NETZSCH DMA 523: ダイナミック・メカニカル同時解析が可能なグッドリッチフレクソメーターの機能
はじめに
エラストマーは粘弾性材料として、様々な産業において基本的な役割を果たしている。機械的挙動の粘性成分は、様々な散逸プロセスにより、熱の形でエネルギー損失につながることが認識されています。一般的なDMA測定では、small の試料サイズ、低い動的振幅、低い周波数を使用するため、1サイクルあたりの散逸熱はごくわずかです。この散逸は、試料の温度上昇にはつながりません。しかし、タイヤトレッド、タンクトラックパッド、large ゴムローラーのような特定のゴム製品は、使用中に大きな力を受けます。その結果、周囲の環境に放散されるよりも多くの熱エネルギーが発生する状況になることがある。その結果、ゴム内に熱が蓄積（HBU）され、最終的にブローアウト（BO）による製品の故障につながる可能性があります。
NETZSCH DMA 523Eplexor は、2つの独立した駆動部により、高いレベルの変形や高い静的・動的荷重下での測定に最適なソリューションです。この高荷重DMAは、ASTM D623やISO 4666-3/ISO4666-4規格に準拠したフレクソメーター試験（屈曲発熱試験）だけでなく、顧客の要求に基づいてこれらの規格から逸脱した測定パラメーターも可能にします。
NETZSCH によるフレクソメーター試験（屈曲発熱試験）の可能性高荷重DMA
HBUとBOの実験には、前述の基準を満たす熱絶縁プラテンを備えた試料ホルダーが必要である。プラテンは、フェノール系熱硬化性樹脂と硬質紙からなるラミネート材料でできている。これらは、ゴム試料から試料ホルダーへの熱損失を最小限に抑えるように設計されており、これにより、常に重い動的機械的負荷がかかる最悪のシナリオをシミュレートしている。上部試料ホルダーの中央には熱電対が配置され、試験片の表面温度を正確に測定します。
この試料ホルダーの概略図を図1aに示す。
試料内部の温度情報を得るために、NETZSCH は2つのオプションを提供しています：
- 試料の中心付近に手動で設置する水平針熱電対。この熱電対は、基本的なフレクソメーター試料ホルダーにアドオンして使用することができます。この熱電対はHBU実験の合計時間中温度を測定します。BO実験中は水平針熱電対の使用を避けることを推奨します。このセットアップの例を図1bに示す。
- Pertinaxプラテンを備えた別の試料ホルダーと追加の垂直針状熱電対は、HBU測定が行われた後に空気圧で試料に挿入されます。この構成では、試料表面温度を検出する熱電対は中心からわずかにずれて配置されます。このタイプの試料ホルダーの概略図を図1cに示します。
NETZSCH 高荷重DMAによるヒートビルドアップおよびブローアウトテストの実施方法
測定を始める前に、NETZSCH DMA 523Eplexor に適切な力センサーが装備されていることを確認してください。さらに、ブレードスプリングシステムは、より大きな変形に対応できるように適合させる必要があります。HBUおよびBO試験にはlarge 力と変形が伴うため、少なくとも公称最大力2500Nの力センサーを使用することを推奨します。ブレードスプリングシステムに関しては、両方のスチールブレードスプリングを、特殊スパナでユニオンナットを緩めて取り外す必要があります。これらの手順は、ユーザーが数分で簡単に完了できる。HBU試験とBO試験は、以下の規格で定義されています：ASTM D623またはISO 4666/3、ISO 4666/4、JIS K 6265。試料の寸法は、直径17.8 mm、高さ25 mmの円柱を想定しています。
NETZSCH DMA 523Eplexor を用いたフレクソメーター試験 （屈曲発熱試験）では、時間的な温度変化や熱凝固な どの従来のフレクソメーター試験の結果に加えて、粘弾性 特性の貯蔵弾性率（E'）、損失弾性率（E''）、損失係数 （tanδ）についての知見も得られます。
以下では、HBUとBO実験の一般的なパラメータを要約する。
- ヒートビルドアップ試験
HBU試験では、ASTM D623およびISO 4666-3/ISO4666-4規格は、2.225mm、2.855mmまたは3.175mmの動的振幅を推奨している。ほとんどの場合、2.225mmが選択されます。静応力は1 MPaです。測定は室温、50°C、100°C のいずれかで行うことができ、規格では後者 2 つを推奨しています。フレクソメーターのセットアップの精度は、規格に概説されているように、組成が既知のスチレンブタジエンゴム（SBR）試料を用いて確認します。周囲温度100℃でHBU試験を30 Hz、25分間行った後の温度上昇は26.7℃±1.1℃でなければなりません。 - ブローアウト試験
BO試験は、HBU試験に類似した方法で実施される。主な違いは、試験片に増加荷重を加えることです。この場合、1 MPaの静的応力の代わりに2 MPaの静的応力が用いられます。同様に、動的変形振幅は3.125 mmに増加します。その結果、静応力は2 MPaに増加しますが、周波数はHBU試験と変わりません。
ゴム材料の剛性によっては、この規格で提案されている測定パラメータから逸脱する必要がある場合があることに注意してください。NETZSCH DMA 523は、DMA試験装置に完全な柔軟性を提供します。
静力学は応力制御であるため、ノギスを使用した信頼性の高いゴム試料の直径測定が必要です。測定パラメータは、あらかじめ設定されたパン・テンプレート・ファイルに入力します。HBU試験の場合、ユーザーが調整する必要があるのは、試料直径などの最も重要な設定だけです。
ヒートビルドアップとブローアウト試験
NETZSCH DMA 523Eplexor を用いた一般的な手順とフレクソメーター試験（屈曲発熱試験） の可能範囲をゴム試験片を用いて説明します。
a.SBR 参照試料を用いた温度測定精度の検証
前述のように SBR 参照試料を用いてフレクソメ ーターの試料ホルダーセットアップの精度を確認しま す。温度上昇を 2 種類の SBR 試料について図 3 に示します。いずれの試料も高い再現性を示し、ASTM D623 規格で規定されている温度許容差内に収まっています。
b.フレクソメーター試験（屈曲発熱試験）
フレクソメーター試験（屈曲発熱試験）用試料ホル ダーを用いた温度測定の精度を確認した後、ゴム試料を HBU 試験用に設定した測定パラメーターで初期評価しました。結果の概略を図 4 に示します。
温度は 25 分後に ~36°C 上昇しています。さらに、調査対象の 3 つの試料すべてに 2 つの明確な温度領域が見られます。最初の領域は、温度が時間と共に直線的に上昇する約10分後まで続く。この領域の後、温度の傾きは再び増加し始め、最終的にはHBU実験の終了間際のプラトー値で水平になる。
興味深いことに、温度の上昇とtanδの上昇は同時に起こっている。損失係数は、むしろ試料体積全体の減衰の温度による変化を反映していることを強調することが重要である。温度上昇はゴム試料の上面でのみ測定されている。
タンデルタは、まず、試料内の温度上昇により、初期値～0.15から減少する。損失係数の減少は、試料に加えられた全機械的仕事において、より高度な弾性応答を示している。しかし、約5～6分後にtanδが最小値～0.10に達した後、tanδは再び徐々に上昇し、測定時間18～19分後に局所的に最大値0.12に達する。図5に示す測定後の試料断面検査から、損失係数の増加は、試料中心部に空洞が形成されたことに起因すると推測される。試料の健全性が低下することで、たわみが大きくなり、損失係数が見かけ上増加する。しかし、この効果は材料固有のものではなく、試料内部のガス気泡の形成によるものです。
動的機械的負荷が増加すると、時間の経過とともに温度上昇が速くなる。これらのBO試験の結果を図6に示す。この図では、温度は時間とともにほぼ直線的に上昇している。しかし、BO試験の終盤になると、温度上昇の速度は減速し、最終的には突然のブローアウトによるゴム試料の破壊に至る。破壊前に記録された最高表面温度は54℃である。
tanδの時間変化は、HBU試験で観察されたものと同等の特性を示している。この場合、損失係数の増加は、より短い時間スケールで起こる。これは、試料に加えられる機械的負荷が高いほど、空洞の形成が早まるためである。
垂直針状熱電対を使用すると、さらに詳しい情報が得ら れます。Flexometer 試料ホルダー（図1c）を使った測定でこの機 能を作動させると、HBU測定後に1点の温度が検出さ れます。
垂直針熱電対が自動的に試料中央に挿入され、HBU測定終了後の温度をプローブします。ここで調査したエラストマーの場合、試料表面で検出された～36℃と比較して、温度は平均で～57℃上昇した。
c.c.硬質ゴム試料のヒートビルドアップ試験
この単一測定点では不十分な場合は、図1bに示すように、試料の中心に水平の針状熱電対を手動で挿入する方法もある。この測定セットアップの結果を図7に示す。この構成により、HBU測定全体を通して温度を観察することができる。
試料中心部の温度上昇（～68℃）は、試料表面で検出された温度上昇（～20℃）よりも著しく高いことがはっきりとわかる。したがって、材料のブローアウトが発生する温度を正確に測定するには、水平針状熱電対を挿入する必要がある。しかし、この熱電対の使用には、結論で述べるような欠点がある。また、tanδの傾きが（反転しているが）試料中心部の温度上昇の傾きと似ていることも明らかになった。このことは、tanδが提供する試料体積全体の粘弾性特性の変化を記述するには、表面温度では不十分であることを強調しています。
HBU測定終了後に挿入される垂直針熱電対の温度は、試料中の検出温度とよく対応している。しかし、一定の遅延が存在し、その間に中心部の試料温度が10℃以上低下することを考慮しなければなりません。
NETZSCH DMA 523 では、HBU 実験の全過程における熱永久歪の同時測定も可能です。この特性により、大きな動的負荷がかかったときのゴム材料の形状安定性に関する結論を導き出すことができます。例えば、タンクトラックパッドは、その機能を保証するために、可能な限り元の形状を維持する必要があります。サーマルセットは、HBU実験の動的セグメントの開始時、すなわち浸漬時間セグメントの終了後に、最初の測定ポイントで検出された試料の長さに基づいて測定されます。
図8には、2つのSBR参照試料の温度セットと温度上昇の推移が表示されています。最初の5分間は、試料の膨張が支配的であり、この間に試料全体の温度が最も急速に上昇します。温度上昇が緩やかになって初めて、試料の長さが減少し始めます。5分経過時点で試料が約1％膨張した後、この膨張はSBR試料に加えられた大きな動的荷重による試料長の減少によって補われます。
結論
NETZSCH DMA 523Eplexor は、ゴム材料およびそれ 以外の材料のフレクソメーター試験(屈曲発熱 試験)を簡単に行うことができます。エラストマー試料の温度変化と粘弾性特性に関するデータを収集し、使用中の高荷重に耐える耐久性の高いゴム製品の開発に必要なあらゆる情報を提供します。さらに、HBU実験中に検出される熱セットによって、ゴム試料の形状安定性を測定することもできる。
しかし、装置の選択には、応用上の利点と欠点があります：
- 基本的なフレクソメーター試験（屈曲発熱試験）用試料ホル ダーは、HBU 試験と BO 試験の合計時間中、上面温度を検出 するように設計されています。熱劣化特性が明確なエラストマー化合物ではこれで十 分かもしれませんが、異なる化合物では測定中の表面温 度上昇に差が見られない場合もあります。
- NETZSCH は、エラストマーコンパウンドの内部からより多くの情報を得るために2つの解決策を提供します：ひとつは垂直針熱電対付きフレクソメーター試料ホル ダー、もうひとつは水平針熱電対で、基本的なフレクソメー ター試料ホルダーにアドオンして使用します。
- 最初のオプションは、HBU測定終了後、温度測定点1点のみを検出するように設計されています。手動で挿入する水平針熱電対とは対照的に、この手順は自動的に実行されます。この機能により、測定間のユーザーによる発明の必要性が減り、効率と一貫性が向上する。
- 水平針熱電対は、測定の全時間にわたって試料中心部の温度を測定することができる。ただし、このアドオンは実験前に手動で挿入する必要がある。事前に熱電対を挿入すると、材料に亀裂が入り、試料の構造が弱くなる可能性がある。その結果、測定された粘弾性特性の精度に影響を及ぼす可能性があります。さらに、発生する混合ガスが針状熱電対に沿って表面に拡散しやすい経路を持つため、試料中心部の空洞形成に影響を与える可能性もあります。HBUやBO測定の基本的な目的は、構造的に原始的な試料を調査することです。このアドオンは、バージン試料を用いた従来のHBUやBO実験の代用としてではなく、熱蓄積のシミュレーションを行うための補助的なリソースとしてのみ利用されるべきです。熱電対と試料間の摩擦や、熱電対が熱を試料のコアから外部に伝導する役割が、このアドオンを使用する際の影響因子であることに注意することが重要です。