Bevezetés
A dinamikus-mechanikai hőelemzés (DMTA) módszere ma már jól bevált a gumi és gumiabroncsok anyagkutatásában. Az új keverékek kifejlesztéséhez, például a gumiabroncs-iparban, részletes információkra van szükség az alkalmazott anyagok mechanikai tulajdonságairól. Ez magában foglalja az E' tárolási modulust, az E" veszteségmodult és a tanδ veszteségtényezőt tartalmazó viszkoelasztikus anyagadatok meghatározását a hőmérséklet, a gerjesztési frekvencia és a külső deformáció (pl. alakváltozás) függvényében.
Igen népszerű a partkeménység-vizsgálat. Sajnos a partkeménység-vizsgálatokkal kapott viszkoelasztikus tulajdonságokra vonatkozó információk bizonyos jelentős területeken hiányoznak. A vegyületek hőmérséklet- és frekvenciafüggéséről egyáltalán nem állnak rendelkezésre adatok. Továbbá nem mérik a mintákra a partoldali vizsgálat során alkalmazott deformációt.
Csak a DMTA-vizsgálatok képesek a kívánt eredményekre. Mivel az elasztomerrendszerek viszkoelasztikus tulajdonságai (E', E", tanδ) a külsőleg alkalmazott deformációtól függenek, a hőmérsékletméréseket a teljes alkalmazási hőmérséklet-tartományban állandó alakváltozási amplitúdók mellett kell elvégezni.
A gumikeverékek nagy merevsége miatt az üvegesedési Tg alatti hőmérsékleten nagy erőszintekre van szükség a szükséges statikus és dinamikus deformációk eléréséhez.
A nyomóvizsgálatokhoz általában 10 mm magas és átmérőjű hengeres mintákat ("Roelig" minták) használnak.
Az E' modulus 3000 MPa, ami üveges állapotban tipikus érték, a műszer vizsgálati kapacitása +/-50 N dinamikus erőamplitúdót igényel a kb. 2 μm-es kimutatható nyúlás létrehozásához. Ez a klasszikus laboratóriumi DMA műszerekkel nem érhető el. Különösen alkalmas ezekre a feladatokra a Eplexor® 500 N a NETZSCH GABO Instruments (lásd az 1. ábrát).
Az olyan DMTA-rendszerek, mint a Eplexor® sorozat a NETZSCH GABO Instruments által, nagy teljesítményű meghajtókkal vannak felszerelve a megfelelő amplitúdójú, nagy erőszintek megvalósításához.
A minőség-ellenőrzésben (QC) azonban az időigényes hőmérséklet-söprések gazdaságossági okokból kényelmetlenek. A QC-vizsgálatokat nagyon gyorsan kell elvégezni. Egy QC-vizsgálatot, beleértve a minta előkészítését is, legfeljebb 20 perc alatt kell elvégezni. Ez az alkalmazási megjegyzés bemutatja, hogy a hőmérsékletmérések hogyan helyettesíthetők a Tg-érték közelében végzett frekvencia mérésekkel.
A butilgumi (BR) és a SBR 1500 hőmérsékletfüggése
Az összes hőmérsékletmérést a minta kezdeti hosszához (10 mm minden minta esetében) viszonyított 4%-os statikus alakváltozással végezték -80°C és 80°C közötti hőmérséklet-tartományban. Az alkalmazott dinamikus alakváltozás amplitúdója ± 0,2%; a vizsgálati frekvencia 10 Hz.
A 2. ábra a töltött (50 phr SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása. korom) és a töltetlen BR Komplex modulusA komplex modulus két komponensből, a tárolási és a veszteségmodulból áll. A tárolási modulus (vagy Young-modulus) a merevséget, a veszteségmodul pedig a megfelelő minta csillapítási (vagy viszkoelasztikus) viselkedését írja le a dinamikus mechanikai analízis (DMA) módszerével. komplex modulusát mutatja a hőmérséklet függvényében.
A szénfeketetartalom miatt a töltött BR modulusa 0°C feletti hőmérsékleten körülbelül 10-szer nagyobb, mint a tiszta BR modulusa.
A töltött és a töltetlen BR-rendszerek (3. ábra) nagyon széles üvegesedési átmeneti területet mutatnak, amely körülbelül 50 K hőmérséklet-tartományt fed le (a tanδ-csúcs félszélessége). A két rendszer tanδ csúcsmagassága azonban jelentősen eltér egymástól (töltött: a tanδ csúcs maximuma 0,75, töltetlen: a tanδ csúcs maximuma 1,3).
A 4. és 5. ábra a második vizsgált rendszer Komplex modulusA komplex modulus két komponensből, a tárolási és a veszteségmodulból áll. A tárolási modulus (vagy Young-modulus) a merevséget, a veszteségmodul pedig a megfelelő minta csillapítási (vagy viszkoelasztikus) viselkedését írja le a dinamikus mechanikai analízis (DMA) módszerével. komplex modulusát és tanδ értékét mutatja. Ismét egy töltött és egy töltetlen rendszert jellemeztünk, de ezúttal SBR 1500 alapján. A tiszta SBR sokkal keskenyebb üvegesedési csúcsot mutat, mint a BR rendszer. Ennek az üvegesedési átmenetnek a félértékszélessége mindössze 20 K. A korábbiakhoz hasonlóan a töltetlen SBR Komplex modulusA komplex modulus két komponensből, a tárolási és a veszteségmodulból áll. A tárolási modulus (vagy Young-modulus) a merevséget, a veszteségmodul pedig a megfelelő minta csillapítási (vagy viszkoelasztikus) viselkedését írja le a dinamikus mechanikai analízis (DMA) módszerével. komplex modulusának [E*] abszolút értékei a Tg alatti közel 3000 MPa értékről a Tg feletti 5 MPa alatti értékekre esnek vissza. A töltött rendszerek [E*] értéke - a Tg feletti hőmérsékleten - kétszerese a töltetlen SBR 1500-nak.
Szöveg beillesztése
Töltött és nem töltött gumirendszereken végzett frekvenciavizsgálatok
A 6. ábra a két butilgumi rendszer frekvenciafüggését mutatja be. A töltött rendszer (BR - 50 phr 23°C-on) komplex modulusa (E*, abszolút értékként ábrázolva) egyszerűen magasabb szintre tolódik, mint a töltetlen BR-é (BR - töltetlen 23°C-on). Környezeti hőmérsékleten a töltött (BR - 50 phr 23°C-on) és a töltetlen (BR - töltetlen 23°C-on) BR-keverékek vonalalakja nagyon hasonló, ami a töltött és a töltetlen gumi azonos frekvenciaviselkedésére utal.
A T = -20°C hőmérsékletű üvegesedési átmeneti tartományban a helyzet teljesen más. A töltetlen BR a [E*] görbe meredeksége a frekvencia növekedésével sokkal nagyobb, mint a töltött rendszeré.
Hasonló eredmények kaphatók a töltött és a töltetlen SBR 1500 rendszerekre (7. ábra). A várakozásoknak megfelelően a töltött rendszer (SBR 1500 - 50 phr 23°C-on) általában magasabb értékeket mutat a Komplex modulusA komplex modulus két komponensből, a tárolási és a veszteségmodulból áll. A tárolási modulus (vagy Young-modulus) a merevséget, a veszteségmodul pedig a megfelelő minta csillapítási (vagy viszkoelasztikus) viselkedését írja le a dinamikus mechanikai analízis (DMA) módszerével. komplex modulus [E*] értékére, mint a töltetlen (SBR 1500 - töltetlen 23°C-on). A két görbe meredeksége szobahőmérsékleten nem különbözik jelentősen. Ismét -20°C-on large különbségek mutathatók ki a vonal alakjában, amelyek lehetővé teszik a különböző töltőanyag-tartalmak megkülönböztetését az E* abszolút értékeinek elemzésével, ahogyan azt korábban tárgyaltuk.
Összefoglaló
Large a (10 mm átmérőjű) gumimintákat csak nagy erővel működő DMA-műszerekkel, például a NETZSCH GABO Instruments Eplexor® 500 N készülékével lehet kompressziós üzemmódban vizsgálni.
Arra a kérdésre, hogy az E* milyen módon függ a koromtartalomtól, különböző hőmérsékleten, termikus egyensúlyban végzett frekvenciapásztázásokkal lehet választ adni. Az idő-hőmérséklet vagy frekvencia-hőmérséklet szuperpozíció elve miatt a frekvencia változtatása állandó hőmérséklet fenntartása mellett ugyanazt az információt szolgáltatja, mint a hőmérsékletmérés.
A frekvenciamérés általában csak kb. 5 percet vesz igénybe, ami drasztikusan felgyorsítja a vizsgálati eljárást a hagyományos hőmérsékleti mérésekhez képest, amelyek kb. 2 órát vesznek igénybe.
A vizsgálati eredmények azt is mutatják, hogy a Tg-érték közelében végzett frekvenciapásztázások lehetővé teszik a különböző koromtartalmú gumi anyagok megkülönböztetését meglehetősen gyors elemzéssel.