소개
밀도가 낮기 때문에 폼은 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어 소프트 폼은 완충재, 음향 감쇠 또는 딸랑이 보호용으로 사용됩니다. 특히 경질 폼은 단열재, 신발 밑창 또는 복합 구조물의 충진층과 같은 용도로 사용됩니다. 다양한 환경 조건에서 단열 효과 또는 재료 저항성에 중점을 두는 경우에는 일반적으로 폐쇄 셀 폼이 사용됩니다. 반면에 소프트 폼은 일반적으로 개방형 셀을 사용하여 개별 셀에서 가스가 빠져나가도록 하여 폼이 더 큰 탄성 압축을 겪을 수 있도록 합니다.
일반적으로 많은 폴리머가 폼의 출발 물질로 적합합니다. 발포 폴리스티렌 또는 폴리우레탄(PUR) 기반 폼이 특히 널리 사용됩니다. 제조 방식에 따라 다양한 PUR 폼은 매우 다른 특성을 나타낼 수 있습니다. 발포제의 밀도와 가교 정도는 발포제(물)의 양, 추가 첨가제의 첨가, 출발 물질의 사슬 길이에 따라 크게 달라지므로 부드러운 발포제부터 매우 뻣뻣한 발포제까지 폭넓은 범위의 제품을 생산할 수 있습니다.
기계적 특성을 결정하기 위해 범용 인장 시험기( classic )를 이용한 테스트가 잘 확립되어 있습니다. 정적 변형 거동과 함께 폼의 감쇠도 종종 응용 분야에서 가장 중요한 요소입니다. 여기서 DMA는 폼의 전체 점탄성 거동을 기록함으로써 귀중한 기여를 할 수 있습니다. 이 기고에서는 부드러운 오픈 포어 PUR 폼을 예로 들어 조사합니다.
정적 테스트
High Force DMA GABO Eplexor® 500 N으로 정적(준정적) 테스트를 하는 동안 범용 테스터에서와 같이 천천히 변화하는 하중을 가하고 그 결과 힘과 변형을 측정합니다. 폼의 일반적인 설치 상황에 따라 측정은 일반적으로 압축 모드에서 수행됩니다.
그림 1은 왼쪽의 비하중 샘플과 오른쪽의 압축 샘플을 보여줍니다 Eplexor®. 상대적으로 small 횡 변형만 발생하며 초기 근사치에서 완전히 압축 가능한 재료라고 가정할 수 있습니다.
먼저 정적 응력-변형률 곡선이 기록됩니다. 일회성 효과를 배제하기 위해 폼 샘플은 일반적으로 두 번 로드 및 언로드되며, 그림 2에는 두 번째 로드 주기만 표시되어 있습니다.
이는 연탄성 폼의 전형적인 삼각형 응력-변형 곡선을 보여줍니다(예: (Keller, 2019)와 비교). 상대적으로 small 변형률에서는 셀이 약간만 변형되고 재료가 거의 선형 탄성 방식으로 작동합니다. 변형이 증가하면 오픈셀 폼의 셀이 붕괴됩니다. 이 과정에서 공기가 셀에서 빠져나가야 하므로 결과는 변형률의 함수에 따라 달라집니다. 이 고원 영역에서는 변형에 필요한 응력이 천천히 증가합니다. 매우 높은 수준의 변형률(여기서는 약 50%에서 시작)에서는 이미 붕괴된 셀이 더 압축되고 응력이 다시 급격하게 증가합니다. 이후 언로딩하는 동안에는 그동안 발생한 에너지 소산으로 인해 필요한 응력이 다소 낮아지고 전형적인 히스테리시스가 발생합니다.
ISO 3386에 따르면 압축 경도는 40%의 변형률 증가에 따른 필요 응력으로 결정되며, 여기서 압축 경도는 σd 40 = 0.12 MPa입니다. 히스테리시스 영역을 통해 재료 감쇠를 대략적으로 추정할 수 있습니다. PUR 폼의 감쇠 용량은 상당히 다양합니다.
그림 3은 서로 다른 히스테리시스 곡선을 개략적으로 보여줍니다. 댐핑 거동에 따라 PUR 폼은 medium 댐핑(유형 A), 강하게 댐핑(유형 B) 또는 약하게 댐핑(유형 C)으로 분류할 수 있습니다. 따라서 조사 대상 샘플은 C타입에 더 가깝게 분류할 수 있습니다.
여기서 사용되는 전체 표면 하중의 대안으로 폼에 대한 침투 테스트가 자주 수행됩니다. 이 경우 상부 막대 대신 더 작은 몸체가 시료에 눌려집니다. 여기에 필요한 힘을 압입 경도라고 합니다.
동적 테스트
DMA의 정적 스윕에서는 각 단계에 정적 하중을 가한 다음 이 조건에서 동적 진동 실험을 수행합니다. 이렇게 하면 이 지점에서 영의 계수를 직접 측정할 수 있으므로 댐핑도 국부적으로 결정할 수 있습니다.
폼 샘플을 다시 최대 70%까지 단계적으로 정적으로 늘립니다. 그림 4에서 정적 테스트와 동일한 거동을 볼 수 있습니다: small 스트레인의 경우, 샘플은 거의 선형적으로 작동하지만 스트레인이 증가함에 따라 점진적인 스프링 특성이 나타납니다. 최종 압축은 다시 정적 변형에 따라 증가하는 스프링 강성으로 특징지어지며, 따라서 점진적 스프링 강성으로 특징지어질 수 있습니다.
DMA를 사용하면 동적 진동으로 인해 각 지점에서 영의 계수를 측정할 수 있습니다. 예상대로, 계수는 처음에 small 변형률 영역에서 떨어졌다가 상대적으로 일정하다가 압축이 증가함에 따라 다시 증가합니다. 따라서 DMA로 측정한 계수는 정적 테스트 평가 후 탄젠트 계수와 정확히 동일하게 작동합니다.
기계 테스트 장비를 사용하면 시료의 영 계수를 직접 측정하지 않고 측정 가능한 힘과 변형을 기반으로 강성을 먼저 결정합니다. 그런 다음 샘플의 기하학적 구조와 재료 모델에 따라 영의 계수가 계산됩니다. 폼은 대부분 압축 가능한 상태로 작동하므로 변형 중에 단면적은 눈에 띄게 변하지 않습니다. 따라서 샘플에 작용하는 응력을 계산할 수 있으며, 이는 항상 다음과 같이 표현됩니다:
σ = F/A0
여기서 F는 힘이고 A0은 공칭 초기 단면입니다.
샘플의 길이가 상당히 변하기 때문에 동적 변형률은 항상 현재 샘플 길이와 관련이 있어야 합니다,
ε = ΔL/Lm
변형 ΔL과 현재 샘플 길이 Lm. 이렇게 하면 모듈러스 계산을 위한 지오메트리 계수가 Lm/A0으로 산출됩니다.
이 계수는 일반적으로 압축 가능한 재료에 유효하며 Eplexor® 소프트웨어에서 직접 선택할 수 있습니다.
정적 테스트에서는 전체 변형의 히스테리시스를 기반으로 폼의 감쇠 거동을 특성화할 수 있습니다. DMA를 사용하면 각 정적 하중에 대해 국부적인 댐핑을 결정할 수 있으므로 보다 정확한 특성화가 가능합니다. 폼은 small 변형 범위에서 낮은 댐핑 용량만 가지고 있음을 알 수 있습니다. 댐핑(여기서는 탄 δ)은 고원 영역에서 비교적 일정하게 유지되다가 압축 영역에서 다시 증가합니다. 따라서 DMA를 사용하면 하중이 걸린 상태에서의 댐핑 용량을 정확하게 측정할 수 있습니다.
비선형 재료 거동은 동적 진동 진동 진폭을 증가시킬 때 완전히 유사합니다. 그림 5는 다양한 정적 변형률 수준에서 동적 진동 주기(동적 변형률 진폭 10%)의 해당 히스테리시스를 보여줍니다. 영의 계수는 응력-변형 다이어그램의 기울기에서 다시 나타납니다. small 정적 변형률(점진적 강성) 범위에서 강성이 처음에 감소했다가 large 변형률(점진적 강성)에서 다시 증가하는 것을 볼 수 있습니다. large 동적 진폭에서 이러한 동작은 히스테리시스의 변형에서도 분명하게 나타납니다. 정적 프리로드에 따른 댐핑의 증가는 히스테리시스의 large 영역에서도 확인할 수 있습니다.
온도 동작
기계적인 비선형 재료 거동의 측정과 함께 특히 DMA GABO Eplexor® 를 사용하면 열역학적 분석도 수행할 수 있습니다. 따라서 이전에 수행한 분석은 고온 또는 빙점 이하의 온도에서도 가능합니다. 열 특성 분석은 주로 small 진폭의 선형 범위에서 수행됩니다. 폼의 강력한 단열 효과로 인해 2K/min의 낮은 가열 속도가 선택되었습니다.
직접적인 온도 거동과 함께 측정으로 직접 접근할 수 없는 주파수에서의 재료 특성이 종종 관심의 대상이 됩니다. 예를 들어 음향 감쇠를 위해 폼을 사용할 때 이러한 특성이 적용됩니다. 여기서 마스터 곡선 생성을 위해 시간-온도 중첩 방법을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 훨씬 더 높은 주파수에서의 재료 거동에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.
요약
DMA GABO Eplexor® 500 N은 의미 있는 크기의 폼을 측정하기에 충분한 힘 보유량을 제공하여 비선형 및 시간 의존적인 기계적 거동을 특성화할 수 있습니다. 응력-변형 다이어그램에서 얻을 수 있는 정보 외에도 압축 상태에서의 강성 및 감쇠를 측정하는 데에도 DMA를 사용할 수 있습니다. 또한 DMA를 사용하면 온도 거동과 마스터 커브 기법을 통해 고주파수에서의 영 계수를 단 하나의 계측기로 측정할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 응용 시나리오에서 폼의 특성을 분석할 수 있습니다.