Introduzione
Comprendere le proprietà viscoelastiche dei polimeri è fondamentale per il loro impiego in numerose applicazioni, tra cui gli articoli sportivi. I polimeri e i compositi polimerici ad alte prestazioni hanno rivoluzionato il settore sportivo, fornendo agli utenti attrezzature resistenti, confortevoli, precise e di lunga durata [1]). I polimeri e i compositi polimerici sono alla base di una giornata di attività: costituiscono il materiale di pavimentazione utilizzato negli impianti sportivi al coperto e all’aperto, le suole delle scarpe, le maglie delle reti, le corde delle racchette, ecc. La capacità di valutare le proprietà termiche e le prestazioni fisiche di questi materiali è fondamentale per la loro progettazione, produzione e utilizzo finale.
L’analisi meccanica dinamica (DMA) viene utilizzata principalmente per analizzare le proprietà viscoelastiche dei materiali polimerici, ma trova applicazione anche nella misurazione di metalli e ceramiche o nella simulazione di specifiche condizioni meccaniche. Il DMA 303 di NETZSCH Eplexor® è un versatile dispositivo da tavolo in grado di effettuare misurazioni in un intervallo di temperatura compreso tra -170 °C e 800 °C (da -274 °F a 1472 °F), applicando forze che vanno da 1 mN a 50 N, e operante a frequenze comprese tra 0,001 e 150 Hz. In questo studio sono state testate tre diverse corde da badminton ad alte prestazioni mediante analisi meccanica dinamica (DMA). Il design moderno delle corde da badminton comprende diversi materiali, strati e rivestimenti [2]. Tutti e tre i campioni testati presentano la stessa struttura di base: un’anima multifilamento in nylon circondata da fibre di nylon intrecciate. Il campione 1 presenta un rivestimento in idruro di titanio, mentre i campioni 2 e 3 presentano un rivestimento composto da nanotubi di carbonio a struttura a coppa sovrapposta. Dal punto di vista delle prestazioni, il produttore classifica le diverse corde; una sintesi di tale classificazione è riportata nella Tabella 1.
Tabella 1: Caratteristiche tecniche delle tre corde da badminton fornite dal produttore.
| Variabile | Campione 1 (Punteggio su 10) | Campione 2 (Punteggio su 10) | Campione 3 (Punteggio su 10) |
|---|---|---|---|
| Potenza di repulsione | 7 | 8 | 9 |
| Resistenza | 7 | 10 | 7 |
| Suono di battuta | 7 | 7 | 8 |
| Assorbimento degli urti | 6 | 6 | 8 |
| Controllo | 6 | 6 | 10 |
L’obiettivo principale di questo studio è quello di mettere in relazione le proprietà viscoelastiche misurate mediante DMA con i criteri prestazionali riportati dal produttore nella Tabella 1. Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo (E’) descrive la capacità dei materiali di immagazzinare e rilasciare energia (come una molla), che può essere direttamente correlata alla potenza di repulsione riportata. Il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita (E”) descrive la dissipazione di energia da parte del materiale (tipicamente attraverso l’attrito interno), mentre il fattore di smorzamento (tan δ) è il rapporto tra E” ed E’ (che descrive in che misura un materiale smorza una forza applicata). Pertanto, sia l’assorbimento del rumore da impatto che quello degli urti sono direttamente legati alle proprietà di E” e tan δ. Inoltre, parametri quali la durabilità possono essere analizzati effettuando prove in funzione di una forza crescente anziché della temperatura.
Test DMA per le proprietà viscoelastiche e la simulazione delle applicazioni
Eplexor® Per determinare le proprietà viscoelastiche delle tre corde da badminton, è stata eseguita su ciascun campione una scansione termica standard in tensione (rappresentazione grafica in Figura 1), utilizzando il sistema DMA 303 NETZSCH dell’ , in un intervallo di temperatura compreso tra -150 e 150 °C.
La tabella 2 riassume le diverse regioni di transizione di ciascun campione. Il profilo viscoelastico del campione 1 in funzione della temperatura è riportato nella figura 2, quello del campione 2 nella figura 3 e quello del campione 3 nella figura 4; tutti i campioni sono stati misurati in trazione. Dalle figure da 2 a 4 si evince che i campioni 2 e 3 presentano profili e zone di transizione molto simili, a differenza del campione 1 (che presenta un rivestimento diverso), il quale risulta significativamente diverso. Il nylon è una poliammide alifatica comunemente classificata in base a gradi numerici (6, 66, 11, 12), tutti caratterizzati da una transizione vetrosa che si verifica tra i 40 e i 95 °C. È quindi molto interessante considerare le altre transizioni osservabili a temperature inferiori a quella ambiente.
Tabella 2: Transizioni termiche dei campioni 1, 2 e 3, riportate per E’, E” e tan δ. Tutti i campioni sono stati misurati in trazione utilizzando una deformazione dinamica di 10 μm, un fattore proporzionale di 1,3 e una velocità di riscaldamento di 2 ºC/min.
| Transizione | Inizio di E’ | Picco di E" | tan δ |
|---|---|---|---|
Campione 1 | |||
| 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 |
Campione 2 | |||
| 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 |
Campione 3 | |||
| 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 |
Dalle figure da 2 a 4, è inoltre importante considerare l’effetto della temperatura sulle prestazioni viscoelastiche delle corde. Il badminton è in genere uno sport praticato al chiuso, ma cosa succede quando si gioca all’aperto?
La figura 5 mostra il profilo termico del campione 1 da 0 a 50 °C. In una fresca giornata autunnale a 4 °C, le corde risulterebbero 2,3 volte più rigide rispetto alla temperatura ambiente (25 °C) o 3,0 volte più rigide rispetto a una calda giornata estiva a 35 °C. Tuttavia, il fattore di smorzamento non segue esattamente lo stesso andamento, risultando solo 1,1 volte superiore a 4 °C rispetto a 25 °C e 1,3 volte superiore a 4 °C rispetto a 35 °C. Pertanto, anche se le corde risultassero più rigide e mostrassero una minore elasticità al momento dell’impatto con il volano, la quantità di energia assorbita dalle corde, e non trasferita al colpo, rimarrebbe simile.
Un aspetto fondamentale di questa prova è comprendere come si comporterebbero le corde da badminton nell’applicazione prevista. Pertanto, gli stessi tre campioni sono stati sottoposti a una prova di flessione a tre punti per comprenderne le proprietà di flessione (distanza di flessione di 20 mm per analizzare una sezione finita dello schema complessivo della griglia della racchetta), simulando il comportamento che avrebbero avuto una volta incordate sulla racchetta e utilizzate per colpire il volano. La configurazione di prova con la corda tesa in flessione è illustrata nella Figura 6.
Per verificare le prestazioni nella prova di flessione a tre punti, sono state effettuate due diverse sequenze di carico a temperatura ambiente al fine di misurare le proprietà. La figura 7 mostra l'effetto dell'aumento della deformazione dinamica (rimanendo al di sotto di 0,7 N).
La figura 8 mostra la variazione della lunghezza dei campioni in funzione dell'aumento della forza.
Dalla Figura 7 si osserva che, a temperatura ambiente, vi è una netta differenza nelle proprietà meccaniche delle tre corde. A un’ampiezza indicativa di 50 μm, il campione 1 presenta i valori di modulo più bassi (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), il campione 2 quelli più alti (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), mentre il campione 3 si colloca in una posizione intermedia (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Considerando che il fattore di smorzamento è il rapporto tra il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita e il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, ciò significa che il campione 1 presenta le proprietà di smorzamento più elevate (0,14), seguito dal campione 3 (0,09) e dal campione 2 (0,09). Questi valori non corrispondono direttamente a quelli riportati dal produttore nella Tabella 1, ma è molto importante considerare in che modo tutti e tre i parametri viscoelastici influenzino le prestazioni e quanto sia rilevante la temperatura alla quale sono stati testati, come illustrato dalla Figura 5.
Infine, dalla Figura 8 si osserva la variazione della lunghezza del campione all’aumentare della forza dinamica. Si tratta di una considerazione importante per determinare quanta forza un singolo elemento di corda possa sopportare senza subire deformazioni significative. Il campione 3 mostra il grado di deformazione maggiore, il che implica che sia probabilmente il meno resistente dei tre a causa della sua tendenza a deformarsi (questo risultato è in linea con la Tabella 1). È importante notare che questi campioni, sottoposti a prova di flessione a tre punti, sono stati tesi manualmente, il che potrebbe aumentare la variazione tra le misurazioni assolute.
Sintesi
Lo sviluppo di polimeri e compositi polimerici ad alte prestazioni ha rivoluzionato il mondo degli articoli sportivi. Nel presente documento abbiamo illustrato come il sistema DMA 303 Eplexor® di NETZSCH possa essere utilizzato per valutare, confrontare e simulare le prestazioni di tre diverse corde da badminton in base a una serie di parametri. Sono state eseguite rampe di temperatura per determinare le temperature di transizione dei tre campioni e per valutarne le prestazioni alle varie temperature a cui potrebbero essere esposti all’esterno. Sono state inoltre effettuate prove di carico per valutare le proprietà meccaniche delle corde a temperatura ambiente e per comprenderne il comportamento in risposta a un carico applicato nella direzione in cui le corde colpirebbero un volano.