Johdanto
Dynaamis-mekaaninen lämpöanalyysi (DMTA) on nykyään vakiintunut kumin ja renkaiden materiaalitutkimukseen. Uusien seosten kehittäminen esimerkiksi rengasteollisuudessa edellyttää yksityiskohtaista tietoa käytettyjen materiaalien mekaanisista ominaisuuksista. Tähän sisältyy viskoelastisten materiaalitietojen määrittäminen, jotka sisältävät varastointimoduulin E', häviömoduulin E" ja häviökertoimen tanδ lämpötilan, herätetaajuuden ja ulkoisen muodonmuutoksen (esim. venymän) funktiona.
Melko suosittu on rantakovuuskoe. Valitettavasti rannekovuuskokeilla saaduista viskoelastisista ominaisuuksista ei ole riittävästi tietoa tietyillä merkittävillä alueilla. Tietoja yhdisteiden lämpötila- ja taajuusriippuvuudesta ei ole lainkaan saatavilla. Lisäksi näytteisiin rantakokeen aikana kohdistuvaa muodonmuutosta ei mitata.
Ainoastaan DMTA-tutkimuksilla voidaan saada haluttuja tuloksia. Koska elastomeerijärjestelmien viskoelastiset ominaisuudet (E', E", tanδ) riippuvat ulkoisesti käytetystä muodonmuutoksesta, lämpötilapyyhkäisyjä on suoritettava vakioilla venymäamplitudilla koko käyttölämpötila-alueella.
Koska kumiseosten jäykkyys on suuri lämpötiloissa, jotka ovat alle lasittumisasteen Tg, tarvitaan suuria voimatasoja vaadittujen staattisten ja dynaamisten muodonmuutosten aikaansaamiseksi.
Tavallisesti puristuskokeissa käytetään sylinterimäisiä näytteitä (Roelig-näytteitä), joiden korkeus ja halkaisija on 10 mm.
Jos E'-moduulin oletetaan olevan 3 000 MPa, mikä on tyypillinen arvo lasisessa tilassa, laitteen testikapasiteetti vaatii +/-50 N:n dynaamisen voima-amplitudin noin 2 μm:n havaittavan venymän aikaansaamiseksi. Tätä ei voida saavuttaa klassisilla laboratorion DMA-laitteilla. Erityisen hyvin näihin tehtäviin soveltuu NETZSCH GABO Instrumentsin Eplexor® 500 N -laite (ks. kuva 1).
DMTA-järjestelmät, kuten NETZSCH GABO Instrumentsin Eplexor® -sarja, on varustettu suuritehoisilla taajuusmuuttajilla, joiden avulla voidaan toteuttaa sopivia suurten voimatasojen amplitudeja.
Laadunvalvonnassa (QC) aikaa vievät lämpötilan pyyhkäisyt ovat kuitenkin taloudellisten syiden vuoksi hankalia. QC-testit on suoritettava hyvin nopeasti. QC-testi, näytteen valmistelu mukaan luettuna, olisi saatava päätökseen enintään 20 minuutissa. Tämä sovellusohje havainnollistaa, miten lämpötilapyyhkäisy voidaan korvata taajuuspyyhkäisyillä, jotka suoritetaan lähellä Tg:tä.
Butyylikumin (BR) ja SBR 1500 lämpötilariippuvuus
Kaikki lämpötilapyyhkäisyt suoritetaan staattisella muodonmuutoksella, jonka suuruus on 4 % suhteessa näytteen alkuperäiseen pituuteen (10 mm kaikissa näytteissä), lämpötila-alueella -80°C-80°C. Käytetty dynaamisen muodonmuutoksen amplitudi on ± 0,2 %; testitaajuus on 10 Hz.
Kuvassa 2 esitetään täytetyn (50 phr hiilimustaa) ja täyttämättömän BR:n Kompleksinen moduuliKompleksinen moduuli koostuu kahdesta komponentista, varastointimoduulista ja häviömoduulista. Varastointimoduuli (tai Youngin moduuli) kuvaa jäykkyyttä ja häviömoduuli kuvaa vastaavan näytteen vaimennus- (tai viskoelastista) käyttäytymistä dynaamisen mekaanisen analyysin (DMA) menetelmällä. kompleksinen moduuli lämpötilan funktiona.
Hiilimustapitoisuudesta johtuen täytetyn BR:n moduuli on noin 10 kertaa suurempi kuin puhtaan BR:n moduuli yli 0 °C:n lämpötiloissa.
Täytetyillä ja täyttämättömillä BR-järjestelmillä (kuva 3) on hyvin laaja lasisiirtymäalue, joka kattaa noin 50 K:n lämpötila-alueen (tanδ-piikin puolileveys). Näiden kahden järjestelmän tanδ-piikin korkeudet eroavat kuitenkin merkittävästi toisistaan (täytetty: tanδ-piikin maksimi on 0,75, täyttämätön: tanδ-piikin maksimi on 1,3).
Kuvissa 4 ja 5 esitetään toisen tutkittavan järjestelmän Kompleksinen moduuliKompleksinen moduuli koostuu kahdesta komponentista, varastointimoduulista ja häviömoduulista. Varastointimoduuli (tai Youngin moduuli) kuvaa jäykkyyttä ja häviömoduuli kuvaa vastaavan näytteen vaimennus- (tai viskoelastista) käyttäytymistä dynaamisen mekaanisen analyysin (DMA) menetelmällä. kompleksimoduuli ja tanδ. Täytetty ja täyttämätön järjestelmä karakterisoitiin jälleen, mutta tällä kertaa SBR 1500:n perusteella. Puhtaassa SBR:ssä on paljon kapeampi lasisiirtymähuippu kuin BR-järjestelmässä. Tämän lasisiirtymän puoliintumisleveys oli vain 20 K. Kuten aiemminkin, täyttämättömän SBR:n kompleksimoduulin [E*] absoluuttiset arvot laskevat lähes 3000 MPa:sta Tg:n alapuolella alle 5 MPa:n arvoihin Tg:n yläpuolella. Täytettyjen järjestelmien [E*] on - Tg:n yläpuolisissa lämpötiloissa - kaksinkertainen verrattuna täyttämättömään SBR 1500:een.
Lisää teksti
Täytetyille ja täyttämättömille kumijärjestelmille suoritetut taajuushavainnot
Kuvassa 6 esitetään kahden butyylikumijärjestelmän taajuusriippuvuus. Täytetyn järjestelmän (BR - 50 phr 23 °C:ssa) Kompleksinen moduuliKompleksinen moduuli koostuu kahdesta komponentista, varastointimoduulista ja häviömoduulista. Varastointimoduuli (tai Youngin moduuli) kuvaa jäykkyyttä ja häviömoduuli kuvaa vastaavan näytteen vaimennus- (tai viskoelastista) käyttäytymistä dynaamisen mekaanisen analyysin (DMA) menetelmällä. kompleksinen moduuli (E*, absoluuttisina arvoina) on yksinkertaisesti siirtynyt korkeammalle tasolle kuin täyttämättömän BR:n (BR - täyttämätön 23 °C:ssa). Ympäristön lämpötilassa täytettyjen (BR - 50 phr 23 °C:ssa) ja täyttämättömien (BR - täyttämätön 23 °C:ssa) BR-yhdisteiden viivanmuodot ovat hyvin samankaltaisia, mikä osoittaa, että täytetyt ja täyttämättömät kumit käyttäytyvät samalla taajuudella.
Lasittumisalueella lämpötilassa T = -20 °C tilanne on aivan toinen. Täyttämättömässä BR-järjestelmässä [E*]-käyrän kaltevuus on paljon suurempi taajuuden kasvaessa kuin täytetyssä järjestelmässä.
Samanlaisia tuloksia saadaan myös täytetystä ja täyttämättömästä SBR 1500 -järjestelmästä (kuva 7). Odotetusti täytetyssä järjestelmässä (SBR 1500 - 50 fraasia 23 °C:ssa) kompleksimoduulin [E*] arvot ovat yleensä korkeammat kuin täyttämättömässä järjestelmässä (SBR 1500 - täyttämätön 23 °C:ssa). Näiden kahden käyrän kaltevuus huoneenlämmössä ei juuri eroa toisistaan. Jälleen -20 °C:ssa voidaan havaita large eroja viivan muodossa, mikä mahdollistaa eri täyteainepitoisuuksien erottamisen toisistaan analysoimalla E*:n absoluuttisia arvoja, kuten edellä on käsitelty.
Yhteenveto
Large kuminäytteitä (halkaisijaltaan 10 mm) voidaan tutkia puristustilassa vain käyttämällä suuren voiman DMA-laitteita, kuten Eplexor® 500 N, NETZSCH GABO Instruments.
Kysymykseen siitä, millä tavoin E* on hiilimustapitoisuuden funktio, voidaan vastata taajuuspyyhkäisyillä, jotka suoritetaan lämpöepätasapainossa eri lämpötiloissa. Aika-lämpötila- tai taajuus-lämpötila-superpositioperiaatteen ansiosta taajuuden vaihtelu lämpötilan pysyessä vakiona voi antaa samat tiedot kuin lämpötilapyyhkäisy.
Taajuushuuhtelu kestää tyypillisesti vain noin 5 minuuttia, mikä nopeuttaa testimenettelyä huomattavasti verrattuna perinteisiin lämpötilahuuhteluihin, jotka kestävät noin 2 tuntia.
Testitulokset osoittavat myös, että lähellä Tg:tä suoritetut taajuuspyyhkäisyt mahdollistavat sen, että eri hiilimustapitoisuuksiltaan erilaiset kumimateriaalit voidaan erottaa toisistaan melko nopealla analyysillä.