Nessun dolore con Payne ... e Mullins

Guida pratica all'esecuzione di misure dell'effetto Payne e Mullins con i DMA ad alta forza NETZSCH

Introduzione

Gli elastomeri contengono spesso cariche attive, come il nerofumo o la silice, per migliorare le loro proprietà meccaniche e raggiungere la qualità necessaria per applicazioni ad alte prestazioni. Nel caso di un elevato contenuto di cariche, si forma una rete tridimensionale (3D) di particelle di cariche aggregate. Ciò comporta un sostanziale aumento della rigidità del campione. Tuttavia, questa caratteristica microstrutturale è stabile solo finché le deformazioni applicate rimangono small, cioè entro il regime viscoelastico lineare. Al di sopra di questa soglia, la rete di riempimento 3D si rompe e i moduli diventano una funzione della deformazione o del taglio applicato al campione. Questo regime viene definito regione viscoelastica non lineare.

A questo fenomeno sono associati due importanti effetti: L'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne e l'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins. Sebbene entrambi siano fenomeni di rammollimento da deformazione ed entrambi gli effetti dipendano dalla storia della deformazione, il primo descrive la diminuzione del 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 all'aumentare delle deformazioni dinamiche. L'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins è comunemente inteso come la variazione delle curve sforzo-deformazione per cicli successivi di carico e scarico eseguiti in prove di trazione quasi statiche. In questo caso, le curve di sollecitazione-deformazione successive saranno situate al di sotto della curva del ciclo di carico iniziale. La curva sforzo-deformazione di un campione corrisponderà alla curva sforzo-deformazione di un campione vergine solo una volta superata la precedente deformazione massima della storia di deformazione del campione.

È importante notare che questi effetti non sono solo curiosità scientifiche. Sono anche rilevanti per gli scenari della vita reale. Poiché gli elastomeri sono spesso esposti a elevate deformazioni dinamiche e statiche durante il servizio, ciò influisce significativamente sulle loro prestazioni in termini di rigidità e smorzamento rispetto al materiale elastomerico vergine. Per quantificare in modo affidabile questi cambiamenti durante le deformazioni large e/o i carichi dinamici, è necessario eseguire test per la determinazione dell'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne e Mullins. Esempi sono le spazzole dei tergicristalli, i supporti motore e i pneumatici. La quantificazione accurata delle variazioni delle proprietà meccaniche (dinamiche) indotte dalla deformazione consente di ottenere un feedback affidabile durante la ricerca e lo sviluppo di nuove mescole di gomma e la simulazione delle prestazioni del prodotto in servizio.

Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.Effetto Payne:

L'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne è la diminuzione reversibile del 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 degli elastomeri caricati con l'aumento dell'ampiezza della deformazione dinamica.

Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.Effetto Mullins:

L'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins è il rammollimento irreversibile delle sollecitazioni negli elastomeri dopo il primo ciclo di carico-scarico.

Aspetti generali dell'effetto Payne e MullinsMisurazioni

Nella maggior parte dei casi, l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne viene di solito eseguito come un'escursione di deformazione utilizzando un portacampioni a (doppio) taglio. Va notato che questi esperimenti possono essere eseguiti anche in modalità di trazione [1] (in genere sono possibili solo small ampiezze dinamiche, a seconda della lunghezza iniziale del campione) o in modalità di compressione [2].

La modalità di taglio è l'opzione preferita negli analizzatori dinamico-meccanici, grazie alla realizzazione di ampiezze di deformazione/taglio maggiori rispetto a quelle dei set-up di trazione o compressione.

Per garantire una determinazione precisa dei moduli di taglio, la norma ISO 6721-6 prevede l'uso di campioni con un diametro (forma cilindrica) o un'altezza (forma cuboidale) pari ad almeno 4 volte lo spessore del campione. Questo approccio elimina ogni potenziale effetto di flessione, rendendo così superflue le correzioni. Una seconda ragione per la modalità a taglio è l'idea di applicare condizioni di carico simili all'applicazione reale: I tergicristalli mostrano deformazioni causate da un carico combinato di taglio e flessione fino a ±90°. Le mescole del battistrada sulla superficie superiore dei pneumatici per passeggeri e per autocarri subiranno un taglio contro lo strato successivo situato sotto il battistrada ("strato sotterraneo") fino al 200% o più.

Infine, le misurazioni effettuate in condizioni di carico di taglio offrono il netto vantaggio di eliminare la necessità di componenti statici. Pertanto, l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne misurato in questo caso è unicamente una funzione delle ampiezze di taglio dinamiche crescenti. Non è necessario alcun carico statico per analizzare l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne.

L'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins, invece, è causato da processi di carico statico a diversi livelli di deformazione. L'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins è tipicamente esaminato in modalità di trazione. È anche possibile misurare questo effetto nello stesso modo utilizzando portacampioni a compressione o a (doppio) taglio.

Di seguito viene presentata una guida passo-passo per l'impostazione di una misura dell'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne con il portacampioni a (doppio) taglio.

Guida passo-passo all'esecuzione dell'effetto PayneCon il supporto per campioni a doppio taglio

I clienti possono scegliere tra diverse opzioni di portacampioni a taglio: Sono disponibili portacampioni a doppio taglio per campioni con diametro/altezza massima di 8 mm, 10 mm o 20 mm, e un portacampioni a taglio specializzato per campioni sottili come strisce. Quest'ultimo non richiede il fissaggio dei campioni ai cilindri d'acciaio.

Di seguito, l'attenzione si concentra solo sulla preparazione di un portacampione a taglio con un diametro di 10 mm per la misurazione dell'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne. In questo caso, sono disponibili kit di preparazione del campione (strumento di inserimento e di allineamento) per facilitare il processo di preparazione del campione quando si utilizza un adesivo. La preparazione dei campioni è possibile anche vulcanizzando direttamente la gomma "verde" non vulcanizzata sui cilindri d'acciaio con una pressa riscaldante. A tal fine, la gomma non reticolata deve essere versata tra i cilindri di acciaio preparati e successivamente vulcanizzata alla temperatura desiderata. Ciò offre il vantaggio di una maggiore ripetibilità dei risultati di misura, grazie alla massima forza di adesione possibile tra elastomero e metallo, un posizionamento più preciso dell'elastomero tra i cilindri e l'assenza di residui di adesivo.

a) Preparazione dei dischi di elastomero

I. È necessario disporre di una lastra di gomma fusa dello spessore desiderato.

II. Per la fase successiva è necessario un trapano a mano con uno stampo cilindrico appropriato.

III. Immergere la parte inferiore dello stampo cilindrico in una soluzione di acqua e sapone. Ciò contribuisce a ridurre l'attrito tra l'utensile e la lastra di gomma durante la foratura, consentendo così un migliore processo di taglio.

IV. Abbassare lentamente l'utensile di perforazione (la velocità consigliata è di soli 20-40 giri al minuto) fino a quando il campione di gomma è stato tagliato. Ripetere il processo per il numero di campioni desiderato.

V. Asciugare il sapone rimasto sui campioni.

b) Assemblaggio dell'intero campione di taglio

Per la preparazione dell'allestimento completo del portacampione a cesoia, è necessario disporre dei seguenti strumenti: Un adesivo per incollare il metallo al materiale di gomma, ad esempio un adesivo cianoacrilico; tre cilindri d'acciaio di 10 mm di diametro; i dischi di elastomero ritagliati e il kit di strumenti per l'inserimento illustrato nella figura 1. A seconda del materiale di gomma, il sapone deve essere applicato sui campioni. A seconda del materiale della gomma, può essere necessario scegliere un adesivo diverso.

Inoltre, le superfici dei campioni di gomma possono essere irruvidite con carta vetrata a grana fine prima della prima fase di assemblaggio. Ciò potrebbe garantire una migliore adesione durante l'incollaggio

Successivamente, le superfici dei campioni di elastomero devono essere pulite con una sostanza che non alteri le proprietà del materiale e che si volatilizzi rapidamente. Un potenziale detergente per questo scopo è Loctite 7063.

I. Innanzitutto, misurare con un calibro lo spessore del campione e il diametro dei due dischi di elastomero da far aderire e annotare il valore medio di entrambi.

II. Un disco campione di elastomero deve essere fatto aderire a uno dei cilindri di acciaio esterni. A tale scopo, inserire un cilindro di acciaio nella depressione del kit di inserimento, come illustrato nella figura 2, e serrarlo con il grano.

III. Posizionare un disco di elastomero

IV. sulla parte cilindrica sporgente della parte inferiore del kit di inserimento.

V. Applicare una goccia di adesivo small al centro del disco di gomma da incollare al cilindro d'acciaio. Distribuire l'adesivo in modo uniforme sulla superficie. Incollare il disco di gomma al cilindro d'acciaio bloccato. Assicurarsi che i bordi del cilindro e del disco siano a filo. Inserire quindi l'intero gruppo della figura 2 nelle cavità del blocco d'acciaio della figura 1. A questo punto, il disco di gomma sarà a contatto con il rialzo cilindrico (l'ellisse gialla nella figura 1). Premere il gruppo della figura 2 dall'alto con forza moderata per 2-3 minuti. Il legame adesivo dovrebbe essere sufficientemente stabile per la fase successiva.

VI. Ripetere questi passaggi fino a realizzare l'intera configurazione cilindro in acciaio - disco in elastomero - cilindro in acciaio - disco in elastomero - cilindro in acciaio. Tenere presente di applicare sempre l'adesivo sulla superficie metallica per evitare che si indurisca rapidamente sulla superficie dell'elastomero.

VII. Lasciare polimerizzare l'adesivo per 24 ore affinché la resistenza interfacciale raggiunga il massimo. Il processo di Polimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione può essere accelerato ponendo il portacampioni a taglio finito in un forno a temperature comprese tra 30°C e 70°C.

VIII. L'adesivo in eccesso lasciato sulla superficie esterna deve essere rimosso con carta vetrata a grana fine. In questo modo si garantisce che nessun residuo di adesivo influisca sulla rigidità del campione di elastomero durante l'esperimento di taglio.

c) Preparazione del supporto del campione per la misura della correzione della rigidità

I. Lo strumento di allineamento può essere utilizzato per preparare esternamente il portacampione per la misurazione della correzione della rigidità con il cilindro d'acciaio (vedere figura 3).

II. Inserire il cilindro in acciaio utilizzato per la correzione della rigidità e serrare le viti con un cacciavite a coppia di fissaggio e almeno 1,5 Nm.

III. Inserire e collegare l'intera configurazione del portacampioni agli assi delle forze statiche e dinamiche.

d) Preparazione del portacampioni per la misurazione del campione

Per prima cosa, svitare le parti anteriori che tengono in posizione il cilindro d'acciaio ed estrarlo. Successivamente, posizionare il campione preparato a doppio taglio il più centralmente possibile e fissarlo avvitando nuovamente le parti anteriori.

e) Definizione della misura del campione con il software Eplexor^® 9

In questo caso si sceglie lo stesso file di modello di pan della misurazione della correzione del supporto del campione, poiché l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne viene misurato in sweep statico/dinamico. Pertanto, la seguente impostazione, mostrata nella figura 4, è adatta. In questo caso, i parametri per le oscillazioni dinamiche sono solitamente controllati dalla deformazione, piuttosto che dalla forza. La distribuzione dei punti di misura è scelta in senso logaritmico, poiché i grafici dei dati di misura sono convenzionalmente visualizzati con un asse x logaritmico.

Si noti che più alta è la deformazione dinamica massima, più è probabile che l'adesivo all'interfaccia tra l'elastomero e l'acciaio si rompa, invalidando così ogni ulteriore esecuzione. Il massimo taglio dinamico possibile applicato al campione è limitato dalla massima deformazione della molla della lama in polimero rinforzato con fibra di carbonio.

Avviare la misura tramite il pannello "Load & Go" del software Eplexor^® 9.

Risultati

Di seguito vengono presentati i risultati delle misure effettuate su una mescola di elastomero EPDM70. Sono stati analizzati sia l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne che l'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins.

a) Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.Effetto Payne

I parametri di misura utilizzati per la misurazione dell'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins sono riepilogati nella tabella 1.

La figura 5 mostra 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 al taglio delle grandezze viscoelastiche, G', e il fattore di perdita, tan δ, in funzione dell'ampiezza di taglio dinamico dallo 0,04% al 100%.

Le prove sono state eseguite utilizzando diversi tipi di sweep. Il tipo di sweep "up" significa che l'ampiezza dinamica sarà spazzata da ±0,04% fino a ±100%; "down" significa da ±100% di nuovo a ±0,04%.

La curva iniziale rappresenta i dati misurati per il campione vergine. A bassi valori di taglio, cioè nel regime viscoelastico lineare per la mescola elastomerica non danneggiata, 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 al taglio a 30°C è di circa 6 MPa. La fine del regime viscoelastico lineare avviene già a un taglio dinamico dello 0,1%. A partire da questo punto, il materiale inizia ad ammorbidirsi a causa della rottura della rete riempitivo-riempitiva. A un'ampiezza di taglio del 100%, G' diminuisce a circa 2 MPa - un valore pari a solo 1/3 dello stato vergine. Allo stesso modo, tan δ allo stato vergine è di circa 0,1 e si attesta a circa 0,135 per un taglio dinamico del 100%. Nel mezzo, si può osservare un massimo di tan δ a circa il 4%, che corrisponde a un massimo di dissipazione del calore o di smorzamento per questa mescola di gomma.

Tabella 1: Panoramica dei parametri utilizzati per le misurazioni dell'effetto Payne con il DMA High-Force

Durante le successive scansioni verso il basso, si osserva un chiaro comportamento di isteresi rispetto alla scansione iniziale verso l'alto. 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 il fattore di perdita si spostano rispettivamente verso valori più bassi e più alti. Inoltre, il valore di picco di tan δ si sposta leggermente verso ampiezze di taglio dinamico inferiori. Questo cambiamento è dovuto al danneggiamento della rete di riempimento a causa degli elevati tagli dinamici imposti al campione durante la prova.

È importante notare che questo danno e le sue conseguenze vengono rilevati anche durante le restanti scansioni verso l'alto e verso il basso. 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 il fattore di perdita rimangono allo stesso livello dal primo down-scan dopo che il campione è stato caricato dinamicamente fino al 100% di taglio per la prima volta.

b) Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.Effetto Mullins

I parametri di misura utilizzati per la misurazione dell'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins sono riepilogati nella Tabella 2.

Nella Figura 6 sono mostrati i diagrammi sforzo-deformazione di due diversi campioni di EPDM70 con tutti e cinque i cicli di carico e scarico. Durante questi cicli, è evidente il comportamento viscoelastico e di rammollimento non lineare dell'elastomero caricato.

Quando il campione viene caricato per la prima volta a un certo valore di deformazione massima, segue la curva iniziale. Quando viene scaricato, si verifica una riduzione significativa del livello di sollecitazione per la stessa deformazione precedente, con conseguente isteresi nel diagramma sforzo-deformazione. A questo punto, non è possibile distinguere tra un fenomeno puramente viscoelastico, come dimostrato in una precedente nota applicativa [3] per un aerogel a base di carbonio, e ulteriori effetti dannosi, come l'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins. La differenza diventa evidente solo con il secondo ciclo di carico fino allo stesso valore di deformazione massima del ciclo precedente. Se i livelli di sollecitazione sono più bassi per il secondo ciclo rispetto al primo ciclo, allora si è verificato un danno. Una volta superata la deformazione massima del ciclo precedente, la curva sollecitazione-deformazione segue nuovamente la curva iniziale fino alla nuova deformazione massima del ciclo corrente.

Tabella 2: Panoramica dei parametri utilizzati per le misure dell'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins con il DMA ad alta forza.

Rilevanza degli effetti Payne e Mullins nell'industria della gommaIndustria della gomma

Gli elastomeri caricati, sia con nerofumo che con silice, svolgono un ruolo fondamentale nell'industria della gomma. Poiché gli effetti Payne e Mullins si manifestano come una variazione delle proprietà meccaniche (dinamiche) dei materiali elastomerici caricati, è fondamentale comprendere le implicazioni sulle proprietà del prodotto durante il servizio.

In molte applicazioni reali, durante la vita di un prodotto si verificano deformazioni dinamiche elevate o cicli multipli di carico e scarico: è il caso, ad esempio, dei tergicristalli dopo diversi cicli, dei pneumatici dopo diverse curve o degli ammortizzatori in gomma. Questi sono quindi soggetti alle conseguenze degli effetti Payne e Mullins. Questa variazione delle proprietà viscoelastiche è correlata a diverse proprietà rilevanti, come la Resistenza al rotolamentoLa resistenza al rotolamento è una forza che si oppone al movimento quando un corpo rotola su una superficie. Questo determina la resistenza allo slittamento, ad esempio, dei pneumatici di un'auto o di un camion.resistenza al rotolamento degli pneumatici attraverso una variazione del fattore di perdita o la capacità di smorzamento delle boccole.

NETZSCH I DMA High-Force consentono di quantificare con precisione l'entità degli effetti Payne e Mullins nei materiali e quindi di produrre gomme di qualità superiore e di prevedere meglio le prestazioni dei prodotti finali.