NETZSCH DMA 523: 동적-기계적 동시 분석이 가능한 굿리치 굴곡계 기능
소개
점탄성 소재인 엘라스토머는 여러 산업에서 기본적인 역할을 합니다. 기계적 거동의 점성 성분은 다양한 소산 과정으로 인해 열의 형태로 에너지 손실을 초래하는 것으로 알려져 있습니다. 일반적인 DMA 측정은 small 샘플 크기, 낮은 동적 진폭, 낮은 주파수를 사용하므로 사이클당 소멸되는 열이 무시할 수 있을 정도로 적습니다. 이러한 열 손실은 시료의 관련 온도 상승으로 이어지지 않습니다. 그러나 타이어 트레드, 탱크 트랙 패드, large 고무 롤러와 같은 특정 고무 제품은 사용 중에 상당한 힘이 가해집니다. 이로 인해 주변 환경으로 방출되는 열 에너지보다 더 많은 열 에너지가 생성되는 상황이 발생할 수 있습니다. 그 결과 고무 내부에 열 축적(HBU)이 발생하여 궁극적으로 블로우 아웃(BO)으로 인한 제품 고장으로 이어질 수 있습니다.
NETZSCH DMA 523 Eplexor® 은 두 개의 독립적인 드라이브 덕분에 높은 수준의 변형뿐만 아니라 높은 정적 및 동적 힘 하에서 측정을 수행하는 데 최적의 솔루션입니다. 이 고강도 DMA를 통해 굿리치 굴곡계는 ASTM D623 또는 ISO 4666-3/ISO 4666-4 표준에 따른 테스트뿐만 아니라 고객의 요구에 따라 이러한 표준에서 벗어난 측정 파라미터를 사용할 수 있습니다.
NETZSCH 을 통한 굴곡계 테스트의 가능성고강도 DMA
HBU 및 BO 실험에는 앞서 언급한 표준을 충족하는 단열 플래튼이 있는 시료 홀더가 필요합니다. 플래튼은 페놀 기반 열경화성과 경질 종이로 구성된 라미네이트 재료로 만들어집니다. 이는 고무 시편에서 시료 홀더로의 열 손실을 최소화하도록 설계되어 지속적으로 심한 동적 기계적 하중이 가해지는 최악의 시나리오를 시뮬레이션할 수 있습니다. 열전대는 시료의 표면 온도를 정확하게 측정하기 위해 상단 시료 홀더의 중앙에 배치되어 있습니다.
이 샘플 홀더의 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다.
샘플 내부에서 온도 정보를 얻으려면 NETZSCH 에서 두 가지 옵션을 제공합니다:
- 시료의 중앙 근처에 수동으로 배치하는 수평 바늘 열전대. 이 열전대는 기본 Flexometer 샘플 홀더와 함께 추가 옵션으로 사용할 수 있습니다. 이 열전대는 HBU 실험의 전체 기간 동안 온도를 측정합니다. 센서가 손상될 수 있으므로 BO 실험 중에는 수평 바늘 열전대를 사용하지 않는 것이 좋습니다. 이 설정의 예는 그림 1b에 나와 있습니다.
- HBU 측정이 수행된 후 Pertinax 플래튼이 있는 별도의 시료 홀더와 추가 수직 니들 열전대를 공압으로 시료에 삽입합니다. 이 구성에서는 시료 표면 온도를 감지하는 열전대가 중심에서 약간 벗어난 위치에 배치됩니다. 이 유형의 샘플 홀더의 개략도는 그림 1c에 나와 있습니다.
NETZSCH 고출력 DMA로 열 축적 및 블로우아웃 테스트를 수행하는 방법
측정을 진행하기 전에 NETZSCH DMA 523 Eplexor® 에 적절한 힘 센서가 제대로 장착되어 있는지 확인하세요. 또한 블레이드 스프링 시스템은 더 높은 변형을 수용하도록 조정해야 합니다. HBU 및 BO 테스트 시에는 large 힘과 변형이 발생하므로 공칭 최대 힘이 2500N인 힘 센서 이상을 사용하는 것이 좋습니다. 블레이드 스프링 시스템의 경우, 특수 스패너로 유니온 너트를 풀어 두 개의 강철 블레이드 스프링을 분리해야 합니다. 이 단계는 사용자가 몇 분 안에 쉽게 완료할 수 있습니다. HBU 및 BO 테스트는 다음 표준에 정의되어 있습니다: ASTM D623 또는 ISO 4666/3, ISO 4666/4 및 JIS K 6265. 샘플 치수는 직경 17.8mm, 높이 25mm의 실린더로 예상됩니다.
시간적 온도 변화 및 열 세트와 같은 기존 플렉소미터 테스트의 결과 외에도 NETZSCH DMA 523 Eplexor® 을 사용한 플렉소미터 테스트는 점탄성 특성 저장 계수(E'), 손실 계수(E'') 및 손실 계수(tan δ)에 대한 통찰력도 제공합니다.
다음은 HBU 및 BO 실험의 일반적인 파라미터를 요약한 것입니다.
- 열 축적 테스트
HBU 테스트의 경우 ASTM D623ASTM D623 및 ISO 4666-3/ISO 4666-4 표준은 2.225mm, 2.855mm 또는 3.175mm의 동적 진폭을 권장합니다. 대부분의 경우 2.225mm 옵션이 선택됩니다. 정적 응력은 1MPa입니다. 측정은 실온, 50°C 또는 100°C에서 수행할 수 있으며, 표준에서는 후자의 두 가지를 권장합니다. 굴곡계 설정의 정확도는 표준에 명시된 대로 조성이 알려진 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 샘플을 사용하여 확인합니다. 100°C의 주변 온도 지점에서 30분 동안 30Hz로 HBU 테스트를 수행한 후 온도 상승은 26.7°C ± 1.1°C여야 합니다. - 블로우 아웃 테스트
BO 테스트는 HBU 테스트와 유사한 방식으로 수행됩니다. 가장 큰 차이점은 시편에 더 큰 하중을 가한다는 점입니다. 이 경우 1MPa의 정적 응력 대신 2MPa의 정적 응력이 사용됩니다. 마찬가지로 동적 변형 진폭도 3.125mm로 증가합니다. 따라서 정적 응력은 2MPa로 증가하지만 주파수는 HBU 테스트와 동일하게 유지됩니다.
고무 소재의 강성에 따라 표준에 제시된 측정 매개변수에서 벗어날 필요가 있을 수 있습니다. NETZSCH DMA 523은 DMA 테스트 장치에 완전한 유연성을 제공합니다.
정적 응력이 제어되므로 캘리퍼스를 사용하여 고무 샘플의 직경을 안정적으로 측정해야 합니다. 측정 파라미터는 사전 구성된 팬 템플릿 파일에 입력됩니다. HBU 테스트의 경우 사용자는 시료 직경과 같은 가장 중요한 설정만 조정하면 됩니다.
열 축적 및 블로우 아웃 테스트
NETZSCH DMA 523 Eplexor® 을 사용한 일반적인 절차와 굴곡계 테스트 기능의 범위는 고무 시편을 사용하여 설명합니다.
a. SBR 참조 샘플을 사용한 온도 측정 정확도 검증
앞서 언급한 대로, Flexometer 샘플 홀더 설정의 정확도는 SBR 참조 샘플을 사용하여 확인합니다. 그림 3에는 두 가지 다른 SBR 기준 샘플에 대한 온도 상승이 나와 있습니다. 두 샘플 모두 높은 수준의 재현성을 보여주며 ASTM D623 표준에서 지정한 온도 허용 오차 범위 내에 있습니다.
b. 연질고무 샘플의 열 축적 및 블로우 아웃 테스트
플렉소미터 샘플 홀더를 사용하여 온도 측정의 정확성을 확인한 후, HBU 테스트를 위해 설정한 측정 파라미터로 고무 샘플을 처음에 평가했습니다. 결과는 그림 4에 요약되어 있습니다.
온도는 25분 후 ~36°C까지 상승합니다. 또한 조사 대상인 세 샘플 모두에서 두 가지 온도 영역이 뚜렷하게 나타났습니다. 첫 번째 영역은 약 10분 후 온도가 시간에 따라 선형적으로 증가할 때까지 확장됩니다. 이 영역을 지나면 온도의 기울기가 다시 증가하기 시작하여 궁극적으로 HBU 실험이 끝날 무렵에 평준화됩니다.
흥미로운 점은 온도 상승과 탄 δ의 증가가 동시에 일어난다는 점입니다. 손실 계수는 오히려 전체 샘플 부피의 감쇠에서 온도에 의한 변화를 반영한다는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 온도 상승은 고무 시료의 상단 표면에서만 측정됩니다.
Tan δ는 시료 내 온도 상승으로 인해 초기 값인 ~0.15에서 먼저 감소합니다. 손실 계수의 감소는 시료에 가해진 총 기계적 작업에서 탄성 반응의 정도가 더 높다는 것을 나타냅니다. 그러나 약 5~6분 후 최소 ~0.10에 도달한 후 탄 δ는 다시 서서히 상승하여 18~19분 측정 시간 후 새로운 국부적 최대값인 0.12에 도달합니다. 그림 5에 표시된 시료 단면을 측정 후 검사한 결과, 손실 계수의 증가는 시료의 중앙에 공동이 형성되어 발생하는 것으로 추정됩니다. 샘플의 무결성이 감소하면 굴곡이 증가하여 손실 계수가 겉으로 보기에 증가하게 됩니다. 그러나 이 효과는 재료 자체에 내재된 것이 아니라 시료 내부에 기포가 형성되어 발생합니다.
동적-기계적 부하가 증가하면 시간이 지남에 따라 온도가 더 빨리 상승합니다. 이러한 BO 테스트의 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 이 그림에서 온도는 시간이 지남에 따라 거의 선형적으로 증가합니다. 그러나 BO 테스트가 끝날 무렵에는 온도 상승 속도가 느려지고 결국 갑작스러운 파열로 인해 고무 샘플이 파손됩니다. 파손 전 최고 기록된 표면 온도는 54°C입니다.
탄 δ의 시간적 변화는 HBU 테스트에서 관찰된 것과 비슷한 특성을 보입니다. 이 경우 손실 계수의 증가는 시료에 가해지는 높은 기계적 작업으로 인해 공동이 더 일찍 형성되기 때문에 더 짧은 시간 척도에서 발생합니다.
수직 니들 열전대를 사용하면 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 이 플렉소미터 샘플 홀더(그림 1c)로 측정할 때 이 기능을 활성화하면 HBU 측정 후 단일 온도 지점을 감지합니다.
수직 니들 열전대가 자동으로 시료 중앙에 삽입되어 HBU 측정이 끝난 후 온도를 조사합니다. 여기서 조사된 엘라스토머의 경우, 샘플 표면에서 감지된 ~36°C에 비해 온도가 평균 ~57°C까지 상승했습니다.
c. 단단한 고무 시료의 열 축적 테스트
이 단일 측정 지점이 충분하지 않은 경우 그림 1b와 같이 수평 바늘 열전대를 시료 중앙에 수동으로 삽입할 수도 있습니다. 이 측정 설정의 결과는 그림 7에 표시됩니다. 이 구성을 사용하면 전체 HBU 측정에서 온도를 관찰할 수 있습니다.
시료 중앙의 온도 상승(~68°C)이 시료 표면에서 감지된 온도(~20°C)보다 훨씬 높다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 따라서 재료의 블로우 아웃이 발생하는 온도를 정확하게 측정하려면 수평 니들 열전대를 삽입해야 합니다. 그러나 결론에서 논의 될 사용과 관련된 특정 단점이 있습니다. 또한 황갈색 δ의 기울기(반전되었지만)가 샘플 중심의 온도 상승 기울기와 유사하다는 것이 분명해집니다. 이는 표면 온도가 전체 시료 부피의 점탄성 특성 변화를 설명하기에 충분하지 않다는 것을 강조하며, 이는 탄 δ가 제공합니다.
HBU 측정 완료 후 삽입된 수직 니들 열전대의 온도는 시료에서 감지된 온도와 잘 일치합니다. 그러나 중앙의 시료 온도가 10°C 이상 감소하는 특정 지연이 존재한다는 점을 고려해야 합니다.
열 축적 실험 중 열 세트의 관련성
NETZSCH DMA 523을 사용하면 HBU 실험 전체 동안 열 세트를 동시에 측정할 수 있습니다. 이 특성을 통해 무거운 동적 하중을 받는 동안 고무 소재의 형상 안정성에 관한 결론을 도출할 수 있습니다. 예를 들어, 탱크 트랙 패드는 기능을 보장하기 위해 가능한 한 원래 모양을 유지해야 합니다. 열 세트는 HBU 실험의 동적 세그먼트가 시작될 때, 즉 담금 시간 세그먼트가 끝난 후 첫 번째 측정 지점에서 감지된 샘플 길이를 기준으로 측정됩니다.
그림 8에는 열 세트의 변화와 두 SBR 기준 샘플의 온도 상승이 표시되어 있습니다. 처음 5분 동안은 전체 시료 부피의 시료 온도가 이 시간 동안 가장 빠르게 상승하기 때문에 시료 팽창이 지배적입니다. 온도 상승이 느려지기 시작하면 샘플 길이가 감소하기 시작합니다. 5분이 지나면 샘플이 약 1% 팽창한 후, 이 팽창은 SBR 샘플에 가해진 무거운 동적 하중으로 인한 샘플 길이의 감소로 보상됩니다.
결론
NETZSCH DMA 523 Eplexor® 은 고무 소재 및 그 외의 제품에 대한 굴곡계 테스트에 대한 간단한 액세스를 제공합니다. 엘라스토머 시료의 온도 변화와 점탄성 특성에 대한 데이터를 수집하여 사용 중 무거운 하중을 견딜 수 있는 내구성이 뛰어난 고무 제품을 개발하는 데 필요한 모든 정보를 제공합니다. 또한 HBU 실험 중에 감지된 열 세트를 통해 고무 샘플의 형상 안정성을 측정할 수 있습니다.
그러나 장비 선택에는 적용 측면에서 특정 장단점이 수반됩니다:
- 기본 플렉소미터 샘플 홀더는 HBU 및 BO 테스트의 전체 기간 동안 상단 표면 온도를 감지하도록 설계되었습니다. 이는 열 분해 특성이 뚜렷한 엘라스토머 화합물에는 충분할 수 있지만, 특정 다른 화합물은 측정 중에 표면 온도 상승에 차이를 보이지 않을 수 있습니다.
- NETZSCH 는 엘라스토머 화합물 내부에서 더 많은 정보를 얻을 수 있는 두 가지 솔루션을 제공합니다: 한편으로는 수직 니들 열전대가 있는 Flexometer 샘플 홀더가 있고, 다른 한편으로는 기본 Flexometer 샘플 홀더에 추가 옵션으로 사용할 수 있는 수평 니들 열전대가 있습니다.
- 첫 번째 옵션은 HBU 측정이 완료된 후 하나의 온도 측정 지점만 감지하도록 설계되었습니다. 수동으로 삽입하는 수평 바늘 열전대와 달리 이 절차는 자동으로 수행됩니다. 이 기능은 측정 사이에 사용자가 발명할 필요성을 줄여 효율성과 일관성을 향상시킵니다.
- 수평 바늘 열전대를 사용하면 전체 측정 기간 동안 시료 중앙의 온도를 측정할 수 있습니다. 그러나 이 추가 기능은 실험 전에 수동으로 삽입해야 합니다. 열전대를 미리 삽입하면 재료에 균열이 생겨 시료 구조가 약해질 수 있습니다. 이는 결국 측정된 점탄성 특성의 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 현상 가스 혼합물이 니들 열전대를 따라 표면으로 확산되기 쉬운 경로를 가지고 있기 때문에 시료 중앙에 공동이 형성되는 데 영향을 미칠 수 있습니다. HBU 또는 BO 측정의 근본적인 목적은 구조적으로 깨끗한 시료를 조사하는 것이므로, 이 추가 기능은 순수 시료를 사용한 기존 HBU 및 BO 실험을 대체하는 것이 아니라 열 축적의 잠재적 시뮬레이션을 위한 보조 자료로만 활용해야 합니다. 이 추가 기능을 사용할 때는 열전대와 시료 사이의 마찰과 시료 코어에서 외부로 열을 전도하는 열전대의 역할이 영향을 미치는 요소라는 점에 유의해야 합니다.