Inleiding
Tegenwoordig is de DMTA-methode (Dynamic-Mechanical Thermal Analysis) ingeburgerd in het materiaalonderzoek voor rubber en banden. De ontwikkeling van nieuwe compounds, bijvoorbeeld in de bandenindustrie, vereist gedetailleerde informatie over de mechanische eigenschappen van de toegepaste materialen. Dit omvat de bepaling van visco-elastische materiaalgegevens met de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E', Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus E" en verliesfactor tanδ, als functie van de temperatuur, excitatiefrequentie en externe vervorming (bijv. rek).
Zeer populair is de walhardheidstest. Helaas ontbreekt er op bepaalde belangrijke gebieden informatie over de visco-elastische eigenschappen die met walstesten worden verkregen. Gegevens over de temperatuur- en frequentieafhankelijkheid van de verbindingen zijn helemaal niet beschikbaar. Bovendien wordt de vervorming die tijdens de walstest op de monsters wordt uitgeoefend, niet gemeten.
Alleen DMTA-onderzoek kan de gewenste resultaten opleveren. Aangezien de visco-elastische eigenschappen (E', E", tanδ) van elastomeersystemen afhankelijk zijn van de uitwendig toegepaste vervorming, moeten temperatuursweeps worden uitgevoerd bij constante vervormingsamplituden over het hele temperatuurbereik van de toepassing.
Door de hoge stijfheid van rubbercompounds bij temperaturen onder de glasovergang Tg, zijn hoge krachtniveaus nodig om de vereiste statische en dynamische vervormingen te verkrijgen.
Normaal worden voor compressietests cilindrische proefstukken ("Roelig" proefstukken) met een hoogte en diameter van 10 mm gebruikt.
Uitgaande van een E'-modulus van 3000 MPa, een typische waarde in glasachtige toestand, vereist de testcapaciteit van het instrument een dynamische krachtamplitude van +/-50 N om een detecteerbare rek van ongeveer 2 μm te genereren. Dit kan niet worden bereikt met klassieke laboratorium DMA-instrumenten. Bijzonder geschikt voor deze taken is de Eplexor® 500 N van NETZSCH GABO Instruments (zie afbeelding 1).
DMTA systemen zoals de Eplexor® serie van NETZSCH GABO Instruments zijn uitgerust met krachtige aandrijvingen om geschikte amplitudes van hoge krachtniveaus te realiseren.
Bij kwaliteitscontrole (QC) zijn tijdrovende temperatuurmeetproeven echter onhandig vanwege economische redenen. QC testen moeten zeer snel worden uitgevoerd. Een QC test, inclusief monstervoorbereiding, moet in maximaal 20 minuten klaar zijn. Deze toepassingsnotitie laat zien hoe temperatuurmeetproeven vervangen kunnen worden door frequentiemeetproeven, die dicht bij de Tg worden uitgevoerd.
Temperatuursafhankelijkheid van Butylrubber (BR) en SBR 1500
Alle temperatuurreeksen worden uitgevoerd bij een statische vervorming van 4% in verhouding tot de initiële lengte van het proefstuk (10 mm voor alle proefstukken) binnen een temperatuurbereik van -80 °C tot 80 °C. De toegepaste dynamische vervormingsamplitude is ± 0,2%; de testfrequentie is 10 Hz.
Figuur 2 toont de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus van een gevuld (50 phr carbon black) en een ongevuld BR als functie van de temperatuur.
Door het gehalte aan roet is de modulus van het gevulde BR ongeveer 10 keer hoger dan die van het zuivere BR bij temperaturen boven 0 °C.
De gevulde en ongevulde BR-systemen (figuur 3) vertonen een zeer breed glasovergangsgebied dat een temperatuurbereik van ongeveer 50 K bestrijkt (halve breedte van de tanδ piek). De tanδ piekhoogtes van de twee systemen verschillen echter aanzienlijk van elkaar (gevuld: tanδ piekmaximum is 0,75, ongevuld: tanδ piekmaximum is 1,3).
Figuren 4 en 5 tonen de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus en tanδ van het tweede onderzochte systeem. Opnieuw werden een gevuld en ongevuld systeem gekarakteriseerd, maar deze keer op basis van SBR 1500. Het pure SBR vertoont een veel smallere glasovergangspiek dan het BR-systeem. De halve breedte van deze glasovergang was slechts 20 K. Net als eerder dalen de absolute waarden van de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus [E*] van het ongevulde SBR van bijna 3000 MPa onder de Tg tot waarden van minder dan 5 MPa boven de Tg. De [E*] van de gevulde systemen is - bij temperaturen boven de Tg - het dubbele van die van de ongevulde SBR 1500.
Tekst invoegen
Frequentiemetingen uitgevoerd op gevulde en ongevulde rubbersystemen
Figuur 6 toont de frequentieafhankelijkheid van de twee butylrubbersystemen. De Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus (E*, weergegeven als absolute waarden) van het gevulde systeem (BR - 50 phr bij 23°C) verschuift eenvoudig naar een hoger niveau dan die van het ongevulde BR (BR - ongevuld bij 23°C). Bij omgevingstemperatuur zijn de lijnvormen van de gevulde (BR - 50 phr bij 23°C) en ongevulde (BR - ongevuld bij 23°C) BR-verbindingen zeer vergelijkbaar, wat duidt op hetzelfde frequentiegedrag voor de gevulde en ongevulde rubbers.
Binnen het glasovergangsgebied bij een temperatuur van T = -20 °C is de situatie heel anders. Het ongevulde BR vertoont een veel hogere helling van de [E*] curve met toenemende frequentie dan het gevulde systeem.
Vergelijkbare resultaten kunnen worden verkregen voor de gevulde en ongevulde SBR 1500 systemen (figuur 7). Zoals verwacht vertoont het gevulde systeem (SBR 1500 - 50 phr bij 23°C) over het algemeen hogere waarden voor de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus [E*] dan het ongevulde systeem (SBR 1500 - ongevuld bij 23°C). De helling van de twee curven bij kamertemperatuur verschilt niet veel. Ook bij -20°C zijn er large verschillen in de lijnvorm waarneembaar, die het mogelijk maken om onderscheid te maken tussen verschillende vulstofgehaltes door de absolute waarden van E* te analyseren, zoals eerder besproken.
Samenvatting
Large rubbermonsters (met een diameter van 10 mm) kunnen alleen in compressiemodus worden onderzocht met behulp van DMA-instrumenten met hoge kracht, zoals de Eplexor® 500 N van NETZSCH GABO Instruments.
De vraag op welke manier E* een functie is van het carbon black-gehalte kan worden beantwoord met frequency sweeps uitgevoerd in thermisch evenwicht bij verschillende temperaturen. Door het principe van superpositie van tijd-temperatuur of frequentie-temperatuur kan variatie van de frequentie bij een constante temperatuur dezelfde informatie leveren als een temperatuurmeting.
Een frequentiemeting duurt meestal maar 5 minuten, waardoor de testprocedure veel sneller verloopt dan bij conventionele temperatuurmetingen, die ongeveer 2 uur duren.
De testresultaten tonen ook aan dat rubbermaterialen met een verschillend carbon black-gehalte door middel van een vrij snelle analyse kunnen worden onderscheiden met frequentiestappen die dicht bij de Tg worden uitgevoerd.