Inleiding
Dynamische warmteopbouwtests geven een beter inzicht in de thermische eigenschappen van elastomeren. Dergelijke tests worden uitgevoerd met een constante belasting, een frequentie van 30 Hz en een vervormingsamplitude van enkele mm (volgens DIN 53 533 en ASTM D623-99). Deze testomstandigheden resulteren in interne wrijving, die op zijn beurt energiedissipatie en dus een stijging van de monstertemperatuur veroorzaakt. Bovendien ondergaat het monster vervorming (thermische set). Warmte-opbouwtesten zijn relevant voor banden/rubbers die onderhevig zijn aan hoge drukspanning tijdens het gebruik. De apparatuur die geschikt is om dergelijke experimenten uit te voeren is de GABOMETER®, een aangepast Eplexor® systeem. Het werkt als een meer universele flexometer omdat het alle eigenschappen van de klassieke Goodrich Flexometer biedt en daarnaast mechanische materiaalgegevens zoals de E-modulus en demping (tanδ ) verzamelt.
A) Herhaalbaarheid van meetresultaten
Aangezien mogelijke verschillen in de materiaalsamenstelling tussen de verschillende partijen monsters moeten worden onderscheiden, is een hoge herhaalbaarheid van de flexometertestresultaten essentieel. Figuur 1 toont de herhaalbaarheidstest voor GABOMETER® systemen op twee proefstukken uit dezelfde batch.
Hier werden twee testmonsters (dezelfde batch - cilindrische monsters voor drukbelasting) onafhankelijk getest, maar onder identieke belastingscondities. De warmteopbouw resulteert in verschillende temperaturen, bijvoorbeeld in het midden en aan de oppervlakte. Voor de temperatuurmeting in het midden van het proefstuk wordt een naaldvormig thermokoppel gebruikt, zoals weergegeven in figuur 3.
De oppervlaktetemperatuurmeting wordt uitgevoerd aan het bovenoppervlak van het proefstuk via een thermokoppel dat is ingebed in de thermisch geïsoleerde bovenste warmteopnemer. De tanδ (materiaaldemping) meting vertoont ook een uitstekende herhaalbaarheid.
B) Voordelen van het gebruik van een extra temperatuursensor (naaldthermokoppel)
Warmteopbouwtests worden tegenwoordig vaak uitgevoerd met Goodrich Flexometers. Conventionele flexometers hebben echter problemen met resolutie en reproduceerbaarheid. Het modulaire ontwerp van Eplexor® omvat configuraties voor het uitvoeren van warmte-opbouwtesten. De GABOMETER® is een van de meest economische oplossingen voor dergelijke HBU-tests. Het extra naaldvormige thermokoppel voor het meten van de temperatuur in het midden van het monster voegt materiële informatie toe aan het experiment die anders verborgen zou blijven.
Meting van een oppervlaktetemperatuur is vereist volgens ASTM D623, maar dit alleen maakt het niet altijd mogelijk om een onderscheid te maken tussen twee monsters in termen van stijgende temperatuur als functie van de tijd (zie figuur 2 - temperatuur aan het oppervlak). Het is de extra naaldvormige temperatuursensor die de temperatuur in de kern van het monster nauwkeuriger laat zien. De temperatuur in het centrum wordt het minst beïnvloed door energieverliezen over buitenoppervlakken. Het is daarom ook gevoeliger voor het aantonen van temperatuurverschillen veroorzaakt door het warmteaccumulatie-effect. Verschillen in energiedissipatie tussen monsters A en B resulteren in temperatuurverschillen die het meest uitgesproken zijn in de kern. Het is de meting van de kerntemperatuur die het mogelijk maakt om onderscheid te maken tussen verbindingen A en B, zoals te zien is in het voorbeeld (figuur 2).
Maar wat is de reden voor dit verschil?
De basisverbindingen van monsters A en B zijn identiek, maar ze verschillen wat betreft het type carbon black dat ze bevatten. De roet in monster A heeft een hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en veroorzaakt hogere warmteverliezen naar het oppervlak. Als gevolg hiervan daalt de kerntemperatuur in geval A meer dan in het geval B met een lagere geleidbaarheid.
C) Voordelen van het opnemen van tanδ
Figuur 4 toont een ander voorbeeld van een warmteaccumulatietest. Voor deze test werden de zeer verschillende verbindingen A en C vergeleken. Monster A vertoont een warmteaccumulatie die ongeveer 20°C hoger ligt dan de overeenkomstige temperatuur van monster C. Daardoor zijn de dempingseigenschappen (tanδ) van de polymeren ook heel verschillend.
Bijgevolg zijn de dempingseigenschappen (tanδ) van de polymeren ook heel verschillend. Verbinding C vertoont een veel lagere mechanische demping dan verbinding A. Materiaal C kan dynamische vervormingen beter volgen dan materiaal A vanwege de lagere mechanische dempingsverliezen (tanδ).
Conclusie
De Eplexor® 2000 N of 4000 N systemen, evenals de universele GABOMETER® 2000 N en 4000 N flexometers, kunnen in tests de klassieke Goodrich Flexometer vervangen en extra voordelen opleveren voor de gebruiker. Het optionele naaldthermokoppel voor kerntemperatuurmetingen verbetert de gevoeligheid van het systeem voor het detecteren van het warmteaccumulatie-effect aanzienlijk en geeft een beter beeld van de materiaaleigenschappen. Materialen die anders niet van elkaar te onderscheiden zijn op het gebied van warmteopbouw, kunnen met de naald betrouwbaar van elkaar onderscheiden worden.
Daarentegen wordt veel minder informatie verkregen als alleen de oppervlaktetemperatuur volgens ASTM D623 wordt gebruikt.
Dankzij hun modulaire ontwerp kunnen GABOMETER® systemen opgewaardeerd worden om visco-elastische materiaaleigenschappen te bepalen of om volledige DMTA functionaliteit te verkrijgen. Dergelijke retrofits kunnen op elk moment na de installatie worden uitgevoerd, wanneer de behoefte zich voordoet.