Johdanto
Polymeerien viskoelastisten ominaisuuksien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää niiden käytön kannalta monissa sovelluksissa, mukaan lukien urheiluvälineet. Suorituskykyiset polymeerit ja polymeerikomposiitit ovat mullistaneet urheiluteollisuuden tarjoamalla käyttäjille kestäviä, mukavia, tarkkoja ja pitkäikäisiä varusteita [1]). Polymeerit ja polymeerikomposiitit muodostavat perustan aktiiviselle päivälle: niitä käytetään sisä- ja ulkoilutilojen lattiapäällysteissä, kenkien pohjissa, verkkojen silmukoissa, mailojen jousissa jne. Näiden materiaalien lämpöominaisuuksien ja fysikaalisen suorituskyvyn arviointi on ratkaisevan tärkeää niiden suunnittelussa, valmistuksessa ja lopullisessa käytössä.
Dynaamista mekaanista analyysiä (DMA) käytetään ensisijaisesti polymeerimateriaalien viskoelastisten ominaisuuksien analysointiin, mutta sitä käytetään myös metallien ja keraamien mittaamiseen tai tiettyjen mekaanisten olosuhteiden simuloimiseen. NETZSCH in DMA 303 Eplexor® on monipuolinen pöytämalli, joka pystyy mittaamaan lämpötila-alueella -170 °C – 800 °C (-274 °F – 1472 °F) ja soveltamaan voimia välillä 1 mN – 50 N, ja toimii taajuusalueella 0,001–150 Hz. Tässä tutkimuksessa testattiin kolmea erilaista korkean suorituskyvyn sulkapallojousta dynaamisen mekaanisen analyysin (DMA) avulla. Nykyaikaiset sulkapallojoukset koostuvat useista materiaaleista, kerroksista ja pinnoitteista [2]. Kaikilla kolmella testatulla näytteellä on sama perusrakenne: nylonista valmistettu monisäikeinen ydin, jota ympäröivät punotut nylonkuidut. Näytteessä 1 on titaanihydridipinnoite, kun taas näytteissä 2 ja 3 on yhdistelmäpinnoite, joka koostuu kuparipinoisista hiilinanoputkista. Suorituskyvyn kannalta valmistaja luokittelee eri jouset, ja luokituksen yhteenveto on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1: Valmistajan ilmoittamat ominaisuudet kolmelle sulkapallojouselle.
| Muuttuja | Näyte 1 (pisteet asteikolla 1–10) | Näyte 2 (pisteet asteikolla 10) | Näyte 3 (pisteet asteikolla 10) |
|---|---|---|---|
| Kimmokevoima | 7 | 8 | 9 |
| Kestävyys | 7 | 10 | 7 |
| Lyöntiääni | 7 | 7 | 8 |
| Iskunvaimennus | 6 | 6 | 8 |
| Ohjaus | 6 | 6 | 10 |
Tämän tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena on yhdistää DMA-laitteella mitatut viskoelastiset ominaisuudet valmistajan taulukossa 1 ilmoittamiin suorituskykykriteereihin. Varastointimoduuli (E’) kuvaa materiaalin kykyä varastoida ja vapauttaa energiaa (kuten jousi), mikä voidaan suoraan yhdistää ilmoitettuun työntövoimaan. Häviömoduuli (E”) kuvaa materiaalin energian hävikkiä (tyypillisesti sisäisen kitkan kautta), ja vaimennuskerroin (tan δ) on E”:n ja E’:n suhde (joka kuvaa, kuinka paljon materiaali vaimentaa siihen kohdistuvaa voimaa). Siksi sekä iskun ääni että iskunvaimennus liittyvät suoraan E”- ja tan δ -arvojen ominaisuuksiin. Lisäksi esimerkiksi kestävyyttä voidaan tutkia testaamalla voiman kasvaessa lämpötilan sijaan.
DMA-testaus viskoelastisten ominaisuuksien määrittämiseksi ja sovellussimuloinnissa
Kolmen sulkapallojousen viskoelastisten ominaisuuksien määrittämiseksi jokaiselle näytteelle suoritettiin vakiolämpötilakäyrä venytystilassa (kuvattu kuvassa 1) käyttäen NETZSCH DMA 303 -laitetta Eplexor® lämpötila-alueella -150–150 ºC.
Taulukossa 2 on esitetty yhteenveto kunkin näytteen eri siirtymäalueista. Näytteen 1 viskoelastinen profiili lämpötilan funktiona on esitetty kuvassa 2, näytteen 2 kuvassa 3 ja näytteen 3 kuvassa 4; kaikki näytteet mitattiin vetokokeessa. Kuvista 2–4 käy ilmi, että näytteillä 2 ja 3 on hyvin samankaltaiset profiilit ja siirtymäalueet, toisin kuin näytteellä 1 (jossa on erilainen pinnoite), joka eroaa merkittävästi muista. Nailon on alifaattinen polyamidi, jota luokitellaan yleisesti numeroluokkien (6, 66, 11, 12) mukaan; kaikilla näillä luokilla lasittumislämpötila on välillä 40–95 °C. Siksi on erittäin mielenkiintoista tarkastella muita siirtymäilmiöitä, joita havaitaan ympäristön lämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa.
Taulukko 2: Näytteiden 1, 2 ja 3 lämpösiirtymät, ilmoitettuina arvoina E’, E” ja tan δ. Kaikki näytteet mitattiin venytyssuunnassa käyttäen 10 μm:n dynaamista muodonmuutosta, suhteellista kerrointa 1,3 ja lämmitysnopeutta 2 ºC/min.
| Siirtymä | E’:n alkamispiste | E” Huippu | tan δ |
|---|---|---|---|
Näyte 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 0,1ß6 |
Näyte 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 |
Näyte 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 |
Kuvien 2–4 perusteella on myös tärkeää ottaa huomioon lämpötilan vaikutus jousien viskoelastisiin ominaisuuksiin. Sulkapallo on tyypillisesti sisäurheilulaji, mutta entäpä ulkona pelaaminen?
Kuvassa 5 esitetään näytteen 1 lämpöprofiili välillä 0–50 °C. Viileänä 4 °C:n syksypäivänä jouset olisivat 2,3-kertaisesti jäykempiä kuin huoneenlämpötilassa (25 °C) tai 3,0-kertaisesti jäykempiä kuin 35 °C:n kuumana kesäpäivänä. Vaimennuskerroin ei kuitenkaan noudata täsmälleen samaa trendiä, sillä se on 4 °C:ssa vain 1,1-kertainen verrattuna 25 °C:seen ja 1,3-kertainen verrattuna 35 °C:seen. Siksi, vaikka jouset olisivat jäykempiä ja joustaisivat vähemmän lyödessä sulkapalloa, jousien absorboiman energian määrä – joka ei siirry lyöntiin – pysyisi samankaltaisena.
Tämän testauksen keskeisenä tavoitteena on selvittää, miten sulkapallojouset käyttäytyisivät niiden käyttötarkoituksessa. Siksi samoja kolmea näytettä testattiin kolmipiste taivutustestissä niiden taivutusominaisuuksien selvittämiseksi (taivutusmatka 20 mm, jotta voitiin analysoida yksi rajallinen osa mailan kokonaisverkkomallista), simuloiden niiden käyttäytymistä, kun ne on jännitetty mailaan ja niitä käytetään sulkapallon lyömiseen. Kuvassa 6 on esitetty testijärjestely, jossa jousi on kiristetty taivutustestiä varten.
Kolmipiste taivutuskokeen suorituskyvyn testaamiseksi suoritettiin kaksi erilaista kuormituskäyrää huoneenlämpötilassa ominaisuuksien mittaamiseksi. Kuvassa 7 esitetään kasvavan dynaamisen muodonmuutoksen vaikutus (joka pysyi alle 0,7 N:n).
Kuvassa 8 esitetään näytteiden pituuden muutos voiman kasvaessa.
Kuvasta 7 voidaan havaita, että huoneenlämpötilassa kolmen kielen mekaanisissa ominaisuuksissa on selvä ero. Esimerkkinä käytetyllä 50 μm:n amplitudilla näytteellä 1 on pienimmät moduuliarvot (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), näytteellä 2 suurimmat (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), ja näyte 3 sijoittuu näiden välille (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Kun otetaan huomioon, että vaimennuskerroin on häviömoduulin ja varastomoduulin suhde, tämä tarkoittaa, että näytteellä 1 on parhaat vaimennusominaisuudet (0,14), jota seuraavat näyte 3 (0,09) ja näyte 2 (0,09). Nämä arvot eivät vastaa suoraan valmistajan taulukossa 1 ilmoittamia arvoja, mutta on erittäin tärkeää ottaa huomioon, miten kaikki kolme viskoelastista parametria vaikuttavat suorituskykyyn ja kuinka tärkeä merkitys testauslämpötilalla on, kuten kuvasta 5 käy ilmi.
Lopuksi kuvasta 8 voidaan havaita näytteen pituuden muutos dynaamisen voiman kasvaessa. Tämä on tärkeä seikka arvioitaessa, kuinka suuren voiman yksittäinen naruelementti kestää ilman merkittävää muodonmuutosta. Näytteessä 3 havaitaan suurin muodonmuutos, mikä viittaa siihen, että se on todennäköisesti kolmesta näytteestä vähiten kestävä sen taipumuksen vuoksi (tämä tulos on yhdenmukainen taulukon 1 kanssa). On tärkeää huomata, että nämä kolmipistetaivutustestissä kuormitetut näytteet kiristettiin käsin, mikä saattaa lisätä absoluuttisten mittaustulosten välisiä vaihteluita.
Yhteenveto
Suorituskykyisten polymeerien ja polymeerikomposiittien kehitys on mullistanut urheiluvälineiden maailman. Tässä artikkelissa osoitimme, kuinka NETZSCH DMA 303 -laitetta Eplexor® voidaan käyttää kolmen eri sulkapallojousen suorituskyvyn arviointiin, vertailuun ja simulointiin useiden parametrien osalta. Lämpötilan nousutestit suoritettiin kolmen näytteen siirtymälämpötilojen määrittämiseksi sekä niiden suorituskyvyn arvioimiseksi erilaisissa lämpötiloissa, joille ne voivat altistua ulkona. Kuormituskokeet suoritettiin jousien mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi huoneenlämpötilassa sekä niiden käyttäytymisen ymmärtämiseksi, kun niihin kohdistetaan kuormitus siinä suunnassa, johon jouset osuvat sulkapalloon.