소개
오늘날 동적-기계적 열 분석(DMTA) 방법은 고무 및 타이어의 재료 연구에서 잘 확립되어 있습니다. 예를 들어 타이어 산업에서 새로운 화합물을 개발하려면 적용되는 재료의 기계적 특성에 대한 자세한 정보가 필요합니다. 여기에는 온도, 여기 주파수 및 외부 변형(예: 변형률)의 함수로서 저장탄성계수 E', 손실탄성계수 E" 및 손실계수 탄δ를 포함하는 점탄성 재료 데이터의 측정이 포함됩니다.
쇼어 경도 테스트는 꽤 인기가 있습니다. 안타깝게도 쇼어 테스트를 통해 얻은 점탄성 특성에 대한 정보는 특정 중요한 영역에서 부족합니다. 화합물의 온도 및 주파수 의존성에 대한 데이터는 전혀 제공되지 않습니다. 또한 해안 테스트 중에 샘플에 가해지는 변형은 측정되지 않습니다.
오직 DMTA 조사만이 원하는 결과를 얻을 수 있습니다. 엘라스토머 시스템의 점탄성 특성(E', E", tanδ)은 외부에서 가해지는 변형에 따라 달라지기 때문에 전체 적용 온도 범위에서 일정한 변형 진폭으로 온도 스윕을 수행해야 합니다.
유리 전이 Tg 이하의 온도에서 고무 화합물의 강성이 높기 때문에 필요한 정적 및 동적 변형을 얻으려면 높은 힘 수준이 필요합니다.
일반적으로 압축 테스트에는 높이와 지름이 10mm인 원통형 샘플("Roelig" 샘플)이 사용됩니다.
유리 상태의 일반적인 값인 3,000 MPa의 E' 계수를 가정할 때, 기기의 테스트 용량은 약 2 μm의 감지 가능한 연신율을 생성하기 위해 +/-50 N의 동적 힘 진폭이 필요합니다. 이는 기존의 실험실 DMA 장비로는 달성할 수 없습니다. 이러한 작업에 특히 적합한 장비는 NETZSCH 가보 인스트루먼트의 Eplexor® 500 N입니다(그림 1 참조).
NETZSCH 가보 인스트루먼트의 Eplexor® 시리즈와 같은 DMTA 시스템에는 고출력 드라이브가 장착되어 있어 높은 힘 수준의 적절한 진폭을 구현할 수 있습니다.
그러나 품질 관리(QC)에서는 경제적인 이유로 인해 시간이 많이 소요되는 온도 스윕은 불편합니다. QC 테스트는 매우 신속하게 수행되어야 합니다. 시료 준비를 포함한 QC 테스트는 최대 20분 이내에 완료되어야 합니다. 이 애플리케이션 노트에서는 온도 스윕을 주파수 스윕으로 대체하여 Tg에 가깝게 수행하는 방법을 설명합니다.
부틸 고무(BR) 및 SBR 1500의 온도 의존성
모든 온도 스윕은 -80°C ~ 80°C의 온도 범위 내에서 초기 샘플 길이(모든 샘플의 경우 10mm)와 관련하여 4% 변형률의 정적 변형에서 수행됩니다. 적용된 동적 변형 진폭은 ± 0.2%이며 테스트 주파수는 10Hz입니다.
그림 2는 온도에 따른 충전(50phr 카본 블랙) 및 비충전 BR의 복합 계수를 보여줍니다.
카본 블랙 함량으로 인해 0°C 이상의 온도에서 충전된 BR의 모듈러스는 순수 BR보다 약 10배 더 높습니다.
충전 및 비충전 BR 시스템(그림 3)은 약 50K의 온도 범위(tanδ 피크의 절반 폭)에 걸쳐 매우 넓은 유리 전이 영역을 나타냅니다. 그러나 두 시스템의 탄δ 피크 높이는 서로 크게 다릅니다(충전: 탄δ 피크 최대값은 0.75, 비충전: 탄δ 피크 최대값은 1.3).
그림 4와 5는 조사된 두 번째 시스템의 복소 계수와 탄젠트δ를 보여줍니다. 이번에도 채워진 시스템과 채워지지 않은 시스템의 특성을 분석했지만 이번에는 SBR 1500을 기준으로 했습니다. 순수 SBR은 BR 시스템보다 훨씬 좁은 유리 전이 피크를 나타냅니다. 이 유리 전이의 반폭은 20K에 불과했습니다. 이전과 마찬가지로 비충진 SBR의 복소 계수 [E*]의 절대값은 Tg 아래에서 거의 3,000MPa에서 Tg 위 5MPa 미만의 값으로 떨어집니다. 충전된 시스템의 [E*]는 Tg 이상의 온도에서 충전되지 않은 SBR 1500의 두 배입니다.
텍스트 삽입
충진 및 비충진 고무 시스템에서 수행되는 주파수 스윕 고무 시스템
그림 6은 두 부틸 고무 시스템의 주파수 의존성을 보여줍니다. 충전된 시스템(BR - 23°C에서 50phr)의 복합 계수(E*, 절대값으로 표시)는 단순히 비충전된 BR(BR - 23°C에서 비충전)보다 더 높은 수준으로 이동합니다. 상온에서 충전(BR - 23°C에서 50 phr) 및 비충전(BR - 23°C에서 비충전) BR 컴파운드의 선 모양은 매우 유사하여 충전 및 비충전 고무의 주파수 거동이 동일하다는 것을 나타냅니다.
T = -20°C의 온도에서 유리 전이 영역 내에서는 상황이 상당히 달라집니다. 충전되지 않은 BR은 충전된 시스템보다 주파수가 증가함에 따라 [E*] 곡선의 기울기가 훨씬 더 높아집니다.
충전된 시스템과 충전되지 않은 SBR 1500 시스템에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있습니다(그림 7). 예상대로, 충전된 시스템(23°C에서 SBR 1500 - 50phr)은 일반적으로 비충전된 시스템(23°C에서 SBR 1500 - 비충전)보다 복소 계수[E*]가 더 높은 값을 보입니다. 실온에서 두 곡선의 기울기는 크게 다르지 않습니다. 다시 -20°C에서 large 선 모양의 차이를 감지할 수 있으며, 앞서 설명한 대로 E*의 절대값을 분석하여 서로 다른 필러 함량을 구분할 수 있습니다.
요약
Large 고무 시료(직경 10 mm)는 압축 모드에서만 가보 인스트루먼트( NETZSCH )의 Eplexor® 500 N과 같은 고강도 DMA 장비를 사용해서 조사할 수 있습니다.
E*가 카본 블랙 함량의 어떤 함수인지에 대한 질문은 다양한 온도에서 열 평형 상태에서 수행되는 주파수 스윕으로 답할 수 있습니다. 시간-온도 또는 주파수-온도 중첩의 원리로 인해 온도를 일정하게 유지하면서 주파수를 변화시키면 온도 스윕과 동일한 정보를 제공할 수 있습니다.
일반적으로 주파수 스윕은 약 5분 정도만 소요되므로 2시간 정도 걸리는 기존 온도 스윕에 비해 테스트 절차가 크게 빨라집니다.
또한 테스트 결과에 따르면 Tg에 가까운 주파수 스윕을 수행하면 카본 블랙 함량이 다른 고무 재질을 매우 빠르게 분석하여 구별할 수 있습니다.