Introduzione
Grazie alla loro bassa densità, le schiume hanno un'ampia gamma di applicazioni. Le schiume morbide sono utilizzate, ad esempio, come materiale ammortizzante, per smorzare l'acustica o come protezione dai rumori. Le schiume rigide, in particolare, sono impiegate come materiali isolanti, nelle suole delle scarpe o per applicazioni come strati di riempimento in strutture composite. Quando l'attenzione è rivolta all'effetto di isolamento termico o alla resistenza del materiale in varie condizioni ambientali, si utilizzano solitamente schiume a celle chiuse. Le schiume morbide, invece, sono solitamente a celle aperte, consentendo al gas di fuoriuscire dalle singole celle e permettendo così alla schiuma di subire una maggiore compressione elastica.
In generale, molti polimeri sono adatti come materiali di partenza per le schiume. Le schiume a base di polistirene espanso o poliuretano (PUR) sono particolarmente diffuse. A seconda della loro produzione, le varie schiume PUR possono presentare proprietà molto diverse. La densità e il grado di reticolazione delle schiume variano notevolmente a seconda della quantità di agente espandente (acqua), dell'aggiunta di ulteriori additivi e anche della lunghezza della catena dei materiali di partenza, consentendo così di ottenere un'ampia gamma di schiume da morbide a molto rigide.
Per la determinazione delle proprietà meccaniche, i test con i tester universali di trazione classic sono ben consolidati. Oltre al comportamento di deformazione statica, anche lo smorzamento della schiuma è spesso di importanza fondamentale per l'applicazione. In questo caso, il DMA può dare un contributo prezioso registrando l'intero comportamento visco-elastico delle schiume. In questo contributo, viene analizzato un esempio di schiuma PUR morbida e a pori aperti.
Test statici
Durante le prove statiche (quasi statiche) con il DMA GABO High Force Eplexor® 500 N, viene applicato un carico che varia lentamente come in un tester universale e vengono misurate le forze e le deformazioni risultanti. In base alle comuni situazioni di installazione delle schiume, la misurazione viene solitamente effettuata in modalità di compressione.
La Figura 1 mostra il campione non caricato a sinistra e il campione compresso a destra, in Eplexor®. Si può notare che si verifica solo una deformazione trasversale relativamente small e si può ipotizzare, in prima approssimazione, un materiale interamente comprimibile.
In primo luogo, vengono registrate le curve statiche di sollecitazione-deformazione. Per escludere gli effetti una tantum, il campione di schiuma viene in genere caricato e scaricato due volte; nella figura 2 viene mostrato solo il secondo ciclo di carico.
Questo mostra una curva tripartita sforzo-deformazione, tipica delle schiume morbide-elastiche; ad esempio, si confronti con (Keller, 2019). Con una deformazione relativamente small, le celle si deformano solo leggermente e il materiale si comporta in modo approssimativamente lineare-elastico. Con l'aumento della deformazione, le celle della schiuma a celle aperte collassano. Poiché in questo processo l'aria deve uscire dalle celle, i risultati sono funzione della velocità di deformazione. In questa regione di plateau, la sollecitazione necessaria per la deformazione aumenta solo lentamente. A livelli di deformazione molto elevati (qui a partire da circa il 50%), le celle già collassate vengono ulteriormente compresse e la sollecitazione aumenta di nuovo in modo più marcato. Durante il successivo scarico, le sollecitazioni richieste sono solo leggermente inferiori a causa della dissipazione di energia avvenuta nel frattempo e si verifica una tipica isteresi.
Secondo la norma ISO 3386, la durezza a compressione è determinata come la sollecitazione necessaria sotto una deformazione crescente del 40%; in questo caso, la durezza a compressione ammonta a σd 40 = 0,12 MPa. L'area di isteresi consente una stima approssimativa dello smorzamento del materiale. La capacità di smorzamento delle schiume PUR varia notevolmente.
La Figura 3 mostra schematicamente diverse curve di isteresi. In base al loro comportamento di smorzamento, le schiume PUR possono essere classificate in medium smorzanti (tipo A), fortemente smorzanti (tipo B) o debolmente smorzanti (tipo C). Di conseguenza, il campione analizzato può essere classificato come più di tipo C.
In alternativa al carico su tutta la superficie qui utilizzato, le prove di penetrazione vengono spesso eseguite sulle schiume. In questo caso, un corpo più piccolo viene premuto nel campione al posto dell'asta superiore. La forza necessaria a questo scopo è chiamata durezza di penetrazione.
Test dinamici
In uno sweep statico del DMA, viene applicato un carico statico in ogni fase e poi viene eseguito un esperimento di oscillazione dinamica in questa condizione. In questo modo, il modulo di Young può essere misurato direttamente in questo punto e quindi lo smorzamento può essere determinato localmente.
Il campione di schiuma viene nuovamente allungato staticamente con incrementi fino al 70%. Nella figura 4 si può osservare lo stesso comportamento delle prove statiche: Per le deformazioni di small, il campione si comporta in modo approssimativamente lineare, ma poi sviluppa una caratteristica di molla decrescente con l'aumentare della deformazione. La compressione finale è quindi nuovamente caratterizzata da una rigidità della molla che aumenta con la deformazione statica e può quindi essere caratterizzata come rigidità progressiva della molla.
Mediante il DMA, è possibile misurare il modulo di Young in ogni punto a causa dell'oscillazione dinamica. Come previsto, il modulo inizialmente diminuisce nella regione delle small deformazioni, poi è relativamente costante e infine aumenta nuovamente con l'aumento della compressione. Il modulo misurato con il DMA si comporta quindi esattamente come il modulo tangente dopo la valutazione di una prova statica.
Con le apparecchiature per prove meccaniche, il modulo di Young di un campione non viene misurato direttamente, ma viene prima determinata una rigidità in base alle forze e alle deformazioni misurabili. In base alla geometria del campione e al modello del materiale, viene quindi calcolato il modulo di Young. Poiché la schiuma si comporta in modo ampiamente comprimibile, l'area della sezione trasversale non cambia sensibilmente durante la deformazione. Di conseguenza, è possibile calcolare la sollecitazione che agisce sul campione, sempre espressa come:
σ = F/A0
Qui, F è la forza e A0 la sezione trasversale iniziale nominale.
Poiché la lunghezza del campione cambia considerevolmente, la deformazione dinamica deve essere sempre rapportata alla lunghezza attuale del campione, ossia,
ε = ΔL/Lm
con la deformazione ΔL e la lunghezza attuale del campione Lm. Il fattore geometrico per il calcolo del modulo è Lm / A0.
Questo fattore è generalmente valido per i materiali comprimibili e può essere selezionato direttamente nel software Eplexor®.
Nelle prove statiche, è possibile caratterizzare il comportamento di smorzamento della schiuma in base all'isteresi dell'intera deformazione. Il DMA consente una caratterizzazione più accurata, poiché lo smorzamento locale può essere determinato per ogni carico statico. Risulta chiaro che la schiuma ha solo una bassa capacità di smorzamento nell'intervallo di deformazioni small. Lo smorzamento (qui tan δ) rimane relativamente costante nella regione di plateau e poi aumenta nuovamente nella regione di compressione. Pertanto, il DMA consente di determinare correttamente la capacità di smorzamento allo stato di carico.
Il comportamento non lineare del materiale è del tutto analogo quando si aumenta l'ampiezza di oscillazione della VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazione dinamica. La Figura 5 mostra la corrispondente isteresi di un ciclo di oscillazione dinamica (con ampiezza di deformazione dinamica del 10%) a diversi livelli di deformazione statica. Il modulo di Young risulta ancora una volta dalla pendenza del diagramma sforzo-deformazione. Si può notare che la rigidità inizialmente diminuisce nell'intervallo di small deformazioni statiche (rigidità degressiva) e poi aumenta di nuovo sotto large deformazioni (rigidità progressiva). Alle large ampiezze dinamiche, questo comportamento è evidente anche nella deformazione dell'isteresi. L'aumento dello smorzamento con il precarico statico si nota anche nell'area large dell'isteresi.
Comportamento della temperatura
Oltre a misurare il comportamento meccanico non lineare del materiale, il DMA GABO Eplexor® consente in particolare di effettuare analisi termomeccaniche. In questo modo, le analisi effettuate in precedenza sono possibili anche a temperature elevate o inferiori al punto di congelamento. La caratterizzazione termica viene eseguita principalmente nell'intervallo lineare delle ampiezze di small. A causa del forte effetto isolante della schiuma, è stata scelta una bassa velocità di riscaldamento di 2 K/min.
Oltre al comportamento diretto in temperatura, spesso sono interessanti le proprietà del materiale a frequenze non direttamente accessibili dalla misurazione. Questo vale, ad esempio, per l'utilizzo delle schiume per lo smorzamento acustico. In questo caso, il metodo della sovrapposizione tempo-temperatura può essere utilizzato per la generazione di curve master. Ciò consente di trarre conclusioni sul comportamento del materiale a frequenze molto più elevate.
Sintesi
Il DMA GABO Eplexor® 500 N offre una riserva di forza sufficiente per misurare schiume di dimensioni significative, in modo da caratterizzare il comportamento meccanico non lineare e dipendente dal tempo. Oltre alle informazioni fornite dal diagramma sforzo-deformazione, il DMA può essere utilizzato anche per determinare la rigidità e lo smorzamento allo stato compresso. Inoltre, con il DMA è possibile determinare con un solo strumento il comportamento alla temperatura e, mediante la tecnica della curva master, anche il modulo di Young alle alte frequenze. Ciò consente di caratterizzare le schiume per una varietà di scenari applicativi.