NETZSCH DMA 523: Goodrich Flexometer -ominaisuudet ja samanaikainen dynaamis-mekaaninen analyysi
Johdanto
Viskoelastisina materiaaleina elastomeerit ovat keskeisessä asemassa useilla teollisuudenaloilla. On tunnustettu, että mekaanisen käyttäytymisen viskoosinen komponentti johtaa erilaisista dissipatiivisista prosesseista johtuvaan energian häviämiseen lämmön muodossa. Tyypillisissä DMA-mittauksissa käytetään small näytekokoja, alhaisia dynaamisia amplitudeja ja matalia taajuuksia, jolloin haihtuva lämpö sykliä kohti on häviävän pieni. Tämä häviäminen ei johda näytteen lämpötilan merkittävään nousuun. Tiettyihin kumituotteisiin, kuten renkaiden kulutuspintoihin, säiliöiden raidelevyjen tyynyihin ja large kumiteloihin, kohdistuu kuitenkin huomattavia voimia niiden käytön aikana. Tämä voi johtaa tilanteisiin, joissa lämpöenergiaa syntyy enemmän kuin sitä haihtuu ympäristöön. Tuloksena on lämmön kertyminen (HBU) kumin sisällä, mikä voi lopulta johtaa tuotteen rikkoutumiseen puhkeamisen vuoksi (BO).
NETZSCH DMA 523 Eplexor® on optimaalinen ratkaisu mittausten suorittamiseen suurilla muodonmuutostasoilla sekä suurilla staattisilla ja dynaamisilla voimilla kahden itsenäisen käyttövoiman ansiosta. Tämä suuren voiman DMA mahdollistaa Goodrich Flexometer -testit ASTM D623- tai ISO 4666-3/ISO 4666-4 -standardin mukaisesti sekä näistä standardeista poikkeavat mittausparametrit asiakkaan vaatimusten mukaisesti.
Flexometritestauksen mahdollisuudet NETZSCH kanssaSuuren voiman DMA:t
HBU- ja BO-kokeita varten tarvitaan näytteenpidin, jossa on lämpöeristävät levyt, jotka täyttävät edellä mainitut standardit. Levyt on valmistettu laminaattimateriaalista, joka koostuu fenolipohjaisesta kestokovetteesta ja kovasta paperista. Ne on suunniteltu minimoimaan lämpöhäviö kuminäytteestä näytteenpitimeen, mikä simuloi pahinta mahdollista tilannetta jatkuvissa raskaissa dynaamisissa mekaanisissa kuormituksissa. Ylemmän näytteenpitimen keskelle on sijoitettu termopari, jolla mitataan tarkasti näytteen pintalämpötila.
Kaaviokuva tästä näytteenpitimestä on esitetty kuvassa 1a.
Näytteen sisäpuolen lämpötilatietojen saamiseksi NETZSCH tarjoaa kaksi vaihtoehtoa:
- Vaakasuora neulalämpöelementti, joka asetetaan käsin näytteen keskipisteen lähelle. Tätä voidaan käyttää lisälaitteena Flexometerin perusnäytteenpitimen kanssa. Tämä termoelementti mittaa lämpötilaa koko HBU-kokeen ajan. On suositeltavaa välttää vaakasuoran neulalämpöparin käyttöä BO-kokeiden aikana, koska se voi johtaa anturin vaurioitumiseen. Esimerkki tästä asetelmasta on esitetty kuvassa 1b.
- Erillinen näyteteline, jossa on Pertinax-levyjä, ja ylimääräinen pystysuora neulalämpöelementti asetetaan näytteeseen pneumaattisesti sen jälkeen, kun HBU-mittaus on suoritettu. Tässä kokoonpanossa näytteen pintalämpötilaa mittaava termopari on sijoitettu hieman epäkeskisesti. Kaaviokuva tämäntyyppisestä näytteenpitimestä on esitetty kuvassa 1c.
Lämmönkerääntymis- ja puhallustestin suorittaminen NETZSCH High-Force DMA -laitteilla
Varmista ennen mittauksen aloittamista, että NETZSCH DMA 523 Eplexor® on varustettu asianmukaisella voima-anturilla. Lisäksi terän jousijärjestelmä on mukautettava siten, että se kestää suurempia muodonmuutoksia. HBU- ja BO-testissä esiintyvien large voimien ja muodonmuutosten vuoksi on suositeltavaa käyttää vähintään voima-anturia, jonka nimellinen enimmäisvoima on 2500 N. Teräjousijärjestelmän molemmat teräksiset teräjouset on irrotettava löysäämällä liitosmutteri erikoisavaimilla. Käyttäjä voi suorittaa nämä vaiheet helposti muutamassa minuutissa. HBU- ja BO-testit on määritelty seuraavissa standardeissa: ASTM D623 tai ISO 4666/3, ISO 4666/4 ja JIS K 6265. Näytteen mittojen oletetaan olevan sylintereitä, joiden halkaisija on 17,8 mm ja korkeus 25 mm.
Perinteisistä Flexometer-testeistä saatujen tulosten, kuten lämpötilan ajallisen kehityksen ja lämpökiinnittymisen, lisäksi Flexometer-testit NETZSCH DMA 523 Eplexor® -laitteella antavat tietoa viskoelastisista ominaisuuksista, kuten varastointimoduulista (E'), häviömoduulista (E'') ja häviökertoimesta (tan δ).
Seuraavassa esitetään yhteenveto HBU- ja BO-kokeiden tyypillisistä parametreista.
- Lämmönkehityskokeet
Standardeissa ASTM D623ASTM D623 ja ISO 4666-3/ISO 4666-4 suositellaan HBU-kokeissa dynaamiseksi amplitudiksi 2,225 mm, 2,855 mm tai 3,175 mm. Useimmissa tapauksissa valitaan 2,225 mm:n vaihtoehto. Staattinen jännitys on 1 MPa. Mittaukset voidaan suorittaa joko huoneenlämmössä, 50 °C:ssa tai 100 °C:ssa, joista standardit suosittelevat kahta jälkimmäistä. Flexometer-asennuksen tarkkuus varmistetaan käyttämällä styreenibutadieenikumin (SBR) näytettä, jonka koostumus tunnetaan standardin mukaisesti. Lämpötilan nousun pitäisi olla 26,7 °C ± 1,1 °C sen jälkeen, kun HBU-testi on suoritettu 30 Hz:n taajuudella 25 minuutin ajan ympäristön lämpötilapisteessä 100 °C. - Blow-Out-testit
BO-testit suoritetaan HBU-testejä vastaavalla tavalla. Tärkein ero on se, että näytteeseen kohdistetaan suurempia kuormituksia. Tässä tapauksessa käytetään 1 MPa:n staattisen jännityksen sijasta 2 MPa:n staattista jännitystä. Vastaavasti dynaamisen muodonmuutoksen amplitudi nostetaan 3,125 mm:iin. Näin ollen staattista jännitystä nostetaan vastaavasti 2 MPa:han, kun taas taajuus pysyy muuttumattomana HBU-kokeisiin verrattuna.
On huomattava, että kumimateriaalin jäykkyydestä riippuen voi olla tarpeen poiketa standardissa esitetyistä ehdotetuista mittausparametreista. NETZSCH DMA 523 tarjoaa täyden joustavuuden DMA-testauslaitteille.
Koska staattiset testit ovat jännitysohjattuja, kuminäytteen halkaisija on mitattava luotettavasti sormitaltalla. Mittausparametrit syötetään valmiiksi konfiguroituihin pannumallitiedostoihin. HBU-testissä käyttäjän tarvitsee säätää vain tärkeimmät asetukset, kuten näytteen halkaisija.
Lämmön kertymisen ja puhalluksen testaus
Tyypillistä menettelyä ja Flexometrin testausmahdollisuuksia NETZSCH DMA 523 Eplexor® -laitteella havainnollistetaan kumikappaleen avulla.
a. Lämpötilan mittaustarkkuuden todentaminen SBR-vertailunäytteillä
Flexometrin näytteenpitimen asennuksen tarkkuus varmistetaan käyttämällä SBR-vertailunäytettä, kuten aiemmin mainittiin. Lämpötilan nousu esitetään kuvassa 3 kahdella eri SBR-vertailunäytteellä. Molemmat näytteet ovat hyvin toistettavissa ja ovat ASTM D623 -standardissa määritellyn lämpötilatoleranssin sisällä.
b. Lämpökertymä- ja puhallustestit pehmeälle kuminäytteelle
Kun lämpötilan mittauksen tarkkuus oli varmistettu Flexometer-näytteenpitimellä, kuminäytteet arvioitiin aluksi HBU-testausta varten vahvistetuilla mittausparametreilla. Tulokset esitetään kuvassa 4.
Lämpötila nousee ~36 °C 25 minuutin kuluttua. Lisäksi kaikissa kolmessa tutkittavassa näytteessä on havaittavissa kaksi erillistä lämpötila-aluetta. Ensimmäinen alue ulottuu siihen asti, kunnes lämpötila nousee lineaarisesti ajan myötä noin 10 minuutin kohdalla. Tämän alueen jälkeen lämpötilan kaltevuus alkaa jälleen kasvaa, kunnes se lopulta tasoittuu tasolle lähellä HBU-kokeen loppua.
Mielenkiintoista on, että lämpötilan nousu ja tan δ:n kasvu tapahtuvat samanaikaisesti. On tärkeää korostaa, että häviökerroin kuvastaa pikemminkin lämpötilan aiheuttamia muutoksia koko näytetilavuuden vaimennuksessa. Lämpötilan nousu mitataan vain kuminäytteiden yläpinnasta.
Tan δ laskee ensin alkuarvostaan ~0,15, mikä johtuu näytteen lämpötilan noususta. Häviökertoimen pieneneminen osoittaa, että näytteeseen kohdistuvan mekaanisen kokonaistyön elastinen vaste on suurempi. Saavutettuaan minimiarvon ~0,10 noin 5-6 minuutissa tan δ nousee kuitenkin vähitellen uudelleen, kunnes se saavuttaa uuden paikallisen maksimiarvon 0,12 18-19 minuutin mittauksen jälkeen. Kuvassa 5 esitetyn näytteen poikkileikkauksen mittauksen jälkeisen tarkastuksen perusteella oletetaan, että häviökertoimen kasvu johtuu onkaloiden muodostumisesta näytteen keskelle. Näytteen heikentynyt eheys mahdollistaa suuremman taipumisen, mikä johtaa häviökertoimen näennäiseen kasvuun. Tämä vaikutus ei kuitenkaan ole materiaalista johtuva, vaan se johtuu kaasukuplien muodostumisesta näytteen sisälle.
Lisääntynyt dynaamis-mekaaninen kuormitus johtaa nopeampaan lämpötilan nousuun ajan myötä. Näiden BO-testien tulokset esitetään kuvassa 6. Tässä kuvassa lämpötila kasvaa lähes lineaarisesti ajan myötä. BO-kokeiden lopussa lämpötilan nousuvauhti kuitenkin hidastuu ja päättyy lopulta kuminäytteiden murtumiseen äkilliseen puhkeamiseen. Korkein mitattu pintalämpötila ennen rikkoutumista on 54 °C.
Tan δ:n ajallinen kehitys on ominaisuuksiltaan verrattavissa HBU-testeissä havaittuihin ominaisuuksiin. Tässä tapauksessa häviökertoimen kasvu tapahtuu lyhyemmällä aikavälillä, koska näytteisiin kohdistuva suurempi mekaaninen työ johtaa onteloiden muodostumiseen aikaisemmin.
Lisätietoa saadaan käyttämällä pystysuoraa neulalämpöparia. Kun tämä ominaisuus aktivoidaan mittausta varten tällä Flexometer-näytteenpitimellä (kuva 1c), se havaitsee yhden lämpötilapisteen HBU-mittauksen jälkeen.
Pystysuora neulalämpöanturi työnnetään automaattisesti näytteen keskelle lämpötilan mittaamiseksi HBU-mittauksen päättymisen jälkeen. Tässä tutkittujen elastomeerien tapauksessa lämpötila nousi keskimäärin ~57 °C verrattuna näytteiden pinnalla havaittuun ~36 °C:een.
c. Kovakuminäytteen lämmönkehitystesti
Jos tämä yksittäinen mittauspiste ei riitä, on myös mahdollista asettaa manuaalisesti vaakasuora neulalämpöelementti näytteen keskelle, kuten kuvassa 1b on esitetty. Tämän mittausasetelman tulokset esitetään kuvassa 7. Tämä kokoonpano mahdollistaa lämpötilan tarkkailun koko HBU-mittauksen ajan.
On selvästi nähtävissä, että lämpötilan nousu näytteen keskellä (~68 °C) on huomattavasti suurempi kuin näytteen pinnalla (~20 °C). Näin ollen lämpötilan, jossa materiaalin puhallus tapahtuu, mittaamiseksi tarkasti olisi asetettava vaakasuora neulalämpöelementti. Sen käyttöön liittyy kuitenkin tietty haitta, jota käsitellään päätelmissä. On myös ilmeistä, että tan δ:n kaltevuus (vaikkakin käänteinen) on samanlainen kuin näytteen keskellä tapahtuvan lämpötilan nousun kaltevuus. Tämä osoittaa, että pintalämpötila ei riitä kuvaamaan koko näytetilavuuden viskoelastisten ominaisuuksien muutoksia, jotka tan δ antaa.
HBU-mittauksen päätyttyä asetetun pystysuoran neulalämpöparin lämpötila vastaa hyvin näytteessä havaittua lämpötilaa. On kuitenkin otettava huomioon, että on olemassa tietty viive, jonka aikana näytteen lämpötila laskee keskellä yli 10 °C:n verran.
Lämpötilavuuden merkitys lämmönkehityskokeiden aikana
NETZSCH DMA 523 mahdollistaa myös lämpötilavuuden samanaikaisen mittaamisen koko HBU-kokeen ajan. Tämän ominaisuuden avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä kumimateriaalin muotovakaudesta raskaiden dynaamisten kuormitusten aikana. Esimerkiksi säiliöraideleveyden pehmusteiden olisi säilyttävä mahdollisimman pitkälle alkuperäisessä muodossaan, jotta niiden toimivuus voidaan taata. Lämpökiinnittyneisyys mitataan näytteen pituuden perusteella, joka havaitaan ensimmäisessä mittauspisteessä HBU-kokeen dynaamisen jakson alussa eli liotusaikajakson päättymisen jälkeen.
Kuvassa 8 esitetään kahden SBR-vertailunäytteen termisen setin ja lämpötilan nousun kehitys. Ensimmäisten viiden minuutin aikana näytteen laajeneminen on hallitsevaa, koska näytteen lämpötila koko näytetilavuudessa nousee nopeimmin tämän ajanjakson aikana. Vasta kun lämpötilan nousu alkaa hidastua, näytteen pituus alkaa pienentyä. Kun näyte on laajentunut noin 1 % viiden minuutin kohdalla, laajeneminen kompensoituu näytteen pituuden pienenemisellä, joka johtuu SBR-näytteeseen kohdistuneesta suuresta dynaamisesta kuormituksesta.
Päätelmä
NETZSCH DMA 523 Eplexor® tarjoaa suoran pääsyn kumimateriaalien ja muidenkin materiaalien Flexometer-testaukseen. Se kerää tietoja elastomeerinäytteiden lämpötilakehityksestä ja niiden viskoelastisista ominaisuuksista, mikä antaa kaikki tarvittavat tiedot sellaisten kestävämpien kumituotteiden kehittämiseksi, jotka kestävät raskaita kuormituksia käytön aikana. Lisäksi kuminäytteiden muotovakautta voidaan mitata HBU-kokeen aikana havaitun lämpöasetelman avulla.
Laitteiden valintaan liittyy kuitenkin tiettyjä etuja ja haittoja sovelluksen kannalta:
- Flexometerin perusnäytteenpidin on suunniteltu havaitsemaan yläpinnan lämpötila HBU- ja BO-kokeiden koko keston ajan. Vaikka tämä voi olla riittävää elastomeeriyhdisteille, joilla on erilaiset lämpöhajoamisominaisuudet, tietyissä erilaisissa yhdisteissä pintalämpötilan nousu ei välttämättä eroa mittauksen aikana.
- NETZSCH tarjoaa kaksi ratkaisua, joilla saadaan enemmän tietoa elastomeeriyhdisteiden sisäpuolelta: Yhtäältä on Flexometer-näytteenottoteline, jossa on pystysuora neulalämpöparisto, ja toisaalta vaakasuora neulalämpöparisto, jota voidaan käyttää Flexometerin perusnäytteenottotelineen kanssa lisälaitteena.
- Ensimmäinen vaihtoehto on suunniteltu havaitsemaan vain yksi lämpötilan mittauspiste HBU-mittauksen päätyttyä. Toisin kuin manuaalisesti asetettavassa vaakasuorassa neulalämpöparissa, tämä toimenpide suoritetaan automaattisesti. Tämä toiminto vähentää käyttäjän tarvetta keksiä mittausten välillä, mikä lisää tehokkuutta ja johdonmukaisuutta.
- Vaakasuora neulalämpöparin avulla voidaan mitata lämpötila näytteen keskeltä koko mittauksen ajan. Tämä lisälaite vaatii kuitenkin manuaalisen asettamisen ennen koetta. Termoelementin asettaminen etukäteen voi heikentää näytteen rakennetta tuomalla halkeaman materiaaliin. Tämä puolestaan voi vaikuttaa mitattujen viskoelastisten ominaisuuksien tarkkuuteen. Lisäksi se voi mahdollisesti vaikuttaa onkaloiden muodostumiseen näytteen keskelle, koska kehittyvällä kaasuseoksella on helppo reitti diffundoitua pinnalle neulan termoparia pitkin. HBU- tai BO-mittausten perustavoitteena on tutkia rakenteellisesti koskematonta näytettä; tätä lisälaitetta olisi käytettävä ainoastaan lisäresurssina lämpökehityksen mahdollisia simulaatioita varten eikä perinteisten HBU- ja BO-kokeiden korvaajana neitseellisillä näytteillä. On tärkeää huomata, että lämpöparin ja näytteen välinen kitka sekä lämpöparin tehtävä johtaa lämpöä pois näytteen ytimestä ulospäin ovat vaikuttavia tekijöitä tätä lisälaitetta käytettäessä.