はじめに
密度が低いため、発泡体には幅広い用途がある。軟質発泡体は、例えばクッション材、防音材、ガタ防止材として使用される。特に硬質発泡体は、断熱材、靴底、複合構造の充填層などの用途に使用される。断熱効果や様々な環境条件下での材料抵抗に重点を置く場合、通常は独立気泡フォームが使用される。一方、特に軟質発泡体は通常オープンセルであり、個々のセルから気体を逃がすことができるため、発泡体はより大きな弾性圧縮を受けることができる。
一般に、多くのポリマーが発泡体の出発材料として適している。発泡ポリスチレンまたはポリウレタン（PUR）ベースの発泡体が特に広く使用されている。製造方法によって、様々なPURフォームが非常に異なる特性を示すことがある。発泡体の密度および架橋度は、発泡剤（水）の量、さらなる添加剤の添加、および出発原料の鎖長によって大きく異なるため、柔らかい発泡体から非常に硬い発泡体まで、幅広い範囲を可能にする。
機械的特性の測定には、classic 万能引張試験機による試験がよく知られている。静的な変形挙動と並んで、フォームの減衰もしばしば用途にとって中心的な重要性を持ちます。ここで、DMAはフォームの粘弾性挙動全体を記録することで貴重な貢献をすることができます。この寄稿では、例として柔らかいオープンポアのPURフォームを調査した。
静的テスト
高荷重試験機（DMA Gabo Eplexor® 500 N）による静的（準静的）試験では、万能試験機と同様にゆっくりと変化する荷重をかけ、その結果生じる力と変形を測定します。発泡体の一般的な設置状況に応じて、測定は通常圧縮モードで行われます。
図1は、左側が無荷重の試料、右側が圧縮された試料を示しています（Eplexor® ）。比較的small 横ひずみのみが発生していることに気づくことができ、ここでは初期近似的に完全に圧縮可能な材料と仮定することができます。
まず、静的応力-ひずみ曲線を記録します。ワンオフ効果を排除するため、発泡試料には一般的に2回の荷重と除荷が行われますが、図2には2回目の荷重サイクルのみが示されています。
これは、軟弾性発泡体の一般的な応力-ひずみ曲線を示している（例えば、(Keller, 2019)と比較）。比較的small ひずみ下では、セルはわずかにしか変形せず、材料はほぼ線形弾性的に挙動する。ひずみが大きくなると、オープンセルフォームのセルは崩壊する。この過程で空気はセルから逃げなければならないので、結果は変形速度の関数となる。このプラトー領域では、変形に必要な応力はゆっくりとしか増加しません。非常に高いひずみレベル（ここでは約50%から始まる）では、すでに崩壊したセルがさらに圧縮され、応力は再び顕著に増加する。その後の除荷時には、その間に発生したエネルギー散逸のため、要求応力はいくらか低くなるだけで、一般的なヒステリシスが発生する。
ISO 3386によると、圧縮硬さは、40%のひずみの増加下での必要応力として決定され、ここでは圧縮硬さはσd 40 = 0.12MPaとなる。ヒステリシスの面積から、材料の減衰を概算することができます。PURフォームの減衰能力はかなり異なる。
図3は、異なるヒステリシス曲線を模式的に示している。減衰挙動によって、PURフォームはmedium （タイプA）、強く減衰するもの（タイプB）、弱く減衰するもの（タイプC）に分類することができる。従って、調査した試料は、よりタイプCに分類することができる。
ここで使用した全面荷重に代わるものとして、発泡体に対する貫入試験が頻繁に実施されている。この場合、上部ロッドの代わりに小さな本体を試料に押し込む。これに必要な力は、圧痕硬度と呼ばれる。
ダイナミック・テスト
DMAの静的スイープでは、各ステップで静的荷重をかけ、その状態で動的振動実験を行います。こうすることで、この時点でヤング率を直接測定することができ、したがって減衰も局所的に決定することができます。
発泡試料を再び70％まで段階的に静的に伸ばします。図4では、静的試験と同じ挙動が見られます：ひずみsmall 、試料はほぼ直線的な挙動を示しますが、その後ひずみが増加するにつれて退行バネ特性を示します。最終的な圧縮は、静的ひずみとともに増加するバネ剛性によって再び特徴付けられ、したがって進行性バネ剛性として特徴付けることができます。
DMAにより、動的振動による各ポイントのヤング率を測定することができます。予想されるように、ひずみ領域（small ）で弾性率は最初に低下し、その後比較的一定になり、最終的に圧縮の増加とともに再び上昇します。このように、DMAによって測定された弾性率は、静的試験の評価後の正接弾性率と全く同じ挙動を示します。
機械試験装置では、試料のヤング率を直接測定するのではなく、まず測定可能な力と変形に基づいて剛性を決定します。次に、試料の形状と材料モデルに応じてヤング率が計算されます。発泡体は大部分が圧縮性であるため、変形中に断面積が大きく変化することはありません。従って、試料に作用する応力を計算することができます：
σ =F/A0
ここで、Fは力、A0は公称初期断面積です。
試料の長さはかなり変化するため、動的ひずみは常に現在の試料の長さに関係づける必要があります、
ε =ΔL/Lm
であり、変形ΔLと現在の試料長さLmに関係します。これにより、弾性率を計算するための形状係数がLm/A0 となります。
この係数は一般的に圧縮性材料に対して有効であり、Eplexor® ソフトウェアで直接選択することができます。
静的試験では、変形全体のヒステリシスに基づいてフォームの減衰挙動を特徴付けることが可能です。DMAでは、各静的荷重に対して局所的な減衰を決定することができるため、より正確な特性評価が可能になります。small 変形の範囲では、フォームの減衰能力は低いことが明らかです。減衰（ここではtanδ）はプラトー領域では比較的一定で、圧縮領域で再び増加する。このように、DMAは負荷状態における減衰能力を正しく決定することができます。
非線形材料の挙動は、動的振動振幅を増加させた場合にも完全に類似しています。図5は、異なる静ひずみレベルにおける動的振動サイクル（動的ひずみ振幅10%）の対応するヒステリシスを示しています。ヤング率は応力-ひずみダイアグラムの傾きから得られます。small の静的ひずみの範囲では剛性が最初に低下し（退行剛性）、次にlarge のひずみの下で再び上昇する（進行剛性）ことがわかります。large 動的振幅では、この挙動はヒステリシスの変形でも明らかである。静的予荷重による減衰の増大は、ヒステリシスのlarge 領域でも顕著である。
温度挙動
特にDMA Gabo Eplexor® では、機械的非線形材料挙動の測定とともに、熱機械分析も可能です。従って、これまで実施されてきた分析は、高温または凝固点以下の温度でも可能です。熱特性解析は主に、small の振幅の線形範囲で行われる。発泡体には強い断熱効果があるため、加熱速度は2K/分と低速にした。
直接的な温度挙動とともに、直接測定できない周波数での材料特性もしばしば注目されます。これは例えば、音響減衰のために発泡体を使用する場合に当てはまります。ここでは、マスターカーブの生成に時間-温度重ね合わせ法を採用することができる。これにより、より高い周波数での材料挙動について結論を導き出すことができます。
概要
DMA Gabo Eplexor® 500 Nは、有意義なサイズの発泡体を測定するのに十分な耐力を備えており、非線形で時間依存性のある機械的挙動を特徴付けることができます。応力-降伏応力図から得られる情報に加えて、DMAは圧縮状態での剛性と減衰の測定にも使用できます。さらにDMAでは、温度挙動とマスターカーブ技術により、高周波におけるヤング率も1台の装置で測定できます。これにより、様々な応用シナリオに対応した発泡体の特性評価が可能になります。