Introduzione
Le prove dinamiche di accumulo di calore consentono di comprendere meglio le proprietà termiche degli elastomeri. Tali prove vengono eseguite applicando un carico costante, una frequenza di 30 Hz e un'ampiezza di deformazione di diversi mm (secondo le norme DIN 53 533 e ASTM D623-99). Queste condizioni di prova provocano un attrito interno, che a sua volta provoca una dissipazione di energia e quindi un aumento della temperatura del campione. Inoltre, il campione subisce una deformazione (set termico). Le prove di accumulo di calore sono importanti per i pneumatici/gomme che sono soggetti a elevate sollecitazioni di compressione durante il servizio. L'apparecchiatura qualificata per eseguire tali esperimenti è il sistema GABOMETER®, che rappresenta un sistema Eplexor® modificato. Funziona come un flessometro più universale perché offre tutte le caratteristiche del flessometro classical Goodrich e in più acquisisce dati meccanici sul materiale come il modulo E e lo smorzamento (tanδ ).
A) Ripetibilità dei risultati delle misure
Poiché è necessario distinguere le possibili differenze nella costituzione del materiale tra i diversi lotti di campioni, è essenziale un'elevata ripetibilità dei risultati delle prove flessometriche. La Figura 1 mostra il test di ripetibilità dei sistemi GABOMETER® su due campioni dello stesso lotto.
In questo caso, due campioni di prova (stesso lotto - campioni cilindrici per il carico di compressione) sono stati testati indipendentemente, ma in condizioni di carico identiche. L'accumulo di calore determina temperature diverse, ad esempio al centro rispetto alla superficie. Per misurare la temperatura al centro del campione, si utilizza una termocoppia a forma di ago, come mostrato nella figura 3. La temperatura superficiale viene misurata al centro del campione.
La misurazione della temperatura superficiale viene eseguita sulla superficie superiore del campione tramite una termocoppia inserita nel supporto di accumulo termico superiore isolato termicamente. Anche la misura del tanδ (smorzamento del materiale) presenta un'eccellente ripetibilità.
B) Vantaggi dell'utilizzo di un sensore di temperatura aggiuntivo (termocoppia ad ago)
Oggi i test di accumulo di calore vengono comunemente eseguiti con i flessometri Goodrich. Tuttavia, i flessometri convenzionali soffrono di problemi di risoluzione e riproducibilità. La modularità del design di Eplexor® comprende configurazioni per l'esecuzione di prove di accumulo di calore. GABOMETER® è una delle soluzioni più economiche dedicate a tali prove HBU. La termocoppia ad ago aggiuntiva per misurare la temperatura al centro del campione aggiunge all'esperimento informazioni materiali che altrimenti rimarrebbero nascoste.
La misurazione della temperatura superficiale è richiesta dalla norma ASTM D623, ma da sola non sempre consente di distinguere tra due campioni in termini di aumento della temperatura in funzione del tempo (vedi figura 2 - temperatura in superficie). È il sensore di temperatura supplementare ad ago che rivela con maggiore precisione la temperatura al centro del campione. La temperatura al centro è quella meno influenzata dalle perdite di energia attraverso le superfici esterne. È quindi anche più sensibile per rivelare le differenze di temperatura indotte dall'effetto di accumulo di calore. Le differenze nella dissipazione di energia tra i campioni A e B determinano differenze di temperatura più pronunciate al centro. È la misurazione della temperatura al cuore che permette di distinguere tra i composti A e B, come mostrato nell'esempio (figura 2).
Ma qual è la ragione di questa differenza?
I composti di base dei campioni A e B sono identici, ma si differenziano per il tipo di nerofumo che contengono. Il nerofumo del campione A ha una maggiore conducibilità termica e provoca maggiori perdite di calore verso la superficie. Di conseguenza, la temperatura del nucleo nel caso A diminuisce maggiormente rispetto al caso B, che ha una conduttività più bassa. La temperatura del nucleo si riduce e il ciclo di vita della mescola di gomma migliora grazie alla minore dissipazione di calore.
C) Vantaggi della registrazione di tanδ
La Figura 4 mostra un altro esempio di test di accumulo di calore. Per questo test sono stati confrontati i composti A e C, molto diversi tra loro. Il campione A mostra un accumulo di calore superiore di circa 20°C rispetto alla corrispondente temperatura del campione C.
Di conseguenza, anche le proprietà di smorzamento (tanδ) dei polimeri sono molto diverse. Il composto C rivela uno smorzamento meccanico molto più basso rispetto al composto A. Il materiale C può seguire meglio le deformazioni dinamiche rispetto al materiale A grazie alle sue minori perdite di smorzamento meccanico (tanδ).
Conclusione
I sistemi Eplexor® 2000 N o 4000 N, così come i flessometri universali GABOMETER® 2000 N e 4000 N, possono essere sostituiti al flessometro classical Goodrich nelle prove e generare ulteriori vantaggi per l'utente. La termocoppia ad ago opzionale per la misurazione della temperatura al cuore migliora significativamente la sensibilità del sistema per rilevare l'effetto di accumulo di calore ed è in grado di fornire un quadro più completo delle proprietà del materiale. Materiali altrimenti indistinguibili tra loro in termini di effetto di accumulo di calore possono essere differenziati in modo affidabile utilizzando l'ago.
Al contrario, si ottengono molte meno informazioni utilizzando solo la temperatura superficiale, come previsto dalla norma ASTM D623.
Grazie alla loro struttura modulare, i sistemi GABOMETER® possono essere aggiornati per consentire la determinazione delle proprietà viscoelastiche dei materiali o per ottenere la piena funzionalità DMTA. Tali retrofit possono essere effettuati in qualsiasi momento dopo l'installazione, a seconda delle necessità.