Bevezetés
A polimerek viszkoelasztikus tulajdonságainak megértése elengedhetetlen azok számos alkalmazási területen – többek között a sportcikkek gyártásában – történő felhasználásához. A nagy teljesítményű polimerek és polimer kompozitok forradalmasították a sportipart azzal, hogy tartós, kényelmes, precíz és hosszú élettartamú felszereléseket biztosítanak a felhasználók számára [1]). A polimerek és a polimer kompozitok képezik az aktív nap alapját: ezekből készülnek a beltéri és kültéri sportlétesítményekben használt padlóburkolatok, a cipők talpai, a hálók szövetanyaga, az ütők húrai stb. Ezen anyagok hőtechnikai tulajdonságainak és fizikai teljesítményének értékelése elengedhetetlen a tervezésük, gyártásuk és végső felhasználásuk szempontjából.
A dinamikus mechanikai elemzést (DMA) elsősorban a polimer anyagok viszkoelasztikus tulajdonságainak elemzésére használják, de fémek és kerámiák mérésére, illetve specifikus mechanikai feltételek szimulálására is alkalmazzák. A NETZSCH DMA 303 Eplexor® egy sokoldalú asztali készülék, amely -170 °C és 800 °C (-274 °F és 1472 °F) közötti hőmérsékleti tartományban képes méréseket végezni, 1 mN és 50 N közötti erőket alkalmazva, és 0,001–150 Hz közötti frekvenciákon működik. Ebben a tanulmányban három különböző, nagy teljesítményű tollaslabda-húrt teszteltek dinamikus mechanikai elemzés (DMA) segítségével. A modern tollaslabda-húrok kialakítása több anyagot, réteget és bevonatot tartalmaz [2]. Mindhárom vizsgált minta azonos alapszerkezetű: fonott nejlon szálakkal körülvett nejlon multifilament mag. Az 1. minta titán-hidrid bevonattal rendelkezik, míg a 2. és 3. minta összetett, cup-stack szerkezetű szén-nanocső bevonattal van ellátva. Teljesítmény szempontjából a gyártó osztályozza a különböző húrokat; ennek összefoglalását az 1. táblázat tartalmazza.
1. táblázat: A gyártó által megadott három tollaslabda-húr tulajdonságai.
| Változó | 1. minta (10-es skálán) | 2. minta (10-es skálán) | 3. minta (10-es skálán) |
|---|---|---|---|
| Visszapattanási erő | 7 | 8 | 9 |
| Tartósság | 7 | 10 | 7 |
| Ütéshang | 7 | 7 | 8 |
| Lengéscsillapítás | 6 | 6 | 8 |
| Vezérlés | 6 | 6 | 10 |
A tanulmány elsődleges célja, hogy összehasonlítsa a DMA-val mért viszkoelasztikus tulajdonságokat a gyártó által az 1. táblázatban megadott teljesítménykritériumokkal. A tárolási modulus (E’) az anyagok energia-tárolási és -leadási képességét írja le (hasonlóan egy rugóhoz), ami közvetlenül összefüggésbe hozható a megadott taszítóerővel. A Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus (E”) az anyagok energiaelnyelését (jellemzően belső súrlódás révén) írja le, végül a csillapítási tényező (tan δ) az E” és az E’ aránya (amely leírja, hogy az anyag milyen mértékben csillapítja a rá ható erőt). Ezért mind az ütéshang, mind az ütéselnyelés közvetlenül összefügg az E” és a tan δ tulajdonságaival. Ezen felül olyan paraméterek, mint például a tartósság, a hőmérséklet helyett a növekvő erő függvényében végzett vizsgálatokkal is feltárhatók.
DMA-vizsgálat a viszkoelasztikus tulajdonságok meghatározásához és az alkalmazás szimulációjához
A három tollaslabda-húr viszkoelasztikus tulajdonságainak meghatározása érdekében minden mintán standard hőmérséklet-átfutási vizsgálatot végeztünk szakítóigény alatt (lásd az 1. ábrát), az NETZSCH DMA 303 Eplexor® készülékkel, -150 és 150 °C közötti hőmérsékleti tartományban.
A 2. táblázat összefoglalja az egyes minták különböző átmeneti tartományait. Az 1. minta viszkoelasztikus profilját a hőmérséklet függvényében a 2. ábra, a 2. mintaét a 3. ábra, a 3. mintaét pedig a 4. ábra mutatja be; valamennyi mintát szakítópróbával mértük. A 2–4. ábrákból látható, hogy a 2. és a 3. minta profilja és átmeneti zónája nagyon hasonló, ellentétben az 1. mintával (amelynek bevonata eltérő), amely jelentősen különbözik tőlük. A nejlon egy alifás poliamid, amelyet általában számosztályok szerint (6, 66, 11, 12) osztályoznak; ezeknél az anyagoknál az üveges átmenet 40 és 95 °C között következik be. Ezért nagyon érdekes megvizsgálni azokat a további átmeneti jelenségeket, amelyek a környezeti hőmérséklet alatti hőmérsékleteken figyelhetők meg.
2. táblázat: Az 1., 2. és 3. minta hőátmenetei, az E’, E” és tan δ értékek alapján. Valamennyi mintát szakító irányban mértük, 10 μm-es dinamikus alakváltozással, 1,3-as aránytényezővel és 2 ºC/perc fűtési sebességgel.
| Átmenet | E’ kezdete | E” csúcs | tan δ |
|---|---|---|---|
1. minta | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 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 |
2. minta | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
3. minta | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
A 2–4. ábrák alapján fontos figyelembe venni a hőmérsékletnek a húrok viszkoelasztikus tulajdonságaira gyakorolt hatását is. A tollaslabda jellemzően fedett pályás sport, de mi a helyzet a szabadtéri játékkal?
Az 5. ábra az 1. minta hőprofilját mutatja 0 és 50 °C között. Egy hűvös, 4 °C-os őszi napon a húrok 2,3-szer merevebbek lennének, mint szobahőmérsékleten (25 °C), illetve 3,0-szer merevebbek, mint egy 35 °C-os forró nyári napon. A csillapítási tényező azonban nem követi pontosan ugyanezt a tendenciát: 4 °C-on csupán 1,1-szerese a 25 °C-os értéknek, míg 35 °C-hoz viszonyítva 1,3-szerese. Ezért, bár a húrok merevebbek lennének és kevesebb rugalmasságot mutatnának a tollaslabda eltalálásakor, a húrok által elnyelt, és az ütésbe át nem alakuló energia mennyisége hasonló maradna.
A vizsgálat egyik legfontosabb célja annak megértése, hogy a tollaslabda-húrok hogyan viselkednének a tervezett felhasználási körülmények között. Ezért ugyanazt a három mintát hárompontos hajlítási vizsgálatnak vetettük alá, hogy megismerjük hajlítási tulajdonságaikat (20 mm-es hajlítási távolsággal, a teljes ütőháló-minta egy véges szakaszának elemzése céljából), szimulálva azt, hogyan viselkednének, ha az ütőre feszítve a tollaslabdát ütnék velük. A 6. ábrán látható a vizsgálati felállítás, amelyben a húr hajlítás közben feszesen van meghúzva.
A hárompontos hajlítás során mutatott teljesítmény vizsgálatához két különböző terhelésváltozási sorozatot hajtottak végre szobahőmérsékleten a tulajdonságok mérésére. A 7. ábra a növekvő dinamikus deformáció hatását mutatja (amely 0,7 N alatt maradt).
A 8. ábra a minták hosszának változását mutatja az erő növekedésének függvényében.
A 7. ábrából látható, hogy szobahőmérsékleten a három húr mechanikai tulajdonságai között egyértelmű különbség figyelhető meg. 50 μm-es példakénti amplitúdónál az 1. minta rendelkezik a legalacsonyabb modulusértékekkel (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), a 2. minta a legmagasabbakkal (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), a 3. minta pedig a kettő között helyezkedik el (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Figyelembe véve, hogy a csillapítási tényező a Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus és a tárolási modulus aránya, ez azt jelenti, hogy az 1. minta rendelkezik a legmagasabb csillapítási tulajdonságokkal (0,14), amelyet a 3. minta (0,09), majd a 2. minta (0,09) követ. Ezek az értékek nem felelnek meg közvetlenül a gyártó által az 1. táblázatban közölt értékeknek, de nagyon fontos figyelembe venni, hogy mindhárom viszkoelasztikus paraméter hogyan befolyásolja a teljesítményt, és mennyire fontos a vizsgálat során alkalmazott hőmérséklet, amint azt az 5. ábra is mutatja.
Végül a 8. ábrán megfigyelhető a minta hosszának változása a dinamikus erő növekedésével. Ez fontos szempont annak meghatározásához, hogy egy húr elem jelentős deformáció nélkül mekkora erőt képes elviselni. A 3. minta mutatja a legnagyobb mértékű alakváltozást, ami arra utal, hogy alakváltozási hajlamának köszönhetően valószínűleg a három közül a legkevésbé tartós (ez az eredmény összhangban van az 1. táblázattal). Fontos megjegyezni, hogy ezeket a hárompontos hajlításra terhelt mintákat kézzel feszítették meg, ami növelheti az abszolút mérések közötti eltéréseket.
Összefoglalás
A nagy teljesítményű polimerek és polimer kompozitok kifejlesztése forradalmasította a sportcikkek világát. Jelen tanulmányban bemutattuk, hogyan lehet az NETZSCH DMA 303 Eplexor® készüléket felhasználni három különböző tollaslabda-húr teljesítményének értékelésére, összehasonlítására és szimulálására számos paraméter tekintetében. Hőmérséklet-változási vizsgálatokat végeztünk a három minta átmeneti hőmérsékletének meghatározása, valamint a kültéren előforduló különböző hőmérsékleti viszonyok melletti teljesítményük értékelése érdekében. Terhelés-söpörési vizsgálatokat hajtottunk végre a húrok mechanikai tulajdonságainak szobahőmérsékleten történő értékelése, valamint annak megértése érdekében, hogy hogyan viselkednek a húrok a tollaslabda ütésének irányába ható terhelés hatására.