Wprowadzenie
Ze względu na niską gęstość pianki mają szeroki zakres zastosowań. Miękkie pianki są używane na przykład jako materiał amortyzujący, do tłumienia akustycznego lub jako ochrona przed grzechotaniem. Sztywne pianki są w szczególności stosowane jako materiały izolacyjne, w podeszwach butów lub do takich zastosowań, jak warstwy wypełniające w strukturach kompozytowych. Gdy nacisk kładziony jest na efekt izolacji termicznej lub odporność materiału w różnych warunkach środowiskowych, zwykle stosuje się pianki o zamkniętych komórkach. Z drugiej strony, miękkie pianki są zwykle otwartokomórkowe, co umożliwia ucieczkę gazu z poszczególnych komórek, a tym samym pozwala piance na większą elastyczną kompresję.
Ogólnie rzecz biorąc, wiele polimerów nadaje się jako materiały wyjściowe dla pianek. Szczególnie szeroko stosowane są pianki na bazie spienionego polistyrenu lub poliuretanu (PUR). W zależności od sposobu produkcji, różne pianki PUR mogą wykazywać bardzo różne właściwości. Gęstość i stopień usieciowania pianek różnią się znacznie w zależności od ilości środka porotwórczego (wody), dodatku innych dodatków, a także długości łańcucha materiałów wyjściowych, co pozwala na szeroki zakres od miękkich do bardzo sztywnych pianek.
W celu określenia właściwości mechanicznych, testowanie za pomocą uniwersalnych testerów rozciągania classic jest dobrze ugruntowane. Oprócz statycznego zachowania przy odkształceniu, często kluczowe znaczenie dla zastosowania ma również tłumienie pianki. W tym przypadku DMA może wnieść cenny wkład, rejestrując całe lepkosprężyste zachowanie pianek. W niniejszym artykule jako przykład zbadano miękką piankę PUR o otwartych porach.
Testowanie statyczne
Podczas testów statycznych (quasi-statycznych) z użyciem High Force DMA GABO Eplexor® 500 N, przykładane jest powoli zmieniające się NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie, tak jak w uniwersalnym testerze, a następnie mierzone są powstałe siły i odkształcenia. Zgodnie z typowymi sytuacjami instalacji pianek, pomiar jest zwykle przeprowadzany w trybie ściskania.
Rysunek 1 przedstawia nieobciążoną próbkę po lewej stronie i skompresowaną próbkę po prawej stronie, w Eplexor®. Można zauważyć, że występuje tylko stosunkowo small odkształcenie poprzeczne i można założyć, że jest to całkowicie ściśliwy materiał w początkowym przybliżeniu.
Najpierw rejestrowane są statyczne krzywe naprężenie-odkształcenie. Aby wykluczyć efekty jednorazowe, próbka pianki jest zwykle obciążana i rozładowywana dwukrotnie, przy czym na rysunku 2 pokazano tylko drugi cykl obciążenia.
Pokazuje to trójdzielną krzywą naprężenie-odkształcenie, typową dla pianek miękkosprężystych; np. porównaj z (Keller, 2019). Przy stosunkowo small odkształceniach komórki są tylko nieznacznie zdeformowane, a materiał zachowuje się w przybliżeniu liniowo-sprężysty. Wraz ze wzrostem odkształcenia komórki pianki otwartokomórkowej zapadają się. Ponieważ powietrze musi wydostać się z komórek w tym procesie, wyniki są funkcją szybkości deformacji. W tym obszarze plateau naprężenie wymagane do odkształcenia wzrasta tylko powoli. Przy bardzo wysokich poziomach odkształcenia (tutaj zaczynając od ok. 50%), komórki, które już się zapadły, są następnie dalej ściskane, a naprężenie ponownie wzrasta bardziej wyraźnie. Podczas późniejszego rozładunku wymagane naprężenia są tylko nieco niższe ze względu na rozproszenie energii, które nastąpiło w międzyczasie, i występuje typowa histereza.
Zgodnie z normą ISO 3386 twardość na ściskanie jest określana jako niezbędne naprężenie przy rosnącym odkształceniu o 40%; w tym przypadku twardość na ściskanie wynosi σd 40 = 0,12 MPa. Obszar histerezy pozwala na zgrubne oszacowanie tłumienia materiału. Zdolność tłumienia pianek PUR znacznie się różni.
Rysunek 3 przedstawia schematycznie różne krzywe histerezy. Zgodnie z ich właściwościami tłumiącymi, pianki PUR można sklasyfikować jako medium tłumiące (typ A), silnie tłumiące (typ B) lub słabo tłumiące (typ C). W związku z tym badaną próbkę można sklasyfikować jako bardziej typ C.
Jako alternatywę dla zastosowanego tutaj obciążenia całej powierzchni, często przeprowadza się testy penetracyjne na piankach. W tym przypadku zamiast górnego pręta w próbkę wciskany jest mniejszy korpus. Wymagana do tego siła nazywana jest twardością wgłębienia.
Testy dynamiczne
W statycznym badaniu DMA, NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie statyczne jest przykładane w każdym kroku, a następnie w tym stanie przeprowadzany jest eksperyment oscylacji dynamicznej. W ten sposób moduł Younga może być mierzony bezpośrednio w tym punkcie, a tym samym tłumienie może być również określane lokalnie.
Próbka pianki jest ponownie statycznie rozciągana w krokach do 70%. Na rysunku 4 widać takie samo zachowanie jak w testach statycznych: Dla odkształceń small próbka zachowuje się w przybliżeniu liniowo, ale następnie rozwija degresywną charakterystykę sprężyny wraz ze wzrostem odkształcenia. Końcowe ściskanie ponownie charakteryzuje się sztywnością sprężyny, która wzrasta wraz z odkształceniem statycznym i dlatego może być scharakteryzowana jako progresywna sztywność sprężyny.
Za pomocą DMA można zmierzyć moduł Younga w każdym punkcie ze względu na dynamiczne oscylacje. Zgodnie z oczekiwaniami, moduł początkowo spada w obszarze odkształceń small, następnie jest względnie stały i ostatecznie ponownie wzrasta wraz ze wzrostem kompresji. Moduł mierzony za pomocą DMA zachowuje się zatem dokładnie tak samo, jak moduł styczny po ocenie testu statycznego.
W przypadku urządzeń do badań mechanicznych moduł Younga próbki nie jest mierzony bezpośrednio, ale najpierw określana jest sztywność na podstawie mierzalnych sił i odkształceń. W zależności od geometrii próbki i modelu materiału, moduł Younga jest następnie obliczany. Ponieważ pianka zachowuje się jako w dużej mierze ściśliwa, pole przekroju poprzecznego nie zmienia się znacząco podczas odkształcania. W związku z tym można obliczyć naprężenie działające na próbkę; jest ono zawsze wyrażane jako:
σ = F/A0
Tutaj F jest siłą, a A0 nominalnym początkowym przekrojem.
Ponieważ długość próbki znacznie się zmienia, odkształcenie dynamiczne powinno być zawsze związane z aktualną długością próbki, tj,
ε = ΔL/Lm
z odkształceniem ΔL i aktualną długością próbki Lm. Daje to współczynnik geometrii do obliczania modułu jako Lm / A0.
Współczynnik ten jest ogólnie ważny dla materiałów ściśliwych i można go wybrać bezpośrednio w oprogramowaniu Eplexor®.
W testach statycznych możliwe jest scharakteryzowanie tłumienia pianki na podstawie histerezy całego odkształcenia. DMA pozwala na dokładniejszą charakterystykę, ponieważ lokalne tłumienie można określić dla każdego obciążenia statycznego. Staje się jasne, że pianka ma tylko niską zdolność tłumienia w zakresie odkształceń small. Tłumienie (tutaj tan δ) pozostaje względnie stałe w obszarze plateau, a następnie ponownie wzrasta w obszarze ściskania. W ten sposób DMA pozwala na prawidłowe określenie zdolności tłumienia w stanie obciążonym.
Nieliniowe zachowanie materiału jest całkowicie analogiczne przy zwiększaniu amplitudy drgań dynamicznych. Rysunek 5 przedstawia odpowiednią histerezę cyklu drgań dynamicznych (z 10% amplitudą odkształcenia dynamicznego) przy różnych poziomach odkształcenia statycznego. Moduł Younga ponownie wynika z nachylenia wykresu naprężenie-odkształcenie. Można zauważyć, że sztywność początkowo zmniejsza się w zakresie odkształceń statycznych small (sztywność degresywna), a następnie ponownie wzrasta przy odkształceniach large (sztywność progresywna). Przy amplitudach dynamicznych large zachowanie to jest również widoczne w odkształceniu histerezy. Wzrost tłumienia wraz ze statycznym obciążeniem wstępnym można również zauważyć w obszarze histerezy large.
Zachowanie temperatury
Wraz z pomiarem mechanicznego nieliniowego zachowania materiału, DMA GABO Eplexor® w szczególności umożliwia również przeprowadzenie analizy termomechanicznej. W ten sposób analizy przeprowadzone wcześniej są również możliwe w podwyższonych temperaturach lub temperaturach poniżej punktu zamarzania. Charakterystykę termiczną przeprowadza się głównie w liniowym zakresie amplitud small. Ze względu na silny efekt izolacyjny pianki, wybrano niską prędkość ogrzewania 2 K/min.
Oprócz bezpośredniego zachowania temperatury, często interesujące są właściwości materiału przy częstotliwościach, które nie są bezpośrednio dostępne w pomiarach. Dotyczy to na przykład stosowania pianek do tłumienia akustycznego. W tym przypadku do generowania krzywych wzorcowych można zastosować metodę superpozycji czas-temperatura. Pozwala to również na wyciągnięcie wniosków na temat zachowania materiału przy znacznie wyższych częstotliwościach.
Podsumowanie
DMA GABO Eplexor® 500 N oferuje wystarczające rezerwy siły do pomiaru pianek w znaczących rozmiarach, dzięki czemu można scharakteryzować nieliniowe i zależne od czasu zachowanie mechaniczne. Oprócz informacji uzyskanych z wykresu naprężenie-odkształcenie, DMA można również wykorzystać do określenia sztywności i tłumienia w stanie ściśniętym. Co więcej, za pomocą DMA można określić zachowanie temperaturowe oraz, za pomocą techniki krzywej wzorcowej, również moduł Younga przy wysokich częstotliwościach za pomocą tylko jednego urządzenia. Umożliwia to charakterystykę pianek dla różnych scenariuszy zastosowań.