Introducción
Debido a su baja DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad, las espumas tienen una amplia gama de aplicaciones. Las espumas blandas se utilizan, por ejemplo, como material de amortiguación, para la amortiguación acústica o como protección contra el traqueteo. Las espumas rígidas, en particular, se emplean como materiales aislantes, en suelas de zapatos, o para aplicaciones como capas de relleno en estructuras compuestas. Cuando la atención se centra en el efecto de aislamiento térmico o en la resistencia del material bajo diversas condiciones ambientales, se suelen utilizar espumas de celda cerrada. En cambio, las espumas blandas suelen ser de célula abierta, lo que permite que el gas escape de las células individuales y que la espuma experimente una mayor compresión elástica.
En general, muchos polímeros son adecuados como materiales de partida para las espumas. Las espumas a base de poliestireno expandido o poliuretano (PUR) son las más utilizadas. Dependiendo de su fabricación, las distintas espumas de PUR pueden presentar propiedades muy diferentes. La DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad y el grado de reticulación de las espumas varían enormemente en función de la cantidad de agente espumante (agua), de la adición de otros aditivos y también de la longitud de la cadena de los materiales de partida, lo que permite obtener una amplia gama de espumas, desde blandas hasta muy rígidas.
Para la determinación de las propiedades mecánicas, están bien establecidas las pruebas con probadores universales de tracción classic. Junto con el comportamiento de deformación estática, también la amortiguación de la espuma suele tener una importancia fundamental para la aplicación. En este caso, la DMA puede aportar una valiosa contribución al registrar todo el comportamiento viscoelástico de las espumas. En esta contribución, se investiga como ejemplo una espuma de PUR blanda de poro abierto.
Pruebas estáticas
Durante los ensayos estáticos (cuasiestáticos) con el DMA GABO de alta fuerza Eplexor® 500 N, se aplica una carga que varía lentamente como en un comprobador universal y se miden las fuerzas y deformaciones resultantes. De acuerdo con las situaciones de instalación habituales para las espumas, la medición suele realizarse en modo de compresión.
La figura 1 muestra la muestra sin carga a la izquierda y la muestra comprimida a la derecha, en la dirección Eplexor®. Se puede observar que sólo se produce una deformación transversal relativamente small y se puede suponer aquí un material totalmente compresible en una primera aproximación.
En primer lugar, se registran las curvas estáticas de tensión-deformación. Para excluir los efectos puntuales, la muestra de espuma suele cargarse y descargarse dos veces, por lo que en la figura 2 sólo se muestra el segundo ciclo de carga.
Esto muestra una curva de tensión-deformación tripartita, típica de las espumas blando-elásticas; por ejemplo, compárese con (Keller, 2019). Bajo tensiones relativamente small, las células solo se deforman ligeramente y el material se comporta de forma aproximadamente lineal-elástica. Al aumentar la deformación, las células de la espuma de célula abierta se colapsan. Como el aire tiene que escapar de las células en este proceso, los resultados son función de la velocidad de deformación. En esta región de meseta, la tensión necesaria para la deformación sólo aumenta lentamente. A niveles de deformación muy elevados (en este caso, a partir de aproximadamente el 50%), las células que ya se han colapsado se comprimen aún más y la tensión vuelve a aumentar de forma más acusada. Durante la descarga posterior, las tensiones requeridas son sólo algo menores debido a la disipación de energía que se ha producido entretanto, y se produce una histéresis típica.
Según la norma ISO 3386, la dureza de compresión se determina como la tensión necesaria bajo una deformación creciente del 40%; en este caso, la dureza de compresión asciende a σd 40 = 0,12 MPa. El área de histéresis permite una estimación aproximada de la amortiguación del material. La capacidad de amortiguación de las espumas de PUR varía considerablemente.
La figura 3 muestra esquemáticamente diferentes curvas de histéresis. Según su comportamiento de amortiguación, las espumas de PUR pueden clasificarse en medium amortiguación (tipo A), fuertemente amortiguación (tipo B) o débilmente amortiguación (tipo C). En consecuencia, la muestra investigada puede clasificarse como más del tipo C.
Como alternativa a la carga en toda la superficie utilizada aquí, con frecuencia se realizan ensayos de penetración en espumas. En este caso, se presiona un cuerpo más pequeño en la muestra en lugar de la barra superior. La fuerza necesaria para ello se denomina dureza de indentación.
Pruebas dinámicas
En un barrido estático del DMA, se aplica una carga estática en cada paso y, a continuación, se realiza un experimento de oscilación dinámica en estas condiciones. De este modo, el módulo de Young puede medirse directamente en este punto y, por tanto, también puede determinarse localmente la amortiguación.
La muestra de espuma se vuelve a estirar estáticamente en pasos de hasta el 70%. En la figura 4 se observa el mismo comportamiento que en las pruebas estáticas: Para las deformaciones de small, la muestra se comporta de forma aproximadamente lineal, pero luego desarrolla una característica de resorte degresivo con el aumento de la deformación. La compresión final se caracteriza de nuevo por una rigidez del muelle que aumenta con la deformación estática y, por lo tanto, puede caracterizarse como rigidez progresiva del muelle.
Mediante DMA, se puede medir un módulo de Young en cada punto debido a la oscilación dinámica. Como era de esperar, el módulo disminuye inicialmente en la región de las deformaciones small, luego es relativamente constante y finalmente vuelve a aumentar con el incremento de la compresión. De este modo, el módulo medido mediante DMA se comporta exactamente igual que el módulo tangente tras la evaluación de un ensayo estático.
Con los equipos de ensayos mecánicos, el módulo de Young de una muestra no se mide directamente, sino que primero se determina una comisión de rigidez basada en las fuerzas y deformaciones medibles. En función de la geometría de la muestra y del modelo del material, se calcula el módulo de Young. Dado que la espuma se comporta en gran medida como compresible, el área de la sección transversal no cambia apreciablemente durante la deformación. Por consiguiente, puede calcularse la tensión que actúa sobre la muestra, que siempre se expresa como
σ = F/A0
Aquí, F es la fuerza y A0 la sección transversal nominal inicial.
Dado que la longitud de la muestra cambia considerablemente, la deformación dinámica debe relacionarse siempre con la longitud actual de la muestra, es decir
ε = ΔL/Lm
con la deformación ΔL y la longitud actual de la muestra Lm. Esto produce el factor de geometría para el cálculo del módulo como Lm / A0.
Este factor suele ser válido para materiales compresibles y puede seleccionarse directamente en el software Eplexor®.
En los ensayos estáticos, es posible caracterizar el comportamiento de amortiguación de la espuma basándose en la histéresis de toda la deformación. La AMD permite una caracterización más precisa, ya que puede determinarse la amortiguación local para cada carga estática. Queda claro que la espuma sólo tiene una baja capacidad de amortiguación en el rango de deformaciones de small. La amortiguación (en este caso tan δ) permanece relativamente constante en la región de meseta y vuelve a aumentar en la región de compresión. Así pues, el DMA permite determinar correctamente la capacidad de amortiguación en estado cargado.
El comportamiento no lineal del material es completamente análogo al aumentar la amplitud de oscilación de la VibraciónUn proceso mecánico de oscilación se denomina vibración. La vibración es un fenómeno mecánico por el que se producen oscilaciones en torno a un punto de equilibrio. En muchos casos, la vibración es indeseable, ya que desperdicia energía y crea sonidos no deseados. Por ejemplo, los movimientos vibratorios de motores, motores eléctricos o cualquier dispositivo mecánico en funcionamiento suelen ser indeseados. Estas vibraciones pueden deberse a desequilibrios en las piezas giratorias, a una fricción desigual o al engrane de los dientes de los engranajes. Los diseños cuidadosos suelen minimizar las vibraciones no deseadas.vibración dinámica. La figura 5 muestra la histéresis correspondiente de un ciclo de oscilación dinámica (con una amplitud de deformación dinámica del 10%) a diferentes niveles de deformación estática. El módulo de Young resulta de nuevo de la pendiente en el diagrama tensión-deformación. Puede observarse que la rigidez disminuye inicialmente en el rango de small deformaciones estáticas (rigidez degresiva) y luego aumenta de nuevo bajo large deformaciones (rigidez progresiva). En large amplitudes dinámicas, este comportamiento también es evidente en la deformación de la histéresis. El aumento de la amortiguación con la precarga estática también se aprecia en la zona large de la histéresis.
Comportamiento de la temperatura
Junto con la medición del comportamiento mecánico no lineal del material, el DMA GABO Eplexor® en particular también permite realizar análisis termomecánicos. De este modo, los análisis realizados anteriormente también son posibles a temperaturas elevadas o por debajo del punto de congelación. La caracterización térmica se realiza sobre todo en el rango lineal de amplitudes small. Debido al fuerte efecto aislante de la espuma, se eligió una velocidad de calentamiento baja de 2 K/min.
Junto con el comportamiento directo de la temperatura, a menudo interesan las propiedades del material a frecuencias que no son directamente accesibles por medición. Esto se aplica, por ejemplo, al uso de espumas para la amortiguación acústica. En este caso, se puede emplear el método de superposición tiempo-temperatura para la generación de curvas maestras. Esto también permite extraer conclusiones sobre el comportamiento del material a frecuencias mucho más altas.
Resumen
El DMA GABO Eplexor® 500 N ofrece reservas de fuerza suficientes para medir espumas en tamaños significativos, de modo que pueda caracterizarse el comportamiento mecánico no lineal y dependiente del tiempo. Además de la información que proporciona el diagrama tensión-deformación, el DMA también puede emplearse para determinar la rigidez y la amortiguación en estado comprimido. Además, con el DMA se puede determinar con un solo instrumento el comportamiento térmico y, mediante la técnica de la curva maestra, también el módulo de Young a altas frecuencias. Esto permite la caracterización de espumas para una gran variedad de escenarios de aplicación.