiento de la adherencia a diferentes temperaturas.
La temperatura del experimento fue de 100°C para la muestra 1 (rojo) y de 150°C para la muestra 2 (azul). El ensayo se realizó en el modo de fuerza controlada, es decir, con una fuerza estática de 20 N y una fuerza dinámica de 2 N. La frecuencia del ensayo fue de 60 Hz durante 6000 s (360000 ciclos). El aumento del Módulo complejoEl módulo complejo consta de dos componentes, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. El módulo de almacenamiento (o módulo de Young) describe la rigidez y el módulo de pérdida describe el comportamiento de amortiguación (o viscoelástico) de la muestra correspondiente utilizando el método del Análisis Mecánico Dinámico (AMD). módulo complejo de la muestra 1 (rojo) puede explicarse por el hecho de que a 100°C se produce el proceso de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado. A 150°C, el Módulo complejoEl módulo complejo consta de dos componentes, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. El módulo de almacenamiento (o módulo de Young) describe la rigidez y el módulo de pérdida describe el comportamiento de amortiguación (o viscoelástico) de la muestra correspondiente utilizando el método del Análisis Mecánico Dinámico (AMD). módulo complejo de la muestra 2 (azul) disminuye. Esto se debe a que aquí el compuesto de caucho ya ha comenzado a degradarse.
La figura 3 muestra el comportamiento de amortiguación (tanδ) de las dos muestras. Las diferentes temperaturas dan lugar a diferentes propiedades de amortiguación.
Las razones son las mismas que las mencionadas anteriormente. Con respecto a la curva roja (a 100°C), tanδ disminuye debido a la reticulación (Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado); con respecto a la curva azul (a 150°C), aumenta debido a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición.
B) Identificación de los límites de tensión
En la figura 4 se muestran los resultados obtenidos mediante los análisis efectuados en dos materiales compuestos de cordón-caucho idénticos pero que incluían diferentes agentes adherentes. El objetivo de este ensayo era determinar los límites de tensión dinámica-mecánica.
El barrido estático dinámico en el modo de deformación controlada aumenta la deformación estática y dinámica paso a paso: 0,5% de carga estática/0,05% de deformación dinámica; 1%/0,1%; 2%/0,2% ... 9%/0.9%.
La frecuencia de ensayo fue de 10 Hz. Para cada paso de carga, se registraron 20 puntos de datos para mostrar el descenso esperado de la fuerza una vez alcanzada la tensión máxima.
Las líneas azules muestran el comportamiento del compuesto de cuerda y caucho con buenas propiedades de adherencia, mientras que la curva roja procede del material con adherencia insuficiente. Como puede observarse en la muestra 1 (curva roja), el cordón de neumático ya empieza a desprenderse de la matriz de caucho al 6% de deformación estática y al 0,6% de deformación dinámica. El paso de carga estática del 6%/0,6% indica el inicio del comportamiento no lineal del material.
Conociendo los límites de tensión, se pueden realizar más pruebas para obtener más información sobre el material. En la figura 5 se representa la dependencia temporal del Módulo complejoEl módulo complejo consta de dos componentes, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. El módulo de almacenamiento (o módulo de Young) describe la rigidez y el módulo de pérdida describe el comportamiento de amortiguación (o viscoelástico) de la muestra correspondiente utilizando el método del Análisis Mecánico Dinámico (AMD). módulo complejo y tanδ durante un ensayo de fatiga aplicado a las mismas muestras utilizadas en la figura 2.
El ensayo se realizó en el modo de deformación controlada con una carga estática del 5% y una carga dinámica del 0,5% a una frecuencia de 50 Hz. Las condiciones se seleccionaron de forma que estuvieran próximas al límite de fallo del 6%/0,6% derivado de la figura 4, con el objetivo de inducir una rápida degradación de la muestra 1. La prueba se realizó a temperatura ambiente.
La figura 5 muestra los resultados esperados. El envejecimiento mecánico de la muestra 1 (rojo) se produce más rápidamente que el de la muestra 2 (azul). Después de 2300 segundos (115000 ciclos), el cordón de la muestra 1 empieza a desprenderse del compuesto de caucho, lo que puede observarse como una disminución del Módulo complejoEl módulo complejo consta de dos componentes, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. El módulo de almacenamiento (o módulo de Young) describe la rigidez y el módulo de pérdida describe el comportamiento de amortiguación (o viscoelástico) de la muestra correspondiente utilizando el método del Análisis Mecánico Dinámico (AMD). módulo complejo E*.
El Módulo complejoEl módulo complejo consta de dos componentes, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida. El módulo de almacenamiento (o módulo de Young) describe la rigidez y el módulo de pérdida describe el comportamiento de amortiguación (o viscoelástico) de la muestra correspondiente utilizando el método del Análisis Mecánico Dinámico (AMD). módulo complejo de la muestra 2 (azul) sólo disminuye lentamente durante la medición.
Conclusión
Los ensayos de carga dinámica continua (ensayos de fatiga) son adecuados para caracterizar la adherencia entre el cordón y la matriz de caucho cuando se aplican agentes adherentes a la superficie del cordón. Debido a las elevadas fuerzas y amplitudes requeridas, la serie de instrumentos Eplexor® de NETZSCH GABO Instruments, en particular el Eplexor® 500 N, es muy adecuada para cargar las muestras dinámicamente durante miles de ciclos. Para los análisis se utilizaron muestras en forma de T o de H; éstas consistían en una cuerda de neumático cada una y material de caucho en un extremo (prueba en T) o en ambos extremos (prueba en H).