A NETZSCH DMA 523: Goodrich Flexometer képességek egyidejű dinamikai-mechanikai elemzéssel
Bevezetés
Az elasztomerek, mint viszkoelasztikus anyagok, alapvető szerepet játszanak számos iparágban. Felismerték, hogy a mechanikai viselkedés viszkózus komponense különböző disszipatív folyamatok miatt hő formájában energiaveszteséghez vezet. A tipikus DMA-mérések során small mintaméreteket, alacsony dinamikai amplitúdókat és alacsony frekvenciákat használnak, ami ciklusonként elhanyagolható disszipált hőt eredményez. Ez a disszipáció nem vezet releváns hőmérsékletnövekedéshez a mintában. Bizonyos gumitermékek, mint például a gumiabroncsok futófelületei, a tartálypálya betétjei és a large gumihengerek azonban jelentős erőt fejtenek ki a használat során. Ez olyan körülményeket eredményezhet, amikor több hőenergia keletkezik, mint amennyi a környezetbe elvezetésre kerül. Ennek eredménye a gumiban kialakuló hőfelhalmozódás (HBU), amely végül a termék kifulladás (BO) miatti meghibásodásához vezethet.
A NETZSCH DMA 523 Eplexor® a két független meghajtónak köszönhetően optimális megoldás a nagy deformációjú, valamint a nagy statikus és dinamikus erő alatti mérések elvégzésére. Ez a nagy erővel működő DMA lehetővé teszi a Goodrich Flexometer ASTM D623 vagy ISO 4666-3/ISO 4666-4 szabvány szerinti vizsgálatokat, valamint az ügyfél igényei alapján az ezen szabványoktól eltérő mérési paramétereket.
A flexométeres vizsgálat lehetőségei a NETZSCH oldalon.Nagy erősségű DMA-k
A HBU- és BO-kísérletekhez a fent említett szabványoknak megfelelő hőszigetelő lemezekkel ellátott mintatartó szükséges. A lemezek fenolalapú hőre keményedő anyagból és kemény papírból álló laminált anyagból készülnek. Ezeket úgy tervezték, hogy minimalizálják a gumimintából a mintatartóba történő hőveszteséget, ezáltal szimulálva a legrosszabb esetet állandó nagy dinamikus mechanikai terhelés mellett. A felső mintatartó közepén egy hőelem van elhelyezve a minta felületi hőmérsékletének pontos mérése érdekében.
A mintatartó vázlatos nézete az 1a. ábrán látható.
A minta belsejéből származó hőmérsékleti információk megszerzéséhez a NETZSCH két lehetőséget kínál:
- Egy vízszintes tűs termoelem, amelyet kézzel helyeznek el a minta középpontja közelében. Ez az alap Flexometer mintatartó kiegészítéseként használható. Ez a termoelem a HBU-kísérlet teljes időtartama alatt méri a hőmérsékletet. Javasoljuk, hogy a BO-kísérletek során kerülje a vízszintes tűs termoelem használatát, mivel ez az érzékelő károsodásához vezethet. Az 1b. ábra egy példát mutat erre a beállításra.
- A HBU-mérés elvégzése után egy külön mintatartót Pertinax-lemezekkel és egy további függőleges tűs termoelemet helyeznek pneumatikusan a mintába. Ebben az elrendezésben a minta felületi hőmérsékletét érzékelő termoelem kissé középen kívül helyezkedik el. Az 1c. ábra az ilyen típusú mintatartó vázlatos nézetét mutatja.
Hogyan kell elvégezni a hőfelhalmozódási és kirobbanási tesztet a NETZSCH High-Force DMA-kkal?
A mérés megkezdése előtt győződjön meg arról, hogy a NETZSCH DMA 523 Eplexor® megfelelően fel van-e szerelve a megfelelő erőérzékelővel. Ezenkívül a laprugórendszert úgy kell beállítani, hogy nagyobb deformációkat is elviseljen. A HBU- és BO-vizsgálat során fellépő large erők és deformációk miatt ajánlott legalább 2500 N névleges maximális erővel rendelkező erőérzékelőt használni. A laprugórendszer tekintetében mindkét acél laprugót a csatlakozó anya speciális kulcsokkal történő meglazításával kell levenni. Ezeket a lépéseket a felhasználó néhány perc alatt könnyen elvégezheti. A HBU és BO vizsgálatokat a következő szabványok határozzák meg: ASTM D623 vagy ISO 4666/3, ISO 4666/4 és JIS K 6265. A minta méretei várhatóan 17,8 mm átmérőjű és 25 mm magas hengerek.
A hagyományos Flexometer-vizsgálatok eredményei mellett, mint például az időbeli hőmérséklet-fejlődés és a termikus beállítás, a NETZSCH DMA 523 Eplexor® Flexometer-vizsgálatok a DMA 523 segítségével betekintést nyújtanak a viszkoelasztikus tulajdonságok tárolási modulusába (E'), veszteségmodulusába (E'') és veszteségtényezőjébe (tan δ) is.
A következőkben a HBU- és BO-kísérletek tipikus paramétereit foglaljuk össze.
- Hőfelépítési vizsgálatok
A HBU-vizsgálatokhoz az ASTM D623ASTM D623 és az ISO 4666-3/ISO 4666-4 szabvány 2,225 mm, 2,855 mm vagy 3,175 mm dinamikus amplitúdót javasol. A legtöbb esetben a 2,225 mm-es lehetőséget választják. A statikus feszültség 1 MPa. A méréseket szobahőmérsékleten, 50°C-on vagy 100°C-on lehet elvégezni, a szabványok az utóbbi kettőt javasolják. A Flexometer beállításának pontosságát a szabványban leírtak szerint ismert összetételű sztirol-butadién gumi (SBR) minta használatával igazolják. A hőmérséklet-emelkedésnek 26,7°C ± 1,1°C-nak kell lennie, miután a HBU-vizsgálatot 30 Hz-en 25 percig 100°C-os környezeti hőmérsékleten végezték. - Blow-Out vizsgálatok
A BO-vizsgálatokat a HBU-vizsgálatokhoz hasonló módon végzik. Az elsődleges különbség a próbadarab fokozott terhelésének alkalmazása. Az 1 MPa statikus feszültség helyett ebben az esetben 2 MPa statikus feszültséget alkalmaznak. Hasonlóképpen a dinamikus alakváltozás amplitúdója 3,125 mm-re nő. Következésképpen a statikus feszültséget ennek megfelelően 2 MPa-ra növeljük, miközben a frekvencia változatlan marad a HBU-vizsgálatokhoz képest.
Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a gumi anyag merevségétől függően szükség lehet a szabványban megadott javasolt mérési paraméterektől való eltérésre. A NETZSCH DMA 523 teljes rugalmasságot biztosít a DMA-vizsgálóberendezések számára.
Mivel a statika feszültségvezérelt, a gumiminta átmérőjének megbízható mérésére van szükség egy mérőkalapács segítségével. A mérési paramétereket az előre konfigurált serpenyősablonfájlokba kell beírni. HBU-vizsgálat esetén a felhasználónak csak a legfontosabb beállításokat, például a minta átmérőjét kell beállítania.
Hőfelhalmozódás és kirobbanás vizsgálata
A tipikus eljárást és a NETZSCH DMA 523 Eplexor® Flexométerrel végzett vizsgálat lehetőségeit egy gumimintával szemléltetjük.
a. A hőmérsékletmérés pontosságának ellenőrzése SBR referenciamintákkal
A Flexometer mintatartó beállításának pontosságát a korábban említett SBR referenciamintával igazolja. A hőmérséklet-emelkedést a 3. ábra mutatja két különböző SBR-referenciaminta esetében. Mindkét minta nagyfokú reprodukálhatóságot mutat, és az ASTM D623 szabványban meghatározott hőmérsékleti tűréshatáron belül van.
b. Hőfelépítési és kifúvási vizsgálatok puha gumimintán
A hőmérsékletmérés pontosságának a Flexometer mintatartóval történő ellenőrzése után a gumimintákat először a HBU-vizsgálathoz meghatározott mérési paraméterekkel értékelték. Az eredményeket a 4. ábra mutatja be.
A hőmérséklet 25 perc elteltével ~36°C-kal emelkedik. Ezen kívül mindhárom vizsgált minta esetében két különböző hőmérsékleti régió figyelhető meg. Az első régió addig terjed, amíg a hőmérséklet lineárisan növekszik az idővel kb. 10 percnél. Ezt a régiót követően a hőmérséklet meredeksége ismét növekedni kezd, míg végül a HBU-kísérlet vége felé egy plató értéket ér el.
Érdekes módon a hőmérséklet és a tan δ növekedése egyidejűleg következik be. Lényeges hangsúlyozni, hogy a veszteségtényező inkább a teljes mintatérfogat csillapításának hőmérséklet okozta változásait tükrözi. A hőmérsékletnövekedést csak a gumiminták felső felületén mértük.
A Tan δ először csökken a kezdeti ~0,15-ös értékről a mintán belüli hőmérsékletnövekedés miatt. A veszteségtényező csökkenése a mintára kifejtett teljes mechanikai munka nagyobb mértékű rugalmas válaszát jelzi. Miután azonban kb. 5-6 perc múlva eléri a ~0,10-es minimumot, a tan δ fokozatosan ismét emelkedik, amíg 18-19 perc mérési idő után el nem éri az új, 0,12-es helyi maximumot. A minta keresztmetszetének az 5. ábrán látható mérés utáni vizsgálata alapján feltételezhető, hogy a veszteségtényező növekedését a minta közepén belüli üregek kialakulása okozza. A minta csökkent integritása lehetővé teszi a fokozott hajlítást, ami a veszteségtényező látszólagos növekedéséhez vezet. Ez a hatás azonban nem anyagfüggetlen, hanem a minta belsejében kialakuló gázbuborékok okozzák.
A megnövekedett dinamikus-mechanikai terhelés idővel gyorsabb hőmérsékletnövekedéshez vezet. A BO-vizsgálatok eredményei a 6. ábrán láthatók. Ezen az ábrán a hőmérséklet az idő múlásával szinte lineárisan növekszik. A BO-vizsgálatok végén azonban a hőmérsékletnövekedés üteme lelassul, ami végül a gumiminták hirtelen kifújással történő törésével végződik. A tönkremenetel előtt mért legmagasabb felületi hőmérséklet 54 °C.
A tan δ időbeli alakulása a HBU-teszteknél megfigyeltekhez hasonló jellemzőket mutat. Ebben az esetben a veszteségtényező növekedése rövidebb időskálán következik be, mivel a mintákra kifejtett nagyobb mechanikai munka az üregek korábbi kialakulásához vezet.
A függőleges tűs hőelem használatával további információk nyerhetők. Ha ezzel a Flexometer-mintatartóval végzett méréshez aktiválják (1c. ábra), ez a funkció egyetlen hőmérsékleti pontot érzékel a HBU-mérés után.
A függőleges tűs termoelem automatikusan a minta közepébe kerül, hogy a HBU-mérés vége után a hőmérsékletet mérje. Az itt vizsgált elasztomerek esetében a hőmérséklet átlagosan ~57°C-kal emelkedett a minták felületén észlelt ~36°C-hoz képest.
c. Hőfelépítési vizsgálat keménygumi mintán
Ha ez az egyetlen mérési pont nem elegendő, akkor lehetőség van arra is, hogy kézzel egy vízszintes tűs termoelemet helyezzünk a minta közepébe, ahogy az 1b. ábrán látható. Ennek a mérési beállításnak az eredményei a 7. ábrán láthatók. Ez az elrendezés lehetővé teszi a hőmérséklet megfigyelését a teljes HBU-mérés során.
Jól látható, hogy a minta közepén a hőmérsékletnövekedés (~68°C) jelentősen nagyobb, mint a minta felületén észlelt (~20°C). Így annak a hőmérsékletnek a pontos méréséhez, amelynél az anyag kifúvása bekövetkezik, vízszintes tűs hőelemet kell behelyezni. Használatának azonban van egy bizonyos hátránya, amelyet a következtetésekben tárgyalunk. Az is nyilvánvalóvá válik, hogy a tan δ meredeksége (bár fordított) hasonló a minta középpontjában bekövetkező hőmérsékletnövekedés meredekségéhez. Ez rávilágít arra, hogy a felületi hőmérséklet nem elegendő a teljes mintatérfogat viszkoelasztikus tulajdonságaiban bekövetkező változások leírásához, amit a tan δ biztosít.
A HBU-mérés befejezése után behelyezett függőleges tűs hőelem hőmérséklete jól megfelel a mintában észlelt hőmérsékletnek. Figyelembe kell azonban venni, hogy létezik egy bizonyos késleltetés, amely alatt a minta hőmérséklete a középpontban több mint 10°C-kal csökken.
A termikus beállítás jelentősége a hőfelépítési kísérletek során
A NETZSCH DMA 523 lehetővé teszi a termikus beállítás egyidejű mérését a HBU-kísérlet teljes időtartama alatt. Ez a tulajdonság lehetővé teszi a gumi anyag alakstabilitására vonatkozó következtetések levonását a nagy dinamikus terhelés során. Például a tankpálya betéteknek a lehető legnagyobb mértékben meg kell maradniuk eredeti alakjukban, hogy garantálni lehessen a működőképességüket. A termikus készletet a HBU-kísérlet dinamikus szegmensének kezdetén, azaz az áztatási időszegmens vége után az első mérési ponton észlelt mintahossz alapján mérik.
A 8. ábrán két SBR-referenciaminta termikus készletének és hőmérséklet-emelkedésének alakulása látható. Az első öt percben a minta tágulása dominál, mivel a minta hőmérséklete a teljes mintatérfogatban ebben az időtartományban emelkedik a leggyorsabban. Csak amint a hőmérsékletnövekedés lassulni kezd, a minta hossza csökkenni kezd. Miután a minta az 5 perc elteltével körülbelül 1%-kal tágult, ezt a tágulást kompenzálja a minta hosszának csökkenése, amelyet az SBR-mintára ható nagy dinamikus terhelés okoz.
Következtetés
A NETZSCH DMA 523 Eplexor® egyszerű hozzáférést biztosít a gumianyagok flexométeres vizsgálatához és azon túlmenően. Adatokat gyűjt az elasztomer minták hőmérsékletének alakulásáról és viszkoelasztikus tulajdonságairól, így minden szükséges információt biztosít a tartósabb, a használat során nagy terheléseket is elviselő gumitermékek kifejlesztéséhez. Továbbá a HBU-kísérlet során észlelt termikus beállítás segítségével a gumiminták alakstabilitása is mérhető.
A berendezés kiválasztása azonban bizonyos előnyökkel és hátrányokkal jár az alkalmazás szempontjából:
- Az alap Flexometer mintatartó úgy van kialakítva, hogy a HBU- és BO-vizsgálatok teljes időtartama alatt érzékelje a felső felület hőmérsékletét. Míg ez elegendő lehet az eltérő hőbomlási tulajdonságokkal rendelkező elasztomer vegyületek esetében, bizonyos különböző vegyületeknél előfordulhat, hogy a mérés során nem mutatkozik különbség a felületi hőmérséklet-emelkedésükben.
- NETZSCH két megoldást kínál arra, hogy több információt nyerjünk az elasztomer vegyületek belsejéről: Egyrészt a Flexometer mintatartó függőleges tűs hőelemmel, másrészt a vízszintes tűs hőelem, amely az alap Flexometer mintatartóhoz kiegészítésként használható.
- Az első opciót úgy tervezték, hogy a HBU-mérés befejezése után csak egyetlen hőmérsékletmérési pontot érzékeljen. A kézzel behelyezett vízszintes tűs termoelemmel ellentétben ez az eljárás automatikusan történik. Ez a funkció csökkenti a mérések közötti felhasználói beavatkozás szükségességét, növelve a hatékonyságot és a következetességet.
- A vízszintes tűs termoelem lehetővé teszi a hőmérséklet mérését a minta középpontjában a mérés teljes időtartama alatt. Ez a kiegészítő azonban a kísérlet előtt kézzel történő behelyezést igényel. A termoelem előzetes behelyezése gyengítheti a minta szerkezetét azáltal, hogy repedés keletkezik az anyagban. Ez viszont befolyásolhatja a mért viszkoelasztikus tulajdonságok pontosságát. Ezenkívül potenciálisan befolyásolhatja a minta közepén lévő üregek kialakulását, mivel a fejlődő gázkeveréknek könnyű útja van a tűs termoelem mentén a felszínre diffundálni. A HBU- vagy BO-mérések alapvető célja a szerkezetileg érintetlen minta vizsgálata; ezt a kiegészítést kizárólag kiegészítő forrásként kell felhasználni a hőfelépítés lehetséges szimulációihoz, nem pedig a szűz mintákon végzett hagyományos HBU- és BO-kísérletek helyettesítésére. Fontos megjegyezni, hogy a termoelem és a minta közötti súrlódás, valamint a termoelemnek a mintamagból a hő külseje felé történő elvezetésében betöltött szerepe befolyásoló tényező e kiegészítő használata esetén.