Wprowadzenie
Zrozumienie właściwości lepkosprężystych polimerów ma kluczowe znaczenie dla ich zastosowania w wielu dziedzinach, w tym w produkcji artykułów sportowych. Wysokowydajne polimery i kompozyty polimerowe zrewolucjonizowały branżę sportową, zapewniając użytkownikom wytrzymały, wygodny, precyzyjny i trwały sprzęt [1]). Polimery i kompozyty polimerowe stanowią podstawę codziennej aktywności: są one wykorzystywane jako materiał na podłogi w halach i na otwartych obiektach sportowych, w podeszwach butów, siatkach, naciągach rakiet itp. Możliwość oceny właściwości termicznych i parametrów fizycznych tych materiałów ma kluczowe znaczenie dla ich projektowania, produkcji i końcowego zastosowania.
Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) służy przede wszystkim do analizy właściwości lepkosprężystych materiałów polimerowych, ale jest również wykorzystywana do pomiarów metali, ceramiki lub symulacji określonych warunków mechanicznych. NETZSCH DMA 303 Eplexor® to wszechstronne urządzenie stołowe, umożliwiające pomiary w zakresie temperatur od -170°C do 800°C (-274°F do 1472°F), przy zastosowaniu sił od 1 mN do 50 N, oraz pracujące z częstotliwościami od 0,001 do 150 Hz. W niniejszym badaniu przetestowano trzy różne rodzaje wysokowydajnych strun do badmintona przy użyciu dynamicznej analizy mechanicznej (DMA). Nowoczesna konstrukcja strun do badmintona składa się z kilku materiałów, warstw i powłok [2]. Wszystkie trzy badane próbki mają tę samą podstawową strukturę: rdzeń z wielowłókienkowego nylonu otoczony plecionymi włóknami nylonowymi. Próbka 1 posiada powłokę z wodorku tytanu, natomiast próbki 2 i 3 mają powłokę złożoną z nanorurek węglowych typu „cup-stack”. Pod względem parametrów użytkowych producent klasyfikuje poszczególne struny, a podsumowanie tej klasyfikacji przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Właściwości trzech strun do badmintona podane przez producenta.
| Zmienna | Próbka 1 (ocena w skali od 0 do 10) | Próbka 2 (ocena w skali od 1 do 10) | Próbka 3 (ocena w skali od 1 do 10) |
|---|---|---|---|
| Siła odbicia | 7 | 8 | 9 |
| Trwałość | 7 | 10 | 7 |
| Dźwięk uderzenia | 7 | 7 | 8 |
| Amortyzacja wstrząsów | 6 | 6 | 8 |
| Sterowanie | 6 | 6 | 10 |
Głównym celem niniejszego badania jest powiązanie właściwości lepkosprężystych zmierzonych za pomocą analizatora DMA z kryteriami wydajności podanymi przez producenta w tabeli 1. Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. Moduł sprężystości (E’) opisuje zdolność materiału do magazynowania i uwalniania energii (podobnie jak sprężyna), co można bezpośrednio powiązać z podaną siłą odpychania. Moduł strat (E”) opisuje rozpraszanie energii przez materiał (zazwyczaj w wyniku tarcia wewnętrznego), a współczynnik tłumienia (tan δ) stanowi stosunek E” do E’ (opisując, w jakim stopniu materiał tłumi przyłożoną siłę). W związku z tym zarówno dźwięk uderzenia, jak i pochłanianie wstrząsów są bezpośrednio powiązane z właściwościami E” i tan δ. Ponadto parametry takie jak trwałość można badać, przeprowadzając testy w funkcji rosnącej siły, a nie temperatury.
Badania metodą DMA w zakresie właściwości lepkosprężystych i symulacji zastosowań
W celu określenia właściwości lepkosprężystych trzech strun do badmintona przeprowadzono dla każdej próbki standardowy pomiar w zakresie temperatur w warunkach rozciągania (przedstawiono na rysunku 1) przy użyciu analizatora DMA 303 firmy NETZSCH Eplexor® w zakresie temperatur od -150 do 150ºC.
W tabeli 2 podsumowano różne strefy przejściowe dla każdej próbki. Profil lepkosprężystości próbki 1 w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku 2, próbki 2 – na rysunku 3, a próbki 3 – na rysunku 4; wszystkie próbki badano w rozciąganiu. Jak wynika z rysunków 2–4, próbki 2 i 3 mają bardzo podobne profile i strefy przejściowe, w przeciwieństwie do próbki 1 (która ma inną powłokę), która znacznie się od nich różni. Nylon jest poliamidem alifatycznym, powszechnie klasyfikowanym według numerów gatunkowych (6, 66, 11, 12), z których wszystkie charakteryzują się przejściem szklistym zachodzącym w zakresie temperatur od 40 do 95°C. Dlatego też bardzo interesujące jest rozważenie innych przejść, które obserwuje się w temperaturach niższych od otoczenia.
Tabela 2: Przejścia termiczne próbek 1, 2 i 3 – podano wartości E’, E” i tan δ. Wszystkie próbki badano w rozciąganiu, stosując dynamiczne odkształcenie wynoszące 10 μm, współczynnik proporcjonalności 1,3 oraz szybkość ogrzewania wynoszącą 2 ºC/min.
| Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście | Początek E’ | Szczyt E” | tan δ |
|---|---|---|---|
Próbka 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 0,1β6 |
Próbka 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 |
Próbka 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 |
Na podstawie rysunków od 2 do 4 należy również wziąć pod uwagę wpływ temperatury na właściwości lepkosprężyste strun. Badminton jest zazwyczaj sportem uprawianym w halach, ale jak wygląda sytuacja w przypadku gry na świeżym powietrzu?
Rysunek 5 przedstawia profil termiczny próbki nr 1 w zakresie temperatur od 0 do 50°C. W chłodny jesienny dzień, gdy temperatura wynosi 4°C, struny byłyby 2,3 razy sztywniejsze niż w temperaturze pokojowej (25°C) lub 3,0 razy sztywniejsze niż w upalny letni dzień, gdy temperatura wynosi 35°C. Jednak współczynnik tłumienia nie wykazuje dokładnie tej samej tendencji – przy 4°C jest on jedynie 1,1 razy wyższy w porównaniu z 25°C, a przy 4°C – 1,3 razy wyższy w porównaniu z 35°C. Dlatego też, mimo że struny byłyby sztywniejsze i wykazywałyby mniejszą elastyczność podczas uderzenia w lotkę, ilość energii pochłanianej przez struny, a nie przekazywanej na uderzenie, pozostałaby podobna.
Kluczowym celem tych badań jest zrozumienie, jak struny do badmintona będą się zachowywać w warunkach, do których są przeznaczone. W związku z tym te same trzy próbki poddano próbie zginania trzypunktowego w celu określenia ich właściwości zginających (odległość zgięcia wynosząca 20 mm w celu analizy jednego skończonego odcinka ogólnego wzoru siatki rakiety), symulując ich zachowanie po naciągnięciu na rakietę i użyciu do uderzenia lotki. Układ testowy z naciągniętym naciągiem poddanym zginaniu przedstawiono na rysunku 6.
W celu zbadania właściwości materiału w próbie zginania trzypunktowego przeprowadzono w temperaturze pokojowej dwa różne przebiegi obciążenia, aby zmierzyć te właściwości. Rysunek 7 przedstawia wpływ rosnącego odkształcenia dynamicznego (utrzymywanego poniżej 0,7 N).
Na rysunku 8 przedstawiono zmianę długości próbek w funkcji rosnącej siły.
Na rysunku 7 widać, że w temperaturze pokojowej występuje wyraźna różnica we właściwościach mechanicznych trzech strun. Przy przykładowej amplitudzie 50 μm próbka 1 wykazuje najniższe wartości modułu sprężystości (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), próbka 2 – najwyższe (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), a próbka 3 plasuje się pomiędzy nimi (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Biorąc pod uwagę, że współczynnik tłumienia jest stosunkiem modułu strat do modułu sprężystości, oznacza to, że próbka 1 ma najwyższe właściwości tłumiące (0,14), a następnie próbka 3 (0,09) i próbka 2 (0,09). Wartości te nie odpowiadają bezpośrednio wartościom podanym przez producenta w tabeli 1, jednak bardzo ważne jest uwzględnienie wpływu wszystkich trzech parametrów lepkosprężystych na właściwości materiału oraz znaczenia temperatury, w której przeprowadzono badania, co ilustruje rysunek 5.
Wreszcie na rysunku 8 można zaobserwować zmianę długości próbki wraz ze wzrostem siły dynamicznej. Jest to istotny czynnik pozwalający ocenić, jak dużej sile może wytrzymać pojedynczy element struny bez znaczącego odkształcenia. Próbka 3 wykazuje największe odkształcenie, co sugeruje, że jest prawdopodobnie najmniej wytrzymała spośród trzech ze względu na swoją skłonność do odkształcania się (wynik ten jest zgodny z tabelą 1). Należy zauważyć, że próbki te, poddane obciążeniu w próbie zginania trzypunktowego, zostały ręcznie napięte, co mogło zwiększyć rozrzut między pomiarami bezwzględnymi.
Podsumowanie
Rozwój wysokowydajnych polimerów i kompozytów polimerowych zrewolucjonizował świat artykułów sportowych. W niniejszym artykule wykazaliśmy, w jaki sposób urządzenie DMA 303 firmy NETZSCH Eplexor® może posłużyć do oceny, porównania i symulacji właściwości trzech różnych strun do badmintona w zakresie różnych parametrów. Przeprowadzono badania z narastaniem temperatury w celu określenia temperatur przejścia fazowego trzech próbek, a także w celu oceny ich właściwości w różnych temperaturach, na jakie mogą być narażone na zewnątrz. Przeprowadzono badania z narastaniem obciążenia w celu oceny właściwości mechanicznych strun w temperaturze pokojowej, a także w celu zrozumienia ich zachowania pod wpływem obciążenia przyłożonego w kierunku, w którym struny uderzają w lotkę.