De NETZSCH DMA 523: Goodrich Flexometer-mogelijkheden met gelijktijdige dynamisch-mechanische analyse
Inleiding
Elastomeren spelen als visco-elastische materialen een fundamentele rol in verschillende industrieën. Het is bekend dat de viskeuze component van mechanisch gedrag leidt tot energieverlies in de vorm van warmte als gevolg van verschillende dissipatieve processen. Bij typische DMA-metingen worden small monsters, lage dynamische amplitudes en lage frequenties gebruikt, wat resulteert in verwaarloosbare gedissipeerde warmte per cyclus. Deze dissipatie leidt niet tot een relevante temperatuurstijging in het monster. Bepaalde rubberen producten, zoals bandprofielen, pads voor tankbanen en large rubberen rollen, ondervinden echter aanzienlijke krachten tijdens het gebruik. Dit kan leiden tot omstandigheden waarbij meer warmte-energie wordt gegenereerd dan wordt afgevoerd naar de omgeving. Het resultaat is een warmteopbouw (HBU) in het rubber, die uiteindelijk kan leiden tot uitval van het product als gevolg van blow-out (BO).
De NETZSCH DMA 523 Eplexor® is een optimale oplossing voor het uitvoeren van metingen bij hoge vervormingsniveaus en onder hoge statische en dynamische krachten, dankzij de twee onafhankelijke aandrijvingen. Met deze DMA met hoge kracht kunnen Goodrich Flexometer-tests worden uitgevoerd volgens de ASTM D623 of ISO 4666-3/ISO 4666-4 norm, maar ook met meetparameters die afwijken van deze normen op basis van de wensen van de klant.
De mogelijkheden van Flexometer-testen met NETZSCH DMA's met hoge kracht
Voor HBU- en BO-experimenten is een monsterhouder nodig met thermisch isolerende platen die voldoen aan de bovengenoemde normen. De platen zijn gemaakt van een laminaatmateriaal dat bestaat uit een thermoharder op basis van fenol en hard papier. Deze zijn ontworpen om warmteverlies van het rubberen preparaat naar de preparaathouder te minimaliseren, waardoor een Slechtst denkbare scenarioMet betrekking tot een chemische reactor is een worstcasescenario de situatie waarbij de temperatuur- en/of drukproductie veroorzaakt door de reactie uit de hand loopt.worst-case scenario onder constante zware dynamische mechanische belasting wordt gesimuleerd. Een thermokoppel wordt in het midden van de bovenste preparaathouder geplaatst om de oppervlaktetemperatuur van het preparaat nauwkeurig te meten.
Een schematische weergave van deze preparaathouder wordt getoond in figuur 1a.
Om temperatuurinformatie van de binnenkant van het monster te verkrijgen, biedt NETZSCH twee opties:
- Een horizontaal naaldthermokoppel dat handmatig in de buurt van het midden van het monster wordt geplaatst. Dit kan gebruikt worden als aanvulling op de basis Flexometer monsterhouder. Dit thermokoppel meet de temperatuur tijdens de gehele duur van het HBU-experiment. Het wordt aanbevolen om het thermokoppel met horizontale naald niet te gebruiken tijdens de BO-experimenten, omdat dit kan leiden tot beschadiging van de sensor. Een voorbeeld van deze opstelling is te zien in figuur 1b.
- Een aparte monsterhouder met Pertinax-platen en een extra verticaal naal thermokoppel worden pneumatisch in het monster geplaatst nadat de HBU-meting is uitgevoerd. In deze configuratie is het thermokoppel dat de oppervlaktetemperatuur van het monster meet iets uit het midden geplaatst. Een schematische weergave van dit type monsterhouder wordt getoond in figuur 1c.
Hoe een warmteaccumulatie- en uitblaastest uit te voeren met de NETZSCH High-Force DMA's
Voordat u verder gaat met meten, moet u ervoor zorgen dat de NETZSCH DMA 523 Eplexor® correct is uitgerust met de juiste krachtsensor. Bovendien moet het bladveersysteem worden aangepast om hogere vervormingen op te vangen. Vanwege de large krachten en vervormingen die optreden tijdens een HBU- en BO-test, wordt aanbevolen om ten minste een krachtsensor te gebruiken met een nominale maximumkracht van 2500 N. Wat het bladveersysteem betreft, moeten beide stalen bladveren worden losgemaakt door de wartelmoer los te draaien met speciale steeksleutels. De gebruiker kan deze stappen eenvoudig en binnen enkele minuten uitvoeren. De HBU- en BO-tests zijn gedefinieerd in de volgende normen: ASTM D623 of ISO 4666/3, ISO 4666/4 en JIS K 6265. De monsterafmetingen zijn naar verwachting cilinders met een diameter van 17,8 mm en een hoogte van 25 mm.
Naast de resultaten van conventionele Flexometer-tests, zoals temporele temperatuurontwikkeling en thermische set, geven Flexometer-tests met de NETZSCH DMA 523 Eplexor® ook inzicht in de visco-elastische eigenschappen 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 (tan δ).
In het volgende worden de typische parameters voor HBU- en BO-experimenten samengevat.
- Heat Build-Up Tests
Voor HBU-tests wordt in ASTM D623ASTM D623 en ISO 4666-3/ISO 4666-4 een dynamische amplitude van 2,225 mm, 2,855 mm of 3,175 mm aanbevolen. In de meeste gevallen wordt de optie van 2,225 mm gekozen. De statische spanning is 1 MPa. De metingen kunnen worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, 50°C of 100°C. De laatste twee worden aanbevolen door de normen. De nauwkeurigheid van de Flexometer-opstelling wordt bevestigd met een styreen-butadieenrubber (SBR) monster met bekende samenstelling, zoals beschreven in de norm. De temperatuurstijging moet 26,7 °C ± 1,1 °C zijn na het uitvoeren van een HBU-test bij 30 Hz gedurende 25 minuten bij een omgevingstemperatuur van 100 °C. - Blow-Out testen
BO testen worden uitgevoerd op een analoge manier als HBU testen. Het belangrijkste verschil is de toepassing van verhoogde belastingen op het proefstuk. In plaats van een statische spanning van 1 MPa, wordt in dit geval een statische spanning van 2 MPa gebruikt. Op dezelfde manier wordt de dynamische vervormingsamplitude verhoogd tot 3,125 mm. Bijgevolg wordt de statische spanning overeenkomstig verhoogd tot 2 MPa, terwijl de frequentie ongewijzigd blijft ten opzichte van de HBU-tests.
Houd er rekening mee dat het, afhankelijk van de stijfheid van het rubbermateriaal, nodig kan zijn om af te wijken van de voorgestelde meetparameters in de norm. De NETZSCH DMA 523 biedt volledige flexibiliteit voor DMA-testapparaten.
Omdat de statica spanningsgestuurd is, is een betrouwbare meting van de diameter van het rubbermonster met een schuifmaat vereist. De meetparameters worden ingevoerd in de vooraf geconfigureerde pansjabloonbestanden. In het geval van een HBU test hoeft de gebruiker alleen de belangrijkste instellingen aan te passen, zoals de diameter van het monster.
Hitteopbouw en doorblaastesten
De typische procedure en het bereik van de Flexometer-testmogelijkheden met de NETZSCH DMA 523 Eplexor® worden geïllustreerd aan de hand van een rubberen proefstuk.
a. Verificatie van de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting met SBR referentiemonsters
De nauwkeurigheid van de opstelling van de Flexometer monsterhouder is bevestigd met een SBR referentiemonster, zoals eerder vermeld. De temperatuurstijging wordt getoond in figuur 3 voor twee verschillende SBR referentiemonsters. Beide monsters laten een hoge mate van reproduceerbaarheid zien en vallen binnen de temperatuurtolerantie zoals gespecificeerd door ASTM D623.
b. Hitteopbouw- en uitblaastests op een zacht rubbermonster
Nadat de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting met de Flexometer-monsterhouder was gecontroleerd, werden de rubbermonsters eerst beoordeeld met de meetparameters die waren vastgesteld voor HBU-tests. De resultaten staan in figuur 4.
De temperatuur stijgt met ~36°C na 25 min. Daarnaast zijn er twee verschillende temperatuurgebieden zichtbaar voor alle drie de onderzochte monsters. Het eerste gebied strekt zich uit totdat de temperatuur lineair toeneemt met de tijd bij ongeveer 10 min. Na dit gebied begint de helling van de temperatuur weer toe te nemen totdat deze uiteindelijk een plateau bereikt tegen het einde van het HBU-experiment.
Interessant is dat de stijging van de temperatuur en de toename van tan δ gelijktijdig optreden. Het is cruciaal om te benadrukken dat de verliesfactor eerder de temperatuur-geïnduceerde veranderingen in de demping van het gehele monstervolume weergeeft. De temperatuurstijging is alleen gemeten aan de bovenzijde van de rubber samples.
Tan δ neemt eerst af vanaf de beginwaarde van ~0,15 als gevolg van de temperatuurstijging in het monster. Een afname van de verliesfactor duidt op een hogere mate van elastische respons in de totale mechanische arbeid die op het monster wordt uitgeoefend. Echter, na het bereiken van een minimum van ~0,10 op ongeveer 5 tot 6 minuten, stijgt tan δ geleidelijk weer tot het een nieuw lokaal maximum van 0,12 bereikt na een meettijd van 18 tot 19 minuten. Op basis van de inspectie na de meting van de dwarsdoorsnede van het monster in figuur 5 wordt aangenomen dat de toename van de verliesfactor wordt veroorzaakt door de vorming van holten in het midden van het monster. De verminderde integriteit van het proefstuk zorgt voor meer buiging, wat leidt tot een schijnbare toename van de verliesfactor. Dit effect is echter niet materiaal-intrinsiek; het wordt veroorzaakt door de vorming van gasbellen in het proefstuk.
Een verhoogde dynamisch-mechanische belasting leidt tot een snellere temperatuurstijging in de tijd. De resultaten voor deze BO-tests worden getoond in figuur 6. In deze figuur neemt de temperatuur in de loop van de tijd bijna lineair toe. Aan het einde van de BO-tests neemt de temperatuurstijging echter af, wat uiteindelijk resulteert in de breuk van de rubbermonsters door een plotselinge uitbarsting. De hoogst gemeten oppervlaktetemperatuur voor breuk is 54°C.
De temporele evolutie van tan δ vertoont vergelijkbare kenmerken als die waargenomen voor de HBU proeven. In dit geval treedt de toename van de verliesfactor op kortere tijdschalen op, omdat de grotere mechanische kracht die op de monsters wordt uitgeoefend leidt tot eerdere vorming van de holten.
Aanvullende informatie kan worden verkregen door het thermokoppel met verticale naald te gebruiken. Indien geactiveerd voor een meting met deze Flexometer monsterhouder (afbeelding 1c), detecteert deze functie een enkel temperatuurpunt na de HBU meting.
Het verticale naaldthermokoppel wordt automatisch in het midden van het monster geplaatst om de temperatuur te meten na het einde van de HBU meting. In het geval van de onderzochte elastomeren steeg de temperatuur gemiddeld met ~57°C vergeleken met de ~36°C die aan het oppervlak van de monsters werd gedetecteerd.
c. Heat Build-Up Test on a Hard Rubber Sample
Als dit enkele meetpunt niet voldoende is, is er ook de mogelijkheid om handmatig een horizontaal naaldthermokoppel in het midden van het monster te steken, zoals weergegeven in figuur 1b. De resultaten van deze meetopstelling worden weergegeven in figuur 7. Met deze opstelling kan de temperatuur gedurende de gehele HBU-meting worden waargenomen.
Het is duidelijk te zien dat de temperatuurstijging in het midden van het monster (~68°C) aanzienlijk hoger is dan de temperatuurstijging aan het oppervlak van het monster (~20°C). Om dus nauwkeurig de temperatuur te meten waarbij het uitblazen van het materiaal plaatsvindt, moet een thermokoppel met horizontale naald worden ingebracht. Er is echter een zeker nadeel verbonden aan het gebruik hiervan dat in de conclusie zal worden besproken. Het wordt ook duidelijk dat de helling van tan δ (hoewel omgekeerd) gelijk is aan de helling van de temperatuurstijging in het midden van het monster. Dit benadrukt dat de oppervlaktetemperatuur niet voldoende is om de veranderingen in de visco-elastische eigenschappen van het gehele monstervolume te beschrijven, wat tan δ wel doet.
De temperatuur van het verticale naaldthermokoppel dat is ingebracht na voltooiing van de HBU-meting komt goed overeen met de gedetecteerde temperatuur in het monster. Er moet echter rekening mee worden gehouden dat er een zekere vertraging optreedt, gedurende welke de temperatuur van het monster in het midden met meer dan 10 °C daalt.
Relevantie van Thermische Set tijdens Warmte Opbouw Experimenten
Met de NETZSCH DMA 523 is het ook mogelijk om gelijktijdig de thermische set te meten tijdens het gehele HBU-experiment. Deze eigenschap maakt het mogelijk conclusies te trekken over de vormstabiliteit van het rubbermateriaal tijdens zware dynamische belastingen. Tankrupsonderleggers moeten bijvoorbeeld zoveel mogelijk hun oorspronkelijke vorm behouden om hun functionaliteit te garanderen. De thermische set is gemeten op basis van de monsterlengte die is gedetecteerd voor het eerste meetpunt aan het begin van het dynamische segment van het HBU-experiment, d.w.z. na het einde van het inweektijdsegment.
In figuur 8 wordt de ontwikkeling van de thermische set en de temperatuurstijging van twee SBR referentiemonsters weergegeven. Gedurende de eerste vijf minuten domineert de uitzetting van het monster, aangezien de monstertemperatuur over het gehele monstervolume gedurende deze tijdspanne het snelst stijgt. Pas als de temperatuurstijging begint te vertragen, begint de lengte van het monster af te nemen. Nadat het monster met ongeveer 1% is uitgezet na 5 minuten, wordt deze uitzetting gecompenseerd door de afname in de lengte van het monster veroorzaakt door de zware dynamische belastingen op het SBR monster.
Conclusie
De NETZSCH DMA 523 Eplexor® biedt eenvoudige toegang tot Flexometer-tests voor rubbermaterialen en daarbuiten. Het verzamelt gegevens over het temperatuurverloop van elastomeermonsters en hun visco-elastische eigenschappen en levert zo alle benodigde informatie voor de ontwikkeling van duurzamere rubberproducten die bestand zijn tegen zware belastingen tijdens het gebruik. Bovendien kan de vormstabiliteit van rubbermonsters worden gemeten met behulp van de thermische reeks die tijdens het HBU-experiment wordt gedetecteerd.
De keuze van de apparatuur brengt echter bepaalde voor- en nadelen met zich mee voor wat betreft de toepassing:
- De basis Flexometer monsterhouder is ontworpen om de oppervlaktetemperatuur te detecteren tijdens de gehele duur van HBU en BO testen. Hoewel dit voldoende kan zijn voor elastomeerverbindingen met verschillende thermische degradatie-eigenschappen, is het mogelijk dat bepaalde verschillende verbindingen geen verschil laten zien in hun oppervlaktetemperatuurstijging tijdens de meting.
- NETZSCH biedt twee oplossingen om meer informatie te krijgen over de binnenkant van elastomeerverbindingen: Aan de ene kant is er de Flexometer monsterhouder met verticaal naaldthermokoppel, en aan de andere kant is er het horizontale naaldthermokoppel dat als extra kan worden gebruikt met de Flexometer monsterhouder.
- De eerste optie is ontworpen om slechts één temperatuurmeetpunt te detecteren nadat de HBU-meting is afgesloten. In tegenstelling tot het handmatig ingebrachte horizontale naalthermokoppel wordt deze procedure automatisch uitgevoerd. Deze functie vermindert de noodzaak voor de gebruiker om tussen de metingen in te grijpen, waardoor de efficiëntie en consistentie toenemen.
- Met een horizontaal naalthermokoppel kan de temperatuur in het midden van het monster gemeten worden voor de gehele duur van de meting. Deze uitbreiding moet echter handmatig worden ingebracht voor het experiment. Het vooraf inbrengen van het thermokoppel kan de structuur van het monster verzwakken door een scheur in het materiaal aan te brengen. Dit kan op zijn beurt de nauwkeurigheid van de gemeten visco-elastische eigenschappen beïnvloeden. Bovendien kan het de vorming van holtes in het midden van het monster beïnvloeden, omdat het ontwikkelende gasmengsel een gemakkelijke weg heeft om naar het oppervlak te diffunderen langs het thermokoppel van de naald. Het fundamentele doel van HBU- of BO-metingen is om een structureel ongerept monster te onderzoeken; deze toevoeging moet alleen worden gebruikt als een bijkomend hulpmiddel voor mogelijke simulaties van de warmteopbouw, in plaats van als vervanging voor conventionele HBU- en BO-experimenten met maagdelijke monsters. Het is belangrijk op te merken dat de wrijving tussen het thermokoppel en het proefstuk, en de rol van het thermokoppel in het geleiden van warmte weg van de kern van het proefstuk naar buiten, invloedrijke factoren zijn wanneer deze add-on wordt gebruikt.