Pendahuluan
Memahami sifat viskoelastis polimer sangat penting bagi penggunaannya dalam berbagai aplikasi, termasuk peralatan olahraga. Polimer dan komposit polimer berkinerja tinggi telah merevolusi industri olahraga dengan menyediakan peralatan yang tahan lama, nyaman, presisi, dan awet bagi para pengguna [1]). Polimer dan komposit polimer merupakan fondasi bagi aktivitas sehari-hari: keduanya merupakan bahan lantai yang digunakan di fasilitas olahraga dalam dan luar ruangan, sol sepatu, jaring, senar raket, dan sebagainya. Kemampuan untuk mengevaluasi sifat termal dan kinerja fisik bahan-bahan ini sangat penting dalam proses desain, manufaktur, dan penggunaan akhirnya.
Analisis Mekanik Dinamis (DMA) terutama digunakan untuk menganalisis sifat viskoelastis bahan polimer, tetapi juga digunakan untuk mengukur logam, keramik, atau mensimulasikan kondisi mekanis tertentu. NETZSCH DMA 303 Eplexor® adalah perangkat desktop serbaguna yang mampu mengukur dalam rentang suhu dari -170°C hingga 800°C (-274°F hingga 1472°F), menerapkan gaya mulai dari 1 mN hingga 50 N, serta beroperasi pada frekuensi 0,001 hingga 150 Hz. Dalam penelitian ini, tiga jenis senar bulu tangkis berkinerja tinggi diuji menggunakan analisis mekanik dinamis (DMA). Desain modern senar bulu tangkis terdiri dari beberapa bahan, lapisan, dan pelapis [2]. Ketiga sampel yang diuji memiliki struktur dasar yang sama: inti multifilamen nilon yang dikelilingi oleh serat nilon yang dikepang. Sampel 1 memiliki lapisan hidrida titanium, sedangkan sampel 2 dan 3 memiliki lapisan nanotube karbon tipe cup-stack komposit. Dari sudut pandang kinerja, produsen memberikan peringkat pada berbagai jenis senar tersebut, yang ringkasannya ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1: Sifat-sifat yang dilaporkan dari ketiga senar bulu tangkis tersebut oleh produsen.
| Variabel | Sampel 1 (Nilai dari 10) | Sampel 2 (Nilai dari 10) | Sampel 3 (Nilai dari 10) |
|---|---|---|---|
| Daya pantul | 7 | 8 | 9 |
| Ketahanan | 7 | 10 | 7 |
| Suara pukulan | 7 | 7 | 8 |
| Penyerapan guncangan | 6 | 6 | 8 |
| Pengendalian | 6 | 6 | 10 |
Tujuan utama penelitian ini adalah untuk mengaitkan sifat viskoelastis yang diukur dengan DMA dengan kriteria kinerja yang dilaporkan oleh produsen dalam Tabel 1. Modulus penyimpanan (E’) menggambarkan kemampuan bahan untuk menyimpan dan melepaskan energi (seperti pegas), yang dapat dikaitkan secara langsung dengan daya tolak yang dilaporkan. Modulus rugi (E”) menggambarkan disipasi energi bahan (biasanya melalui gesekan internal), dan terakhir, faktor redaman (tan δ) adalah rasio E” terhadap E’ (yang menggambarkan seberapa besar suatu bahan akan meredam gaya yang diterapkan). Oleh karena itu, baik suara benturan maupun Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan guncangan secara langsung terkait dengan sifat-sifat E” dan tan δ. Selain itu, parameter seperti ketahanan dapat dieksplorasi dengan melakukan pengujian sebagai fungsi dari peningkatan gaya, bukan suhu.
Pengujian DMA untuk Sifat Viscoelastis dan Simulasi Aplikasi
Eplexor® Untuk menentukan sifat viskoelastis ketiga senar bulu tangkis tersebut, dilakukan pengujian suhu bertahap standar pada setiap sampel dalam kondisi tarikan (ilustrasi visual pada Gambar 1), menggunakan alat DMA 303 NETZSCH dari -150 hingga 150ºC.
Tabel 2 merangkum berbagai daerah transisi pada masing-masing sampel. Profil viskoelastis sampel 1 sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar 2, sampel 2 pada Gambar 3, dan sampel 3 pada Gambar 4; semua sampel diukur dalam kondisi tarikan. Dari Gambar 2 hingga 4, sampel 2 dan 3 memiliki profil dan zona transisi yang sangat mirip, berbeda dengan sampel 1 (yang memiliki lapisan berbeda) yang menunjukkan perbedaan yang signifikan. Nilon adalah poliamida alifatik yang umumnya diklasifikasikan berdasarkan nomor grade (6, 66, 11, 12), yang semuanya mengalami transisi kaca pada rentang suhu antara 40 dan 95°C. Oleh karena itu, sangat menarik untuk mengamati transisi-transisi lain yang terjadi pada suhu di bawah suhu kamar.
Tabel 2: Transisi termal sampel 1, 2, dan 3, yang dilaporkan untuk E’, E”, dan tan δ. Semua sampel diukur dalam kondisi tarikan menggunakan deformasi dinamis sebesar 10 μm, faktor proporsional 1,3, dan laju pemanasan 2 ºC/menit.
| Transisi | Awal E’ | Puncak E" | tan δ |
|---|---|---|---|
Sampel 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 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 0,1β6 |
Sampel 2 | |||
| 1 | -90,7°C 7001 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 |
Sampel 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 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 |
Berdasarkan Gambar 2 hingga 4, penting juga untuk mempertimbangkan pengaruh suhu terhadap kinerja viskoelastis senar. Bulu tangkis umumnya merupakan olahraga dalam ruangan, tetapi bagaimana jika dimainkan di luar ruangan?
Gambar 5 menunjukkan profil termal sampel 1 dari 0 hingga 50°C. Pada hari musim gugur yang sejuk bersuhu 4°C, senar-senar tersebut akan 2,3 kali lebih kaku dibandingkan pada suhu kamar (25°C) atau 3,0 kali lebih kaku dibandingkan pada hari musim panas yang panas bersuhu 35°C. Namun, faktor redaman tidak mengikuti tren yang persis sama, karena hanya 1,1 kali lebih tinggi pada 4°C dibandingkan dengan 25°C dan 1,3 kali lebih tinggi pada 4°C dibandingkan dengan 35°C. Oleh karena itu, meskipun senar akan lebih kaku dan menunjukkan kelenturan yang lebih sedikit saat memukul kok, jumlah energi yang diserap oleh senar—dan tidak dialihkan ke pukulan—akan tetap serupa.
Salah satu pertimbangan utama dalam pengujian ini adalah untuk memahami bagaimana senar bulu tangkis akan berperilaku dalam penggunaan yang dimaksudkan. Oleh karena itu, ketiga sampel yang sama diuji dengan metode uji lentur tiga titik untuk memahami sifat lenturnya (jarak lentur 20 mm untuk menganalisis satu bagian terbatas dari pola kisi raket secara keseluruhan), yang mensimulasikan bagaimana tali tersebut akan berperilaku saat dipasang pada raket dan digunakan untuk memukul kok. Pengaturan pengujian dengan senar yang ditarik kencang dalam kondisi lentur ditunjukkan pada Gambar 6.
Untuk menguji kinerja pada uji lentur tiga titik, dilakukan dua pola beban yang berbeda pada suhu kamar guna mengukur sifat-sifat material. Gambar 7 menunjukkan pengaruh peningkatan deformasi dinamis (yang tetap di bawah 0,7 N).
Gambar 8 menunjukkan perubahan panjang sampel sebagai fungsi dari peningkatan gaya.
Dari Gambar 7, terlihat bahwa pada suhu kamar terdapat perbedaan yang jelas dalam sifat mekanik ketiga senar tersebut. Pada amplitudo ilustratif sebesar 50 μm, sampel 1 memiliki nilai modulus terendah (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), sampel 2 memiliki nilai tertinggi (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), sedangkan sampel 3 berada di antara keduanya (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Mengingat bahwa faktor redaman merupakan rasio antara Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan dan modulus penyimpanan, hal ini berarti sampel 1 memiliki sifat redaman tertinggi (0,14), diikuti oleh sampel 3 (0,09), dan sampel 2 (0,09). Nilai-nilai ini tidak secara langsung sesuai dengan yang dilaporkan oleh produsen pada Tabel 1, namun sangat penting untuk mempertimbangkan bagaimana ketiga parameter viskoelastis tersebut memengaruhi kinerja, serta seberapa penting suhu saat pengujian dilakukan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5.
Terakhir, dari Gambar 8, terlihat perubahan panjang sampel seiring dengan peningkatan gaya dinamis. Hal ini merupakan pertimbangan penting untuk mengetahui seberapa besar gaya yang dapat ditahan oleh satu elemen senar tanpa mengalami deformasi yang signifikan. Sampel 3 menunjukkan tingkat deformasi terbesar, yang mengindikasikan bahwa sampel ini kemungkinan merupakan yang paling tidak tahan lama di antara ketiganya karena kecenderungannya untuk mengalami deformasi (hasil ini sejalan dengan Tabel 1). Penting untuk dicatat bahwa untuk sampel-sampel ini yang diuji dengan metode tiga titik tekuk, sampel ditarik kencang secara manual, yang mungkin meningkatkan variasi antara pengukuran absolut.
Ringkasan
Perkembangan polimer dan komposit polimer berkinerja tinggi telah merevolusi dunia peralatan olahraga. Dalam artikel ini, kami mendemonstrasikan bagaimana alat DMA 303 dari NETZSCH Eplexor® dapat digunakan untuk mengevaluasi, membandingkan, dan mensimulasikan kinerja tiga jenis senar bulu tangkis yang berbeda berdasarkan berbagai parameter. Pengujian kenaikan suhu dilakukan untuk menentukan suhu transisi ketiga sampel serta untuk mengevaluasi kinerjanya pada berbagai suhu yang mungkin mereka hadapi di luar ruangan. Pengujian pemindaian beban dilakukan untuk mengevaluasi sifat mekanis senar pada suhu kamar dan juga untuk memahami kinerjanya terhadap beban yang diterapkan pada arah di mana senar akan memukul kok.