Gyakorlati útmutató a Payne- és Mullins-hatás méréseinek elvégzéséhez a NETZSCH nagy erősségű DMA-kkal
Bevezetés
Az elasztomerek gyakran tartalmaznak aktív töltőanyagokat, például kormot vagy szilícium-dioxidot, hogy javítsák mechanikai tulajdonságaikat és elérjék a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz szükséges minőséget. Nagy töltőanyag-tartalom esetén aggregált töltőanyag-részecskék háromdimenziós (3D) hálózata alakul ki. Ez a minta merevségének jelentős növekedését eredményezi. Ez a mikroszerkezeti jellemző azonban csak addig stabil, amíg az alkalmazott deformációk small, azaz a lineáris viszkoelasztikus tartományon belül maradnak. E küszöbérték felett a 3D töltőanyag-hálózat felbomlik, és a modulusok a mintára alkalmazott alakváltozás vagy nyírás függvényévé válnak. Ezt a rezsimet nemlineáris viszkoelasztikus régiónak nevezzük.
Két fontos hatás kapcsolódik ehhez a jelenséghez: A Payne- és a Mullins-hatás. Bár mindkettő alakváltozás-lágyulási jelenség, és mindkét hatás az alakváltozási előzményektől függ, az előbbi a tárolási modulus csökkenését írja le a növekvő dinamikus alakváltozások hatására. A Mullins-effektus alatt általában a kvázi-statikus szakítóvizsgálatokban végzett egymást követő terhelési és tehermentesítési ciklusok esetén a feszültség-alakulási görbék változását értik. Ebben az esetben az egymást követő feszültség-alakváltozás görbék a kezdeti terhelési ciklus görbéje alatt helyezkednek el. A minta feszültség-alakváltozás görbéje csak akkor egyezik meg a szűz minta feszültség-alakváltozás görbéjével, ha a minta alakváltozási történetének korábbi maximális alakváltozása túllépésre kerül.
Fontos megjegyezni, hogy ezek a hatások nem pusztán tudományos érdekességek. A valós életben is relevánsak. Mivel az elasztomerek gyakran nagy dinamikus és statikus igénybevételnek vannak kitéve a használat során, ez jelentősen befolyásolja a teljesítményüket a merevség és a csillapítás tekintetében a szűz elasztomer anyaghoz képest. Ahhoz, hogy megbízhatóan számszerűsíteni lehessen ezeket a változásokat a large deformációk és/vagy dinamikus terhelés során, a Payne- és Mullins-hatás meghatározására szolgáló vizsgálatokat kell elvégezni. Példaként említhetők a szélvédőtörlő lapátok, a motortartók és a gumiabroncsok. A (dinamikus) mechanikai tulajdonságokban bekövetkező, alakváltozás okozta változások pontos számszerűsítése megbízható visszajelzést tesz lehetővé az új gumikeverékek kutatása és fejlesztése során, valamint a termék használat közbeni teljesítményének szimulációját.
Payne Effect:
A Payne-effektus a töltött elasztomerek tárolási modulusának reverzibilis csökkenése a dinamikus alakváltozás amplitúdójának növekedésével.
Mullins-effektus:
A Mullins-effektus az elasztomerekben az első terhelés-kioldási ciklus után bekövetkező irreverzibilis feszültséglágyulás.
A Payne- és Mullins-hatás általános szempontjaiMérések
A legtöbb esetben a Payne-hatást általában egy (kettős) nyíró mintatartó segítségével, nyúlássöprésként végzik. Meg kell jegyezni, hogy ezek a kísérletek szakító üzemmódban [1] (jellemzően csak small dinamikus amplitúdók lehetségesek, a kiindulási minta hosszától függően) vagy összenyomó üzemmódban [2] is elvégezhetők.
A nyírási üzemmód a dinamikai-mechanikai analizátoroknál előnyben részesített lehetőség, mivel nagyobb nyúlási/nyírási amplitúdók valósíthatók meg, mint a húzó vagy a nyomó elrendezésben.
A nyírási modulusok pontos meghatározása érdekében az ISO 6721-6 szabvány előírja, hogy olyan mintákat kell használni, amelyek átmérője (hengeres alak) vagy magassága (kocka alak) legalább a minta vastagságának négyszerese. Ez a megközelítés kiküszöböli az esetleges hajlítási hatásokat, így nincs szükség korrekciókra. A nyírási mód másik oka a valós alkalmazáshoz hasonló terhelési körülmények alkalmazásának gondolata: A szélvédőtörlők ±90°-os kombinált nyíró- és hajlító terhelés okozta deformációkat mutatnak. A személygépkocsi- és tehergépkocsi-abroncsok felső felületén lévő futófelületi keverékek a futófelület alatt található következő réteghez ("földalatti réteg") képest akár 200%-os vagy annál nagyobb nyíróhatást is kifejthetnek.
Végül a nyíróterheléses körülmények között végzett méréseknek az az egyértelmű előnye, hogy nincs szükség statikus alkatrészekre. Ezért az ebben az esetben mért Payne-hatásA Payne-hatás a töltött, keresztkötésű elasztomer rendszer deformációs amplitúdójának növekedésével csökkenése.Payne-hatás kizárólag a növekvő dinamikus nyírási amplitúdók függvénye. A Payne-hatásA Payne-hatás a töltött, keresztkötésű elasztomer rendszer deformációs amplitúdójának növekedésével csökkenése.Payne-hatás elemzéséhez nincs szükség statikus terhelésre.
Másrészt a Mullins-effektust statikus terhelési folyamatok okozzák különböző deformációs szinteken. A Mullins-effektust jellemzően húzó üzemmódban vizsgálják. Ugyanígy mérhető ez a hatás nyomó- vagy (kettős) nyíró mintatartókkal is.
A következőkben lépésről lépésre bemutatásra kerül a Payne-effektus (kettős) nyíró mintatartóval történő mérésének beállításához szükséges útmutató.
Lépésről lépésre útmutató a Payne-effektus végrehajtásáhozMérések elvégzése a kettős nyírású mintatartóval
A vásárlók a nyíró mintatartók különböző opciói közül választhatnak: Dupla nyíró mintatartók állnak rendelkezésre 8 mm, 10 mm vagy 20 mm maximális átmérőjű/magasságú mintákhoz, és egy speciális nyíró mintatartó áll rendelkezésre vékony szalagszerű mintákhoz. Ez utóbbi nem igényli a minták rögzítését az acélhengerekhez.
A következőkben csak egy 10 mm átmérőjű nyíró mintatartó elkészítésére összpontosítunk a Payne-hatásA Payne-hatás a töltött, keresztkötésű elasztomer rendszer deformációs amplitúdójának növekedésével csökkenése.Payne-hatás mérése céljából. Ehhez az esethez mintaelőkészítő készletek (a behelyező és az igazító szerszám) is rendelkezésre állnak, amelyek megkönnyítik a minta előkészítését ragasztó használata esetén. A mintaelőkészítés lehetséges a vulkanizálatlan "zöld" gumi közvetlen vulkanizálásával is az acélhengerekhez egy fűtőprés segítségével. Ehhez a nem térhálósodott gumit az előkészített acélhengerek közé kell önteni, majd a kívánt hőmérsékleten vulkanizálni. Ennek előnye a mérési eredmények nagyobb megismételhetősége, ami az elasztomer és a fém közötti lehető legnagyobb tapadási szilárdságnak, az elasztomer pontosabb pozícionálásának a hengerek között, valamint a ragasztómaradványok hiányának köszönhető.
a) Az elasztomer lemezek előkészítése
I. A kívánt vastagságú öntött gumilapnak rendelkezésre kell állnia.
II. A következő lépéshez egy kézi fúrógépre van szükség, megfelelő hengeres szerszámmal.
III. A hengeres szerszám alsó részét mártjuk be víziszappanos oldatba. Ez segít csökkenteni a szerszám és a gumilap közötti súrlódást a fúrás során, és így jobb vágási folyamatot tesz lehetővé.
IV. Lassan engedje le a kannafúró szerszámot (ajánlott sebesség csak 20-40 fordulat/perc), amíg a gumimintát ki nem vágja. Ismételje meg a folyamatot a szükséges számú minta esetében.
V. Szárítsa meg a mintákon maradt szappanmaradékot.
b) A teljes nyíróminta összeszerelése
A teljes nyírómintatartó összeállítás elkészítéséhez a következő eszközökre van szükség: Egy ragasztó a fémek gumi anyaghoz való ragasztásához, pl. cianoakrilát ragasztó; három 10 mm átmérőjű acélhenger; a kivágott elasztomer korongok; és az 1. ábrán látható behelyezési szerszámkészlet. A gumi anyagától függően eltérő ragasztót kell választani.
Továbbá a gumiminta felületét finom szemcsés csiszolópapírral fel lehet érdesíteni az első szerelési lépés előtt. Ez jobb tapadást biztosíthat a ragasztás során
Ezt követően az elasztomer mintafelületeket olyan anyaggal kell tisztítani, amely nem változtatja meg az anyag tulajdonságait, és gyorsan elillan. Egy lehetséges tisztítószer erre a célra a Loctite 7063.
I. Először mérje meg a két ragasztandó elasztomerkorong mintájának vastagságát és átmérőjét egy mérőollóval, és írja fel a két érték átlagát.
II. Egy elasztomer mintakorongot kell az egyik külső acélhengerre felragasztani. Ehhez helyezzen egy acélhengert a 2. ábrán látható módon a behelyező szerszámkészlet mélyedésébe, és húzza meg a gyűrűscsavarral.
III. Helyezze fel az elasztomer korongot
IV. a behelyező szerszámkészlet alsó részének kiálló hengeres részére.
V. Vigyen fel egy csepp ragasztót small az acélhengerhez ragasztandó gumikorong közepére. A ragasztót egyenletesen terítse el a felületen. Ragassza a gumikorongot a beszorított acélhengerhez. Ügyeljen arra, hogy a henger és a tárcsa élei egy vonalban legyenek. Ezután helyezze be a 2. ábrán látható teljes szerelvényt az 1. ábrán látható acélblokk mélyedéseibe. Ebben a szakaszban a gumitárcsa érintkezik a hengeres kiemelkedéssel (a sárga ellipszis az 1. ábrán). Nyomja le a 2. ábrán látható szerelvényt felülről mérsékelt erővel 2-3 percig. A ragasztókötésnek ekkor elég stabilnak kell lennie a következő lépéshez.
VI. Ismételje meg ezeket a lépéseket, amíg az acélhenger - elasztomer lemez - acélhenger - elasztomer lemez - acélhenger teljes összeállítása el nem készül. Ne feledje, hogy a ragasztót mindig a fémfelületre vigye fel, hogy elkerülje annak gyors kikeményedését az elasztomerfelületen.
VII. Hagyja a ragasztót 24 órán keresztül kikeményedni, hogy a határfelületi szilárdság elérje a maximális értékét. A kikeményedési folyamat felgyorsítható, ha a kész nyírómintatartó elrendezést 30°C és 70°C közötti hőmérsékleten sütőbe helyezzük.
VIII. A külső felületen maradt felesleges ragasztót finom szemcsés csiszolópapírral csiszolva el kell távolítani. Ez garantálja, hogy a ragasztómaradványok nem befolyásolják az elasztomer mintadarab merevségét a nyírási kísérlet során.
c) A mintatartó előkészítése a merevségkorrekciós méréshez
I. Az igazítószerszámmal külsőleg előkészíthető a mintatartó a merevségkorrekciós méréshez az acélhengerrel (lásd a 3. ábrát).
II. Helyezze be a merevségkorrekcióhoz használt acélhengert, és húzza meg a csavarokat egy rögzítő csavarhúzóval és legalább 1,5 Nm nyomatékkal.
III. Helyezze be és csatlakoztassa a teljes mintatartó elrendezést a statikus és dinamikus erőtengelyekhez.
d) A mintatartó előkészítése a mintaméréshez
Először is csavarja le az acélhenger helyét tartó elülső részeket, és vegye ki. Ezt követően helyezze az előkészített kettős nyírású mintát a lehető legközepesebben, és rögzítse azt az elülső részek újbóli becsavarásával.
e) A mintamérés meghatározása a Eplexor® 9 szoftverrel
Ebben az esetben ugyanazt a pan sablonfájlt választjuk, mint a mintatartó korrekciós méréshez, mivel a Payne-hatásA Payne-hatás a töltött, keresztkötésű elasztomer rendszer deformációs amplitúdójának növekedésével csökkenése.Payne-hatás mérése statikus/dinamikus sweepben történik. Ezért a 4. ábrán látható alábbi beállítás megfelelő. Itt a dinamikus rezgések paraméterei általában nem erő-, hanem alakváltozás-vezéreltek. A mérési pontok eloszlását logaritmikusan választjuk, mivel a mérés adatábráit hagyományosan logaritmikus x-tengellyel ábrázoljuk.
Vegye figyelembe, hogy minél nagyobb a maximális dinamikus alakváltozás, annál valószínűbb, hogy az elasztomer és az acél közötti határfelületen a ragasztóanyag elszakadhat, és ezzel érvényteleníti a további futásokat. A mintára alkalmazott maximális lehetséges dinamikus nyírást a szénszál-erősítésű polimer laprugó maximális deformációja korlátozza.
Indítsa el a mérést a Eplexor® 9 szoftver "Load & Go" paneljén keresztül.
Eredmények
A következőkben az EPDM70 elasztomer-keveréken végzett mérési eredményeket mutatjuk be. Mind a Payne-, mind a Mullins-hatást vizsgáltuk.
A Mullins-hatás méréséhez használt mérési paramétereket az 1. táblázat foglalja össze.
Az 5. ábrán a viszkoelasztikus mennyiségek nyírási tárolási modulusa, G', és veszteségtényezője, tan δ, látható a dinamikus nyírási amplitúdó függvényében 0,04% és 100% között.
A vizsgálatokat különböző sweep-típusokkal végeztük. A "felfelé" sweep típus azt jelenti, hogy a dinamikus amplitúdót ±0,04%-tól ±100%-ig söpörjük; a "lefelé" azt jelenti, hogy ±100%-tól vissza ±0,04%-ig.
A kezdeti görbe a szűz minta mért adatait mutatja. Alacsony nyírási értékeknél, azaz a sérülésmentes elasztomer-keverék lineáris viszkoelasztikus rendszerében a nyírási tárolási modulus 30°C-on kb. 6 MPa. A lineáris viszkoelasztikus rezsim vége már 0,1%-os dinamikus nyírásnál elérkezik. Ettől a ponttól kezdve az anyag a töltőanyag-töltőanyag hálózat felbomlása miatt lágyulni kezd. 100%-os nyírási amplitúdó mellett a G' kb. 2 MPa értékre csökken - ez az érték a szűz állapotnak csak 1/3-a. Hasonlóképpen, a tan δ a szűz állapotban kb. 0,1, és 100%-os dinamikus nyírási nyírás esetén kb. 0,135 körül van. A kettő között a tan δ maximuma kb. 4%-nál figyelhető meg, ami a hőelvezetés vagy a csillapítás maximumának felel meg ennél a gumikeveréknél.
1. táblázat: A Payne-effektus mérésekhez a High-Force DMA-val használt paraméterek áttekintése
| Paraméter | Érték |
|---|---|
| Műszer | DMA 503 Eplexor® 500 N |
| Mintatartó | Dupla nyíró mintatartó Ø10 mm |
| Mérési mód | Nyírás |
| Aktív rugós lapátok | Csak CFRP rugós lapát |
| A minta méretei | Ø10 mm × 1,6 mm (vastagság 2,4 mm-ig lehetséges) |
| Atmoszféra | Statikus levegő |
Statikus/dinamikus sweep | |
| Hőmérséklet | 30°C |
| Frekvencia | 10 Hz |
| Érintkezési erő | 0 N |
| Statikus terhelés típusa | Erőszabályozott |
| Célértékek | 0 N |
| Határérték | 30% |
| Dinamikus terhelés típusa | Strain-controlled |
| Célértékek | 0.04 ...100% (logaritmikus eloszlás, 5 lépés évtizedenként) |
| Határérték | 500 N |
Az ezt követő lefelé irányuló letapogatások során a kezdeti felfelé irányuló letapogatásból származó egyértelmű hiszterézis viselkedés figyelhető meg. A tárolási modulus és a veszteségtényező alacsonyabb, illetve magasabb értékekre tolódik el. Továbbá a tan δ csúcsértéke kissé eltolódik az alacsonyabb dinamikus nyírási amplitúdók felé. Ezt a változást a töltőanyag-hálózat károsodása okozza, amelyet a vizsgálat során a mintára ható nagy dinamikus nyírások okoztak.
Fontos, hogy ez a károsodás és annak következményei a fennmaradó fel- és lefelé irányuló vizsgálatok során is kimutathatók. A Rugalmasság és rugalmassági modulusA gumi rugalmasság vagy entrópiaelaszticitás bármely gumi vagy elasztomer rendszer ellenállását írja le külsőleg alkalmazott deformációval vagy alakváltozással szemben. tárolási modulus és a veszteségtényező az első lefelé irányuló letapogatástól kezdve ugyanazon a szinten marad, miután a mintát először terhelték dinamikusan 100%-os nyírásig.
b) Mullins-hatás
A Mullins-hatás méréséhez használt mérési paramétereket a 2. táblázat foglalja össze.
A 6. ábrán két különböző EPDM70 minta feszültség-alakváltozás diagramja látható mind az öt terhelési és tehermentesítési ciklussal. E ciklusok során a töltött elasztomer nemlineáris viszkoelasztikus és alakváltozás-lágyuló viselkedése nyilvánvaló.
Amikor a mintát először terhelik egy bizonyos maximális alakváltozási értékig, az a kezdeti görbét követi. A terhelés feloldásakor a feszültségszint jelentősen csökken ugyanannál a korábbi alakváltozásnál, ami hiszterézishez vezet a feszültség-alakváltozás diagramban. Ezen a ponton nem lehet megkülönböztetni a tisztán viszkoelasztikus jelenséget, ahogyan azt egy korábbi alkalmazási közlemény [3] egy szénalapú aerogél esetében bemutatta, és a további károsító hatásokat, például a Mullins-hatást. A különbség csak a második terhelési ciklusnál válik nyilvánvalóvá, az előző ciklussal azonos maximális alakváltozási értékig. Ha a második ciklusban a feszültségszintek alacsonyabbak, mint az első ciklusban, akkor károsodás következett be. Amint az előző ciklus maximális alakváltozását túllépjük, a feszültség-alakváltozás görbe ismét a kezdeti görbét követi az aktuális ciklus új maximális alakváltozásáig.
2. táblázat: A Mullins-effektus mérésekhez a nagy erősségű DMA-val használt paraméterek áttekintése.
| Paraméter | Érték |
|---|---|
| Műszer | DMA 503 Eplexor® 500 N |
| Mintatartó | Feszített mintatartó 700 N-ig |
| Mérési mód | Feszültség |
| Aktív rugós lapátok | Mindhárom rugólapát |
| A minta méretei | 2.34 mm × 2,58 mm × 20,67 mm 2.35 mm × 3,47 mm × 23,52 mm |
| Atmoszféra | Statikus levegő |
Szakítóvizsgálat | |
| Hőmérséklet | 30°C |
| Érintkezési erő | 2 N |
| Statikus terhelés típusa | Törzsvezérelt |
| Célértékek | 30...0...60…0…90…0…120…0…150…0…180 % |
| Terhelés mértéke | 100%/perc |
| Határérték | 150 N |
A Payne- és Mullins-hatások jelentősége aGumiiparban
A töltött elasztomerek, függetlenül attól, hogy korommal vagy szilícium-dioxiddal vannak-e töltve, alapvető szerepet játszanak a gumiiparban. Mivel a Payne- és Mullins-hatás a töltött elasztomeranyagok (dinamikus) mechanikai tulajdonságainak változásaként jelentkezik, kiemelkedően fontos megérteni a termék tulajdonságaira gyakorolt hatásokat a használat során.
Számos valós alkalmazásban a termék élettartama során nagy dinamikus deformáció vagy többszörös terhelés és tehermentesítés történik - ez a helyzet például a szélvédőtörlőknél több ciklus után, a gumiabroncsoknál több kanyar után vagy a gumilengéscsillapítóknál. Ezek tehát a Payne- és Mullins-hatás következményeinek vannak kitéve. A viszkoelasztikus tulajdonságok változása a veszteségtényező változásán keresztül különböző releváns tulajdonságokra vonatkozik, mint például a gumiabroncsok gördülési ellenállása vagy a perselyek csillapítási képessége.
NETZSCH A High-Force DMA-k lehetővé teszik, hogy pontosan számszerűsítse a Payne- és Mullins-hatás mértékét az anyagában, és így jobb minőségű gumikat gyárthasson, és jobban megjósolhassa a végtermékek teljesítményét.