Johdanto
Vaahtomuovit ovat pienen tiheytensä ansiosta monikäyttöisiä. Pehmeitä vaahtomuoveja käytetään esimerkiksi pehmustemateriaalina, äänenvaimennuksessa tai kolinasuojana. Erityisesti jäykkiä vaahtomuoveja käytetään eristysmateriaaleina, kengänpohjissa tai esimerkiksi komposiittirakenteiden täyttökerroksina. Kun pääpaino on lämmöneristysvaikutuksessa tai materiaalin kestävyydessä erilaisissa ympäristöolosuhteissa, käytetään yleensä suljettuja solumuovia. Erityisesti pehmeät vaahtomuovit sen sijaan ovat yleensä avosoluisia, jolloin kaasu pääsee poistumaan yksittäisistä soluista ja vaahtomuovi voi siten puristua joustavammin.
Yleisesti ottaen monet polymeerit soveltuvat vaahtojen lähtöaineiksi. Erityisen laajalti käytetään paisutettua polystyreeniä tai polyuretaanipohjaisia (PUR) vaahtoja. Valmistuksesta riippuen erilaisilla PUR-vaahdoilla voi olla hyvin erilaisia ominaisuuksia. Vaahtojen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys ja ristisilloittumisaste vaihtelevat suuresti riippuen puhallusaineen (vesi) määrästä, lisäaineiden lisäämisestä ja myös lähtöaineiden ketjun pituudesta, jolloin vaahtojen valikoima vaihtelee pehmeistä erittäin jäykkiin vaahtoihin.
Mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi on vakiintunut testaus classic -yleisvetokoelaitteilla. Staattisen muodonmuutoskäyttäytymisen ohella myös vaahdon vaimennus on usein sovelluksen kannalta keskeistä. Tässä DMA-menetelmällä voidaan antaa arvokas panos tallentamalla vaahtomuovien koko viskoelastinen käyttäytyminen. Tässä artikkelissa tutkitaan esimerkkinä pehmeää, avohuokoista PUR-vaahtoa.
Staattinen testaus
Staattisessa (kvasistaattisessa) testauksessa High Force DMA Gabo Eplexor® 500 N -laitteella käytetään hitaasti vaihtelevaa kuormitusta kuten yleistestauslaitteessa, ja siitä aiheutuvat voimat ja muodonmuutokset mitataan. Vaahtomuovien yleisten asennustilanteiden mukaan mittaus suoritetaan yleensä puristustilassa.
Kuvassa 1 on vasemmalla kuormittamaton näyte ja oikealla puristettu näyte osoitteessa Eplexor®. Voidaan huomata, että vain suhteellisen small poikittainen muodonmuutos tapahtuu, ja tässä voidaan olettaa, että materiaali on aluksi täysin kokoonpuristuvaa.
Ensin kirjataan staattiset jännitys-venymäkäyrät. Kertaluonteisten vaikutusten poissulkemiseksi vaahtomuovinäyte kuormitetaan ja puretaan yleensä kahdesti, jolloin kuvassa 2 esitetään vain toinen kuormitussykli.
Tässä näkyy kolmijännitys-venymäkäyrä, joka on tyypillinen pehmeäelastisille vaahtomuoveille; vertaa esimerkiksi (Keller, 2019). Suhteellisen small rasituksissa solut deformoituvat vain vähän ja materiaali käyttäytyy likimain lineaaris-elastisesti. Jännityksen kasvaessa avosoluisen vaahdon solut romahtavat. Koska ilmaa joutuu tässä prosessissa poistumaan soluista, tulokset ovat muodonmuutosnopeuden funktio. Tällä tasangon alueella muodonmuutokseen tarvittava jännitys kasvaa vain hitaasti. Hyvin suurilla rasitustasoilla (tässä noin 50 %:sta alkaen) jo luhistuneet solut puristuvat edelleen, ja jännitys kasvaa jälleen voimakkaammin. Myöhemmin tapahtuvan purkautumisen aikana vaaditut jännitykset ovat vain hieman pienempiä, mikä johtuu tällä välin tapahtuneesta energian häviämisestä, ja syntyy tyypillinen hystereesi.
ISO 3386 -standardin mukaan puristuskovuus määritetään tarvittavana jännityksenä 40 %:n kasvavalla venymällä; tässä tapauksessa puristuskovuus on σd 40 = 0,12 MPa. Hystereesin alue mahdollistaa materiaalin vaimennuksen karkean arvioinnin. PUR-vaahtojen vaimennuskyky vaihtelee huomattavasti.
Kuvassa 3 esitetään kaavamaisesti erilaisia hystereesikäyriä. Vaimennuskäyttäytymisen perusteella PUR-vaahdot voidaan luokitella medium vaimentaviin (tyyppi A), voimakkaasti vaimentaviin (tyyppi B) ja heikosti vaimentaviin (tyyppi C). Näin ollen tutkittu näyte voidaan luokitella enemmän tyyppiin C.
Vaihtoehtona tässä käytetylle kokopintakuormitukselle vaahtomuoville tehdään usein tunkeutumistestejä. Tällöin näytteeseen painetaan ylemmän sauvan sijasta pienempi kappale. Tähän vaadittavaa voimaa kutsutaan sisennyskovuudeksi.
Dynaaminen testaus
DMA:n staattisessa pyyhkäisyssä käytetään staattista kuormitusta kussakin vaiheessa, minkä jälkeen suoritetaan dynaaminen värähtelykoe tässä tilassa. Näin Youngin moduuli voidaan mitata suoraan tässä kohdassa ja siten myös vaimennus voidaan määrittää paikallisesti.
Vaahtomuovinäytettä venytetään jälleen staattisesti portaittain 70 prosenttiin asti. Kuvassa 4 näkyy sama käyttäytyminen kuin staattisissa testeissä: Näyte käyttäytyy suunnilleen lineaarisesti small -venymissä, mutta sen jälkeen se kehittyy jousen ominaispiirteeksi, kun venymä kasvaa. Lopulliselle puristukselle on tällöin jälleen ominaista jousen jäykkyys, joka kasvaa staattisen muodonmuutoksen myötä ja jota voidaan näin ollen luonnehtia progressiiviseksi jousen jäykkyydeksi.
DMA:n avulla voidaan mitata Youngin moduuli jokaisessa pisteessä dynaamisen värähtelyn vuoksi. Odotetusti moduuli laskee aluksi small -alueella, on sen jälkeen suhteellisen vakio ja kasvaa jälleen puristuksen kasvaessa. DMA:n avulla mitattu moduuli käyttäytyy siis täsmälleen samoin kuin tangenttimoduuli staattisen testin arvioinnin jälkeen.
Mekaanisissa testauslaitteissa näytteen Youngin moduulia ei mitata suoraan, vaan jäykkyys määritetään ensin mitattavien voimien ja muodonmuutosten perusteella. Näytteen geometriasta ja materiaalimallista riippuen Youngin moduuli lasketaan sitten. Koska vaahtomuovi käyttäytyy suurelta osin kokoonpuristuvana, poikkipinta-ala ei muutu merkittävästi muodonmuutoksen aikana. Näin ollen näytteeseen vaikuttava jännitys voidaan laskea; se ilmaistaan aina seuraavasti:
σ = F/A0
Tässä F on voima ja A0 nimellinen alkuperäinen poikkileikkaus.
Koska näytteen pituus muuttuu huomattavasti, dynaaminen rasitus on aina suhteutettava näytteen nykyiseen pituuteen, ts,
ε = ΔL/Lm
muodonmuutoksen ΔL ja näytteen nykyisen pituuden Lm kanssa. Näin saadaan moduulin laskennassa käytettävä geometriakerroin Lm / A0.
Tämä kerroin pätee yleensä kokoonpuristuville materiaaleille, ja se voidaan valita suoraan Eplexor® -ohjelmistossa.
Staattisessa testauksessa vaahdon vaimennuskäyttäytymistä voidaan luonnehtia koko muodonmuutoksen hystereesin perusteella. DMA mahdollistaa tarkemman karakterisoinnin, koska paikallinen vaimennus voidaan määrittää kullekin staattiselle kuormitukselle. On selvää, että vaahdolla on vain alhainen vaimennuskapasiteetti small muodonmuutosten alueella. Vaimennus (tässä tan δ) pysyy suhteellisen vakiona platea-alueella ja kasvaa sitten jälleen puristusalueella. Näin ollen DMA:n avulla voidaan määrittää vaimennuskapasiteetti oikein kuormitetussa tilassa.
Epälineaarinen materiaalikäyttäytyminen on täysin analogista, kun dynaamisen värähtelyn värähtelyamplitudia kasvatetaan. Kuvassa 5 on esitetty dynaamisen värähtelyjakson vastaava hystereesi (10 prosentin dynaamisella venymäamplitudilla) eri staattisilla venymätasoilla. Youngin moduuli saadaan jälleen jännitys-venymädiagrammin kaltevuudesta. Voidaan nähdä, että jäykkyys aluksi pienenee small staattisten rasitusten alueella (degressiivinen jäykkyys) ja kasvaa sitten uudelleen large rasituksissa (progressiivinen jäykkyys). Dynaamisilla amplitudilla large tämä käyttäytyminen näkyy myös hystereesin muodonmuutoksessa. Vaimennuksen lisääntyminen staattisen esijännityksen myötä on havaittavissa myös large hystereesin alueella.
Lämpötilakäyttäytyminen
Mekaanisen epälineaarisen materiaalikäyttäytymisen mittaamisen lisäksi DMA Gabo Eplexor® mahdollistaa erityisesti termomekaanisen analyysin tekemisen. Näin ollen aiemmin suoritetut analyysit ovat mahdollisia myös korkeissa lämpötiloissa tai jäätymispisteen alapuolella. Terminen karakterisointi suoritetaan useimmiten small amplitudien lineaarisella alueella. Vaahdon voimakkaan eristävän vaikutuksen vuoksi valittiin alhainen lämmitysnopeus 2 K/min.
Suoran lämpötilakäyttäytymisen ohella materiaalin ominaisuudet taajuuksilla, joita ei voida suoraan mitata, ovat usein kiinnostavia. Tämä koskee esimerkiksi vaahtomuovien käyttöä akustiseen vaimennukseen. Tällöin voidaan käyttää aika-lämpötila-superpositiomenetelmää pääkäyrien muodostamiseen. Näin voidaan myös tehdä päätelmiä materiaalin käyttäytymisestä paljon korkeammilla taajuuksilla.
Yhteenveto
DMA Gabo Eplexor® 500 N tarjoaa riittävät voimavarat vaahtojen mittaamiseen merkityksellisen kokoisina, jotta epälineaarinen ja ajasta riippuvainen mekaaninen käyttäytyminen voidaan luonnehtia. Jännitys-muodonmuutosdiagrammista saatavien tietojen lisäksi DMA:ta voidaan käyttää myös jäykkyyden ja vaimennuksen määrittämiseen puristetussa tilassa. Lisäksi DMA:lla voidaan määrittää lämpötilakäyttäytyminen ja pääkäyrätekniikan avulla myös Youngin moduuli korkeilla taajuuksilla yhdellä ainoalla laitteella. Näin voidaan karakterisoida vaahtomuovit erilaisia sovellustilanteita varten.