Johdanto
Dynaamiset lämmöntuottokokeet auttavat ymmärtämään paremmin elastomeerien lämpöominaisuuksia. Tällaiset testit tehdään käyttämällä vakiokuormaa, 30 Hz:n taajuutta ja useiden millimetrien muodonmuutosamplitudia (DIN 53 533 ja ASTM D623-99 mukaisesti). Nämä testiolosuhteet aiheuttavat sisäistä kitkaa, joka puolestaan aiheuttaa energian haihtumista ja siten näytteen lämpötilan nousua. Lisäksi näytteeseen kohdistuu muodonmuutoksia (lämpöasetelma). Lämmönmuodostustesteillä on merkitystä renkaille/kumeille, joihin kohdistuu käytön aikana suuri puristusrasitus. Tällaisten kokeiden suorittamiseen soveltuva laite on GABOMETER®, joka on muunnettu Eplexor® -järjestelmä. Se toimii yleisempänä flexometrinä, koska se tarjoaa kaikki klassisen Goodrich Flexometerin ominaisuudet ja lisäksi se kerää mekaanisia materiaalitietoja, kuten E-moduulin ja vaimennuksen (tanδ ).
A) Mittaustulosten toistettavuus
Koska materiaalin koostumuksessa mahdollisesti esiintyvät erot eri koe-erien välillä on erotettava toisistaan, flexometrin testitulosten hyvä toistettavuus on välttämätöntä. Kuvassa 1 esitetään GABOMETER® -järjestelmien toistettavuustesti kahdella samasta erästä peräisin olevalla näytteellä.
Tässä testissä kaksi testikappaletta (sama erä - sylinterimäiset näytteet puristuskuormitusta varten) testattiin toisistaan riippumatta, mutta samanlaisissa kuormitusolosuhteissa. Lämmön kertyminen johtaa erilaisiin lämpötiloihin, esimerkiksi keskellä ja pinnalla. Lämpötilan mittaamiseen näytteen keskellä käytetään neulanmuotoista termoparia, kuten kuvassa 3 esitetään.
Pintalämpötilan mittaus suoritetaan näytteen yläpinnalta lämpöeristettyyn ylempään lämmönkerääntymispidikkeeseen upotetulla termoparilla. Myös tanδ-mittauksen (materiaalin vaimennus) toistettavuus on erinomainen.
B) Lisälämpötila-anturin (neulalämpöparin) käytön edut
Nykyään lämmönkehitystestit tehdään yleisesti Goodrich Flexometers -mittareilla. Perinteiset flexometrit kärsivät kuitenkin resoluutio- ja toistettavuusongelmista. Eplexor® -suunnittelun modulaarisuus sisältää konfiguraatioita, joilla voidaan suorittaa lämmönkehitystestejä. GABOMETER® on yksi taloudellisimmista ratkaisuista tällaisiin HBU-testeihin. Näytteen keskipisteen lämpötilan mittaamiseen tarkoitettu ylimääräinen neulanmuotoinen termopari lisää kokeeseen materiaalitietoa, joka muuten jäisi piiloon.
Pintalämpötilan mittaamista vaaditaan ASTM D623 -standardissa, mutta pelkästään sen perusteella ei aina voida erottaa kahta näytettä toisistaan lämpötilan nousun suhteen ajan funktiona (ks. kuva 2 - lämpötila pinnalla). Neulatyyppinen lisälämpötila-anturi paljastaa näytteen ytimen lämpötilan tarkemmin. Ulkopintojen yli tapahtuvat energiahäviöt vaikuttavat vähiten keskilämpötilaan. Siksi se on myös herkempi havaitsemaan lämmön kertymisvaikutuksen aiheuttamat lämpötilaerot. Näytteiden A ja B väliset erot energiahäviöissä johtavat lämpötilaeroihin, jotka ovat selvimpiä ytimessä. Juuri ytimen lämpötilan mittauksen avulla voidaan erottaa yhdisteet A ja B toisistaan, kuten esimerkissä (kuva 2) on esitetty.
Mutta mikä on tämän eron syy?
Näytteiden A ja B perusyhdisteet ovat identtiset, mutta ne eroavat toisistaan niiden sisältämän hiilimustan tyypin suhteen. Näytteen A hiilimustalla on suurempi LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus ja se aiheuttaa suurempia lämpöhäviöitä pintaan. Tämän seurauksena ytimen lämpötila laskee tapauksessa A enemmän kuin alhaisemman johtavuuden tapauksessa B. Ytimen lämpötila laskee; kumiseoksen elinkaari paranee pienemmän lämpöhäviön ansiosta.
C) Tanδ:n tallentamisen hyödyt
Kuvassa 4 on toinen esimerkki lämmönkehitystestistä. Tässä testissä verrattiin hyvin erilaisia yhdisteitä A ja C. Näytteessä A lämpökertymä on noin 20 °C korkeampi kuin näytteen C vastaava lämpötila.
Näin ollen myös polymeerien vaimennusominaisuudet (tanδ) ovat varsin erilaiset. Yhdisteen C mekaaninen vaimennus on paljon pienempi kuin yhdisteen A. Materiaali C pystyy seuraamaan dynaamisia muodonmuutoksia paremmin kuin materiaali A, koska sen mekaaniset vaimennushäviöt (tanδ) ovat pienemmät.
Päätelmä
Eplexor® 2000 N- tai 4000 N-järjestelmät sekä yleiskäyttöiset GABOMETER® 2000 N- ja 4000 N-fleksometrit voidaan korvata testeissä klassisella Goodrich-fleksometrillä, mikä tuo käyttäjälle lisäetuja. Lisävarusteena saatava neulalämpöelementti ydinlämpötilan mittauksia varten parantaa merkittävästi järjestelmän herkkyyttä havaita lämpökertymäilmiö ja antaa paremman kuvan materiaalin ominaisuuksista. Materiaalit, joita ei muuten voida erottaa toisistaan lämmönkehitysvaikutuksen suhteen, voidaan luotettavasti erottaa toisistaan neulan avulla.
Sitä vastoin paljon vähemmän tietoa saadaan, kun käytetään ainoastaan pintalämpötilaa ASTM D623:n mukaisesti.
Modulaarisen rakenteensa ansiosta GABOMETER® -järjestelmiä voidaan päivittää niin, että niillä voidaan määrittää viskoelastisia materiaaliominaisuuksia tai saada täysi DMTA-toiminto. Tällaiset jälkiasennukset voidaan tehdä milloin tahansa asennuksen jälkeen tarpeen mukaan.