Inleiding
Elastomeren worden op bijna alle technische gebieden gebruikt vanwege hun hoge elasticiteit. Een essentiële eigenschap van elastomeermaterialen is het vermogen om vervormingsenergie op te slaan en indien nodig weer af te geven aan het hele systeem. Een maatstaf voor deze eigenschap zijn de materiaal-immanente herstelkrachten die - afhankelijk van het systeem - kunnen worden gegenereerd uit de opgeslagen energie en gemakkelijk 90% of meer van de opgeslagen energie kunnen bedragen. Deze "waardevolle" eigenschap is echter beperkt tot een smal temperatuurbereik dat de bedrijfs- en werktemperaturen voor de betreffende toepassing definieert. Daarom is het temperatuurgedrag van elastomeermaterialen van cruciaal belang.
Er worden zogenaamde temperatuursweeps gebruikt om het thermische gedrag van elastomeermaterialen vast te leggen, dat over het algemeen kan worden geparametriseerd bij verschillende verwarmingssnelheden. Een hoge verwarmingssnelheid van 5 °C/min is bijvoorbeeld te verkiezen boven een verwarmingssnelheid van 1 °C/min, omdat het resultaat in een kortere tijd wordt verkregen en het testen daardoor sneller en kosteneffectiever gaat. De vraag rijst echter hoe de resultaten voor verschillende verwarmingssnelheden geëvalueerd moeten worden.
Deze toepassingsnotitie behandelt deze vraag en onderzoekt de verwarmingssnelheidsafhankelijkheid van de DMA Gabo Eplexor® serie.
Meetomstandigheden
Er werden vier temperatuurseries uitgevoerd op monsters van dezelfde rubbersamenstelling van -80 °C tot 20 °C bij verwarmingssnelheden van 1, 2, 3 en 5 °C/min met de DMA Gabo Eplexor® 500 N (figuur 1).
Inleiding
De onderste bedrijfstemperatuur van elastomeermaterialen wordt beperkt door de glasovergangstemperatuur, Tg. De Tg geeft de temperatuur aan waarbij elastomeren overgaan van een harde en relatief brosse toestand naar een rubberachtige elastische toestand. In de praktijk wordt Tg gedefinieerd als het maximum van de verliesfactor tanδ. De verhittingssnelheidsafhankelijkheid van de Tg wordt weergegeven in figuur 1.
Figuur 2 laat zien dat de Tg verschuift naar hogere temperaturen bij hogere verwarmingssnelheden. Voor een temperatuurverschuiving bedraagt de Tg -42,3 °C bij een verwarmingssnelheid van 1 °C/min en -41,4 °C bij een verwarmingssnelheid van 5 °C/min. Dit komt overeen met een positieverandering van Tg van ongeveer 1 °C. Het maximum van de verliesfactor, tanδ, is met maximaal 0,01 veranderd. Deze observatie kan worden geïllustreerd door de slechte warmtegeleiding van de meeste kunststoffen. Dit veroorzaakt een verschuiving van materiaalspecifieke overgangseffecten, zoals relaxatiemaxima of glasovergangstemperaturen, naar hogere temperaturen (in het geval van positieve verwarmingssnelheden) of naar lagere temperaturen (in het geval van negatieve afkoelsnelheden). Een hogere verwarmingssnelheid leidt tot "slepende effecten" en het monster blijft achter bij de oventemperatuur. Een verwarmingssnelheid van 1°C/min zal daarom de monsterspecifieke effecten correct weergeven, terwijl een hoge verwarmingssnelheid een verschuiving van deze effecten op de temperatuurschaal zal veroorzaken.
Samenvatting
Deze minimale verschuivingen van de Tg-positieen het maximum van de verliesfactor, tanδ, als gevolg van de verschillende verwarmingssnelheden zijn het gevolg van een zeer goede temperatuurverdeling binnen de DMA Gabo Eplexor® serie, bereikt door het gebruik van een ventilator in de meetkamer. Een direct gevolg van deze bevindingen is de vermindering van de meettijd die nodig is voor temperatuursweeps door het gebruik van hogere verwarmingssnelheden, bijvoorbeeld 5°C/min in plaats van bijvoorbeeld 1°C/min. Een eerste vereiste hiervoor is kennis van de verwarmingssnelheidsafhankelijkheid van de Tg van de geteste materialen.