Inleiding
Inzicht in de visco-elastische eigenschappen van polymeren is van cruciaal belang voor het gebruik ervan in tal van toepassingen, waaronder sportartikelen. Hoogwaardige polymeren en polymeercomposieten hebben een revolutie teweeggebracht in de sportindustrie door gebruikers te voorzien van duurzame, comfortabele, nauwkeurige en lang meegaande uitrusting [1]). Polymeren en polymeercomposieten vormen de basis voor een actieve dag: ze vormen onder meer het vloermateriaal dat wordt gebruikt in sportfaciliteiten voor binnen en buiten, de zolen van schoenen, het gaas van netten, de snaren van rackets, enz. Het kunnen beoordelen van de thermische eigenschappen en fysische prestaties van deze materialen is van cruciaal belang voor het ontwerp, de productie en het uiteindelijke gebruik ervan.
Dynamische mechanische analyse (DMA) wordt voornamelijk gebruikt om de visco-elastische eigenschappen van polymeermaterialen te analyseren, maar wordt ook ingezet voor het meten van metalen en keramiek of voor het simuleren van specifieke mechanische omstandigheden. De NETZSCH DMA 303 Eplexor® is een veelzijdig tafelmodel dat metingen kan uitvoeren binnen een temperatuurbereik van -170 °C tot 800 °C (-274 °F tot 1472 °F), waarbij krachten van 1 mN tot 50 N worden uitgeoefend, en bij frequenties van 0,001 tot 150 Hz. In dit onderzoek werden drie verschillende hoogwaardige badmintonsnaren getest met behulp van dynamische mechanische analyse (DMA). Het moderne ontwerp van badmintonsnaren bestaat uit verschillende materialen, lagen en coatings [2]. Alle drie de geteste monsters hebben dezelfde basisstructuur: een multifilamentkern van nylon omgeven door gevlochten nylonvezels. Monster 1 heeft een coating van titaniumhydride, terwijl monsters 2 en 3 een coating hebben van samengestelde cup-stack-koolstofnanobuisjes. Vanuit prestatieoogpunt deelt de fabrikant de verschillende snaren in verschillende klassen in; een overzicht hiervan is weergegeven in tabel 1.
Tabel 1: Door de fabrikant opgegeven eigenschappen van de drie badmintonsnaren.
| Variabele | Monster 1 (score op een schaal van 10) | Monster 2 (score op een schaal van 10) | Monster 3 (score op een schaal van 10) |
|---|---|---|---|
| Terugverend vermogen | 7 | 8 | 9 |
| Duurzaamheid | 7 | 10 | 7 |
| Slaggeluid | 7 | 7 | 8 |
| Schokdemping | 6 | 6 | 8 |
| Regeling | 6 | 6 | 10 |
Het primaire doel van dit onderzoek is om de met de DMA gemeten visco-elastische eigenschappen te relateren aan de prestatiecriteria die door de fabrikant in tabel 1 zijn vermeld. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus (E’) beschrijft het vermogen van het materiaal om energie op te slaan en vrij te geven (zoals een veer), wat rechtstreeks in verband kan worden gebracht met de opgegeven afstotingskracht. De 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”) beschrijft de dissipatie van energie door het materiaal (meestal door interne wrijving), en ten slotte is de dempingsfactor (tan δ) de verhouding tussen E” en E’ (die aangeeft in hoeverre een materiaal een uitgeoefende kracht zal dempen). Daarom zijn zowel het slaggeluid als de schokabsorptie rechtstreeks gekoppeld aan de eigenschappen van E” en tan δ. Bovendien kunnen parameters zoals duurzaamheid worden onderzocht door te testen als functie van toenemende kracht in plaats van temperatuur.
DMA-metingen voor visco-elastische eigenschappen en simulatie van toepassingen
Om de visco-elastische eigenschappen van de drie badmintonsnaren te bepalen, werd op elk monster een standaard temperatuurverloopmeting uitgevoerd onder trekbelasting (visuele weergave in figuur 1), met de NETZSCH DMA 303 Eplexor® in het temperatuurbereik van -150 tot 150 °C.
Tabel 2 geeft een overzicht van de verschillende overgangsgebieden van elk monster. Het visco-elastische profiel van monster 1 als functie van de temperatuur wordt weergegeven in figuur 2, dat van monster 2 in figuur 3 en dat van monster 3 in figuur 4; alle monsters zijn gemeten onder trekbelasting. Uit figuren 2 tot en met 4 blijkt dat de monsters 2 en 3 zeer vergelijkbare profielen en overgangszones hebben, in tegenstelling tot monster 1 (dat een andere coating heeft), dat aanzienlijk afwijkt. Nylon is een alifatisch polyamide dat doorgaans wordt ingedeeld in numerieke kwaliteiten (6, 66, 11, 12), die allemaal een glasovergang vertonen tussen 40 en 95 °C. Het is daarom zeer interessant om de andere overgangen te onderzoeken die bij temperaturen onder de omgevingstemperatuur worden waargenomen.
Tabel 2: Thermische overgangen van monsters 1, 2 en 3, weergegeven voor E’, E” en tan δ. Alle monsters werden gemeten onder trekbelasting met een dynamische vervorming van 10 μm, een evenredigheidsfactor van 1,3 en een verwarmingssnelheid van 2 ºC/min.
| Overgang | E' Begin | E" Piek | tan δ |
|---|---|---|---|
Monster 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1ß6 |
Monster 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Monster 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Uit de figuren 2 tot en met 4 blijkt ook dat het belangrijk is om rekening te houden met het effect van de temperatuur op de visco-elastische eigenschappen van de snaren. Badminton wordt doorgaans binnenshuis beoefend, maar hoe zit het met spelen in de buitenlucht?
Figuur 5 toont het thermische profiel van monster 1 van 0 tot 50 °C. Op een koele herfstdag van 4 °C zouden de snaren 2,3 keer stijver zijn dan bij kamertemperatuur (25 °C) of 3,0 keer stijver dan op een hete zomerdag van 35 °C. De dempingsfactor volgt echter niet precies dezelfde trend: deze is bij 4 °C slechts 1,1 keer hoger dan bij 25 °C en bij 4 °C 1,3 keer hoger dan bij 35 °C. Daarom zou, hoewel de snaren stijver zouden zijn en minder mee zouden geven bij het raken van de shuttlecock, de hoeveelheid energie die door de snaren wordt geabsorbeerd – en niet wordt omgezet in de slag – vergelijkbaar blijven.
Een belangrijk uitgangspunt van deze tests is om inzicht te krijgen in hoe de badmintonsnaren zich zouden gedragen bij het beoogde gebruik. Daarom werden dezelfde drie monsters getest in een driepuntsbuigproef om hun buigeigenschappen te bepalen (buigafstand van 20 mm om één eindig deel van het totale rasterpatroon van het racket te analyseren), waarbij werd gesimuleerd hoe ze zich zouden gedragen wanneer ze op het racket waren bespannen en gebruikt om de shuttle te raken. De testopstelling, waarbij de snaar strak is gespannen in de buiging, is weergegeven in figuur 6.
Om de prestaties bij driepuntsbuiging te testen, werden bij kamertemperatuur twee verschillende belastingsverloopproeven uitgevoerd om de eigenschappen te meten. Figuur 7 toont het effect van toenemende dynamische vervorming (die onder de 0,7 N bleef).
Figuur 8 toont de verandering in lengte van de monsters als functie van de toenemende kracht.
Uit figuur 7 blijkt dat er bij kamertemperatuur een duidelijk verschil is in de mechanische eigenschappen van de drie snaren. Bij een illustratieve amplitude van 50 μm heeft monster 1 de laagste moduluswaarden (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), monster 2 de hoogste (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), en monster 3 zit daar tussenin (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Aangezien de dempingsfactor de verhouding is tussen de 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 en de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, betekent dit dat monster 1 de hoogste dempingseigenschappen heeft (0,14), gevolgd door monster 3 (0,09) en monster 2 (0,09). Deze waarden komen niet rechtstreeks overeen met de door de fabrikant in tabel 1 gerapporteerde waarden, maar het is van groot belang om te overwegen hoe alle drie de visco-elastische parameters de prestaties beïnvloeden en hoe belangrijk de temperatuur is waarbij ze zijn getest, zoals blijkt uit figuur 5.
Ten slotte is uit figuur 8 de verandering in de lengte van het monster bij toenemende dynamische kracht waarneembaar. Dit is een belangrijke overweging voor de hoeveelheid kracht die een enkel snaarelement kan weerstaan zonder noemenswaardige vervorming. Monster 3 vertoont de grootste vervorming, wat impliceert dat het waarschijnlijk het minst duurzame van de drie is vanwege zijn neiging tot vervorming (dit resultaat komt overeen met Tabel 1). Het is belangrijk op te merken dat deze monsters, die in een driepuntsbuiging werden belast, met de hand strak werden getrokken, wat de variatie tussen de absolute metingen kan vergroten.
Samenvatting
De ontwikkeling van hoogwaardige polymeren en polymeercomposieten heeft een revolutie teweeggebracht in de wereld van sportartikelen. In dit artikel hebben we aangetoond hoe de NETZSCH DMA 303 Eplexor® kan worden gebruikt om de prestaties van drie verschillende badmintonsnaren te evalueren, te vergelijken en te simuleren aan de hand van een reeks parameters. Er werden temperatuurverloopmetingen uitgevoerd om de overgangstemperaturen van de drie monsters te bepalen en om hun prestaties te evalueren bij verschillende temperaturen waaraan ze buiten kunnen worden blootgesteld. Er werden belastingsverloopmetingen uitgevoerd om de mechanische eigenschappen van de snaren bij kamertemperatuur te evalueren en om inzicht te krijgen in hun gedrag bij een toegepaste belasting in de richting waarin de snaren een shuttlecock zouden raken.