Introduction
La compréhension des propriétés viscoélastiques des polymères est essentielle à leur utilisation dans de nombreuses applications, notamment dans le domaine des articles de sport. Les polymères et composites polymères haute performance ont révolutionné l’industrie du sport en offrant aux utilisateurs des équipements résistants, confortables, précis et durables [1]). Les polymères et les composites polymères constituent la base d’une journée d’activité : ils composent les revêtements de sol utilisés dans les installations sportives intérieures et extérieures, les semelles de chaussures, les mailles des filets, les cordages des raquettes, etc. La capacité à évaluer les propriétés thermiques et les performances physiques de ces matériaux est essentielle à leur conception, à leur fabrication et à leur utilisation finale.
L’analyse mécanique dynamique (DMA) est principalement utilisée pour analyser les propriétés viscoélastiques des matériaux polymères, mais elle sert également à mesurer des métaux, des céramiques ou à simuler des conditions mécaniques spécifiques. L’ NETZSCH DMA 303 Eplexor® est un appareil de paillasse polyvalent capable de mesurer sur une plage de températures allant de -170 °C à 800 °C (-274 °F à 1 472 °F), en appliquant des forces comprises entre 1 mN et 50 N, et fonctionnant à des fréquences comprises entre 0,001 et 150 Hz. Dans cette étude, trois cordages de badminton haute performance différents ont été testés à l’aide de l’analyse mécanique dynamique (DMA). La conception moderne des cordages de badminton comprend plusieurs matériaux, couches et revêtements [2]. Les trois échantillons testés présentent tous la même structure de base : une âme multifilament en nylon entourée de fibres de nylon tressées. L’échantillon 1 est doté d’un revêtement à base d’hydrure de titane, tandis que les échantillons 2 et 3 sont dotés d’un revêtement composé de nanotubes de carbone de type « cup-stack ». Du point de vue des performances, le fabricant classe les différentes cordes selon différents niveaux, dont le récapitulatif est présenté dans le tableau 1.
Tableau 1 : Caractéristiques techniques des trois cordages de badminton fournies par le fabricant.
| Variable | Échantillon 1 (note sur 10) | Échantillon 2 (Note sur 10) | Échantillon 3 (Note sur 10) |
|---|---|---|---|
| Puissance de rebond | 7 | 8 | 9 |
| Durabilité | 7 | 10 | 7 |
| Son à l'impact | 7 | 7 | 8 |
| Absorption des chocs | 6 | 6 | 8 |
| Contrôle | 6 | 6 | 10 |
L’objectif principal de cette étude est de mettre en relation les propriétés viscoélastiques mesurées par l’analyse DMA avec les critères de performance indiqués par le fabricant dans le tableau 1. Le module de stockage (E’) décrit la capacité du matériau à stocker et à libérer de l’énergie (à l’instar d’un ressort), ce qui peut être directement lié à la puissance de répulsion indiquée. Le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte (E”) décrit la dissipation d’énergie par le matériau (généralement par frottement interne) ; enfin, le facteur d’amortissement (tan δ) correspond au rapport entre E” et E’ (il indique dans quelle mesure un matériau amortit une force appliquée). Par conséquent, tant l’absorption des bruits d’impact que celle des chocs sont directement liées aux propriétés de E” et de tan δ. De plus, des paramètres tels que la durabilité peuvent être étudiés en effectuant des essais en fonction d’une force croissante plutôt qu’en fonction de la température.
Essais DMA pour l'évaluation des propriétés viscoélastiques et la simulation d'applications
Afin de déterminer les propriétés viscoélastiques des trois cordages de badminton, un balayage thermique standard a été réalisé sur chaque échantillon en traction (représentation visuelle à la figure 1), à l'aide de l'NETZSCH DMA 303 Eplexor®, dans une plage de températures allant de -150 à 150 °C.
Le tableau 2 résume les différentes zones de transition de chaque échantillon. Le profil viscoélastique de l'échantillon 1 en fonction de la température est présenté à la figure 2, celui de l'échantillon 2 à la figure 3 et celui de l'échantillon 3 à la figure 4 ; tous les échantillons ont été testés en traction. D'après les figures 2 à 4, les échantillons 2 et 3 présentent des profils et des zones de transition très similaires, contrairement à l'échantillon 1 (qui possède un revêtement différent) dont les caractéristiques sont nettement différentes. Le nylon est un polyamide aliphatique généralement classé selon des indices numériques (6, 66, 11, 12), qui présentent tous une transition vitreuse se situant entre 40 et 95 °C. Il est donc très intéressant d’étudier les autres transitions observées à des températures inférieures à la température ambiante.
Tableau 2 : Transitions thermiques des échantillons 1, 2 et 3, exprimées en E’, E” et tan δ. Tous les échantillons ont été analysés en traction avec une déformation dynamique de 10 μm, un facteur de proportionnalité de 1,3 et une vitesse de chauffage de 2 °C/min.
| Transition | Début de la transition | E” Pic | tan δ |
|---|---|---|---|
Échantillon 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8 382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4 242 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 |
Échantillon 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7 001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3 813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Échantillon 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5 722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3 018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
D'après les figures 2 à 4, il est également important de prendre en compte l'effet de la température sur les propriétés viscoélastiques des cordages. Le badminton est généralement un sport pratiqué en salle, mais qu'en est-il lorsqu'on y joue à l'extérieur ?
La figure 5 présente le profil thermique de l'échantillon 1 entre 0 et 50 °C. Par une fraîche journée d'automne à 4 °C, les cordes seraient 2,3 fois plus rigides qu'à température ambiante (25 °C) ou 3,0 fois plus rigides que lors d'une chaude journée d'été à 35 °C. Cependant, le facteur d'amortissement ne suit pas exactement la même tendance : il n'est que 1,1 fois plus élevé à 4 °C qu'à 25 °C, et 1,3 fois plus élevé à 4 °C qu'à 35 °C. Par conséquent, même si les cordes sont plus rigides et présentent moins de souplesse lors de l’impact avec le volant, la quantité d’énergie absorbée par les cordes, et non transmise à l’impact, resterait similaire.
L'un des principaux objectifs de ces essais est de comprendre comment les cordages de badminton se comporteraient dans le cadre de leur utilisation prévue. C’est pourquoi les trois mêmes échantillons ont été soumis à un essai de flexion en trois points afin d’évaluer leurs propriétés de flexion (distance de flexion de 20 mm pour analyser une section finie du maillage global de la raquette), simulant ainsi leur comportement une fois tendus sur la raquette et utilisés pour frapper le volant. Le montage d’essai, avec le cordage tendu en flexion, est illustré à la figure 6.
Afin d'évaluer les performances en flexion à trois points, deux cycles de charge différents ont été réalisés à température ambiante pour mesurer les propriétés. La figure 7 illustre l'effet d'une déformation dynamique croissante (restée inférieure à 0,7 N).
La figure 8 illustre la variation de la longueur des échantillons en fonction de l'augmentation de la force.
La figure 7 montre qu’à température ambiante, on observe une nette différence entre les propriétés mécaniques des trois cordes. Pour une amplitude indicative de 50 μm, l'échantillon 1 présente les valeurs de module les plus faibles (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), l'échantillon 2 les plus élevées (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), tandis que l’échantillon 3 se situe entre les deux (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Étant donné que le facteur d’amortissement est le rapport entre le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte et le module de stockage, cela signifie que l’échantillon 1 présente les propriétés d’amortissement les plus élevées (0,14), suivi de l’échantillon 3 (0,09), puis de l’échantillon 2 (0,09). Ces valeurs ne correspondent pas directement à celles indiquées par le fabricant dans le tableau 1, mais il est très important de prendre en compte l’influence des trois paramètres viscoélastiques sur les performances, ainsi que l’importance de la température à laquelle les essais ont été réalisés, comme le montre la figure 5.
Enfin, la figure 8 met en évidence l’évolution de la longueur des échantillons en fonction de l’augmentation de la force dynamique. Il s’agit d’un élément important pour déterminer la force qu’un élément de corde unique peut supporter sans subir de déformation significative. L'échantillon 3 présente la plus grande déformation, ce qui laisse supposer qu'il est probablement le moins résistant des trois en raison de sa tendance à se déformer (ce résultat concorde avec le tableau 1). Il est important de noter que ces échantillons, soumis à une flexion en trois points, ont été tendus à la main, ce qui peut accroître la variation entre les mesures absolues.
Résumé
Le développement de polymères et de composites polymères haute performance a révolutionné le monde des articles de sport. Dans cet article, nous avons montré comment l’ NETZSCH DMA 303 Eplexor® pouvait être utilisé pour évaluer, comparer et simuler les performances de trois cordages de badminton différents selon divers paramètres. Des rampes de température ont été réalisées afin de déterminer les températures de transition des trois échantillons et d’évaluer leurs performances aux différentes températures auxquelles ils pourraient être exposés à l’extérieur. Des balayages de charge ont été effectués pour évaluer les propriétés mécaniques des cordages à température ambiante et pour comprendre leur comportement face à une charge appliquée dans la direction où les cordages frapperaient un volant.