Introducción
Comprender las propiedades viscoelásticas de los polímeros es fundamental para su uso en numerosas aplicaciones, entre ellas los artículos deportivos. Los polímeros y los compuestos poliméricos de alto rendimiento han revolucionado la industria del deporte al proporcionar a los usuarios equipamiento resistente, cómodo, preciso y duradero [1]). Los polímeros y los compuestos poliméricos son la base de una jornada de actividad: constituyen el material del suelo utilizado en instalaciones deportivas cubiertas y al aire libre, las suelas de las zapatillas, el tejido de las redes, las cuerdas de las raquetas, etc. Ser capaz de evaluar las propiedades térmicas y el rendimiento físico de estos materiales es fundamental para su diseño, fabricación y uso final.
El análisis mecánico dinámico (DMA) se utiliza principalmente para analizar las propiedades viscoelásticas de los materiales poliméricos, pero también se emplea para medir metales, cerámicas o simular condiciones mecánicas específicas. El DMA 303 de NETZSCH Eplexor® es un versátil dispositivo de sobremesa capaz de realizar mediciones en un rango de temperaturas de -170 °C a 800 °C (-274 °F a 1472 °F), aplicando fuerzas que van de 1 mN a 50 N, y que funciona a frecuencias de 0,001 a 150 Hz. En este estudio, se sometieron a ensayo tres cordajes de bádminton de alto rendimiento diferentes mediante análisis mecánico dinámico (DMA). El diseño moderno de los cordajes de bádminton comprende varios materiales, capas y recubrimientos [2]. Las tres muestras analizadas tienen la misma estructura básica: un núcleo multifilamento de nailon rodeado de fibras de nailon trenzadas. La muestra 1 tiene un recubrimiento de hidruro de titanio, mientras que las muestras 2 y 3 tienen un recubrimiento compuesto de nanotubos de carbono apilados en forma de copa. Desde el punto de vista del rendimiento, el fabricante clasifica las diferentes cuerdas; el resumen de esta clasificación se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1: Características indicadas por el fabricante de las tres cuerdas de bádminton.
| Variable | Muestra 1 (puntuación sobre 10) | Muestra 2 (puntuación sobre 10) | Muestra 3 (Puntuación sobre 10) |
|---|---|---|---|
| Potencia de repulsión | 7 | 8 | 9 |
| Durabilidad | 7 | 10 | 7 |
| Sonido al golpear | 7 | 7 | 8 |
| Amortiguación de impactos | 6 | 6 | 8 |
| Control | 6 | 6 | 10 |
El objetivo principal de este estudio es relacionar las propiedades viscoelásticas medidas mediante el DMA con los criterios de rendimiento indicados por el fabricante en la tabla 1. El módulo de almacenamiento (E’) describe la capacidad del material para almacenar y liberar energía (como un resorte), lo que puede relacionarse directamente con la potencia de repulsión indicada. El Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida (E”) describe la disipación de energía por parte del material (normalmente a través de la fricción interna) y, por último, el factor de amortiguación (tan δ) es la relación entre E” y E’ (que describe en qué medida un material amortigua una fuerza aplicada). Por lo tanto, tanto el sonido de impacto como la absorción de impactos están directamente relacionados con las propiedades de E” y tan δ. Además, parámetros como la durabilidad pueden analizarse mediante ensayos en función de una fuerza creciente, en lugar de la temperatura.
Ensayos DMA para determinar las propiedades viscoelásticas y simular aplicaciones
Eplexor® Para determinar las propiedades viscoelásticas de las tres cuerdas de bádminton, se llevó a cabo un barrido de temperatura estándar en cada muestra sometida a tracción (representación gráfica en la figura 1), utilizando el equipo DMA 303 NETZSCH de , en el que se aplicó un barrido de temperatura de -150 a 150 ºC.
La tabla 2 resume las diferentes regiones de transición de cada muestra. El perfil viscoelástico de la muestra 1 en función de la temperatura se muestra en la figura 2, el de la muestra 2 en la figura 3 y el de la muestra 3 en la figura 4; todas las muestras se midieron en tracción. Según se observa en las figuras 2 a 4, las muestras 2 y 3 presentan perfiles y zonas de transición muy similares, a diferencia de la muestra 1 (que tiene un recubrimiento distinto), cuyo perfil es significativamente diferente. El nailon es una poliamida alifática que se clasifica habitualmente por grados numéricos (6, 66, 11, 12), todos los cuales presentan una transición vítrea que se produce entre 40 y 95 °C. Por lo tanto, resulta muy interesante analizar las demás transiciones que se observan a temperaturas inferiores a la ambiente.
Tabla 2: Transiciones térmicas de las muestras 1, 2 y 3, expresadas en términos de E’, E” y tan δ. Todas las muestras se midieron en tensión utilizando una deformación dinámica de 10 μm, un factor proporcional de 1,3 y una velocidad de calentamiento de 2 ºC/min.
| Transición | Inicio de E’ | Pico de E” | tan δ |
|---|---|---|---|
Muestra 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1β6 |
Muestra 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Muestra 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
A partir de las figuras 2 a 4, también es importante tener en cuenta el efecto de la temperatura sobre el comportamiento viscoelástico de los cordajes. El bádminton suele ser un deporte de interior, pero ¿qué ocurre cuando se juega al aire libre?
La figura 5 muestra el perfil térmico de la muestra 1 entre 0 y 50 °C. En un día fresco de otoño a 4 °C, las cuerdas serían 2,3 veces más rígidas que a temperatura ambiente (25 °C) o 3,0 veces más rígidas que en un caluroso día de verano a 35 °C. Sin embargo, el factor de amortiguación no sigue exactamente la misma tendencia, ya que solo es 1,1 veces mayor a 4 °C en comparación con 25 °C y 1,3 veces mayor a 4 °C en comparación con 35 °C. Por lo tanto, aunque las cuerdas fueran más rígidas y mostraran menos elasticidad al golpear el volante, la cantidad de energía absorbida por las cuerdas —y que no se transmite al golpe— seguiría siendo similar.
Un aspecto clave de estas pruebas es comprender cómo se comportarían las cuerdas de bádminton en su aplicación prevista. Por lo tanto, se sometieron a ensayo las mismas tres muestras en un ensayo de flexión de tres puntos para conocer sus propiedades de flexión (distancia de flexión de 20 mm para analizar una sección finita del patrón general de la rejilla de la raqueta), simulando así cómo se comportarían una vez encordadas en la raqueta y utilizadas para golpear el volante. En la figura 6 se muestra la configuración del ensayo con la cuerda tensada en flexión.
Para evaluar el comportamiento en la flexión de tres puntos, se llevaron a cabo dos series de varías de carga diferentes a temperatura ambiente con el fin de medir las propiedades. La figura 7 muestra el efecto del aumento de la deformación dinámica (que se mantuvo por debajo de 0,7 N).
La figura 8 muestra la variación de la longitud de las muestras en función del aumento de la fuerza.
En la figura 7 se observa que, a temperatura ambiente, existe una clara diferencia en las propiedades mecánicas de las tres cuerdas. Con una amplitud ilustrativa de 50 μm, la muestra 1 presenta los valores de módulo más bajos (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), la muestra 2 los más altos (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), y la muestra 3 se sitúa en un término medio (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Teniendo en cuenta que el factor de amortiguación es la relación entre el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida y el módulo de almacenamiento, esto significa que la muestra 1 presenta las propiedades de amortiguación más elevadas (0,14), seguida de la muestra 3 (0,09) y de la muestra 2 (0,09). Estos valores no se corresponden directamente con los indicados por el fabricante en la Tabla 1, pero es muy importante tener en cuenta cómo afectan al rendimiento los tres parámetros viscoelásticos y la importancia de la temperatura a la que se realizaron los ensayos, tal y como se muestra en la Figura 5.
Por último, en la figura 8 se observa la variación de la longitud de la muestra al aumentar la fuerza dinámica. Este es un factor importante a la hora de determinar cuánta fuerza puede soportar un único elemento de cuerda sin sufrir una deformación significativa. La muestra 3 presenta la mayor deformación, lo que implica que probablemente sea la menos duradera de las tres debido a su tendencia a deformarse (este resultado concuerda con la Tabla 1). Es importante señalar que, en el caso de estas muestras sometidas a flexión en tres puntos, se tensaron manualmente, lo que puede aumentar la variación entre las mediciones absolutas.
Resumen
El desarrollo de polímeros y compuestos poliméricos de alto rendimiento ha revolucionado el mundo de los artículos deportivos. En este artículo, hemos demostrado cómo se puede utilizar el DMA 303 de NETZSCH Eplexor® para evaluar, comparar y simular el rendimiento de tres cordajes de bádminton diferentes en función de diversos parámetros. Se realizaron rampas de temperatura para determinar las temperaturas de transición de las tres muestras, así como para evaluar su rendimiento a las distintas temperaturas a las que podrían verse expuestas en el exterior. Se llevaron a cabo barridos de carga para evaluar las propiedades mecánicas de las cuerdas a temperatura ambiente y también para comprender su comportamiento ante una carga aplicada en la dirección en la que las cuerdas golpearían un volante.