Bez bólu z Payne'em... i Mullinsem

Praktyczny przewodnik po wykonywaniu pomiarów efektu Payne'a i Mullinsa za pomocą urządzeń DMA o dużej mocy NETZSCH

Wprowadzenie

Elastomery często zawierają aktywne wypełniacze, takie jak SadzaTemperatura i atmosfera (gaz przedmuchujący) wpływają na wyniki zmiany masy. Zmieniając atmosferę z np. azotu na powietrze podczas pomiaru TGA, można oddzielić i oznaczyć ilościowo dodatki, np. sadzę, i polimer luzem.sadza lub krzemionka, w celu poprawy ich właściwości mechanicznych i osiągnięcia jakości niezbędnej do zastosowań o wysokiej wydajności. W przypadku wysokiej zawartości wypełniacza tworzy się trójwymiarowa (3D) sieć zagregowanych cząstek wypełniacza. Powoduje to znaczny wzrost sztywności próbki. Jednak ta cecha mikrostrukturalna jest stabilna tylko tak długo, jak zastosowane odkształcenia pozostają small, tj. w liniowym reżimie lepkosprężystym. Powyżej tego progu sieć wypełniacza 3D ulega rozpadowi, a moduły stają się funkcją zastosowanego odkształcenia lub ścinania próbki. Reżim ten określany jest jako nieliniowy obszar lepkosprężysty.

Z tym zjawiskiem związane są dwa ważne efekty: Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a i Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.efekt Mullinsa. Podczas gdy oba są zjawiskami zmiękczającymi odkształcenie i oba efekty zależą od historii odkształcenia, pierwszy z nich opisuje spadek modułu magazynowania przy rosnących odkształceniach dynamicznych. Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa jest powszechnie rozumiany jako zmiana krzywych naprężenie-odkształcenie dla kolejnych cykli obciążania i rozładowywania wykonywanych w quasi-statycznych próbach rozciągania. W tym przypadku kolejne krzywe naprężenie-odkształcenie będą znajdować się poniżej krzywej początkowego cyklu obciążenia. Krzywa naprężenie-odkształcenie próbki będzie odpowiadać krzywej naprężenie-odkształcenie próbki pierwotnej dopiero po przekroczeniu poprzedniego maksymalnego odkształcenia historii odkształcenia próbki.

Należy zauważyć, że efekty te nie są jedynie ciekawostkami naukowymi. Są one również istotne dla rzeczywistych scenariuszy. Ponieważ elastomery są często narażone na duże odkształcenia dynamiczne i statyczne podczas pracy, ma to znaczący wpływ na ich wydajność pod względem sztywności i tłumienia w porównaniu z pierwotnym materiałem elastomerowym. Aby wiarygodnie określić ilościowo te zmiany podczas odkształceń large i/lub obciążeń dynamicznych, należy przeprowadzić testy w celu określenia efektu Payne'a i Mullinsa. Przykłady obejmują pióra wycieraczek, mocowania silnika i opony. Dokładna kwantyfikacja zmian (dynamicznych) właściwości mechanicznych wywołanych odkształceniem umożliwia uzyskanie wiarygodnych informacji zwrotnych podczas badań i rozwoju nowych mieszanek gumowych, a także symulację wydajności produktu w eksploatacji.

Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a:

Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a to odwracalny spadek modułu sprężystości wypełnionych elastomerów wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia dynamicznego.

Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa:

Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa to nieodwracalne zmiękczenie naprężeń w elastomerach po pierwszym cyklu obciążenia-rozładowania.

Ogólne aspekty efektu Payne'a i MullinsaPomiary

W większości przypadków Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a jest zwykle wykonywany jako przemiatanie odkształcenia przy użyciu (podwójnego) uchwytu próbki ścinanej. Należy zauważyć, że eksperymenty te mogą być również wykonywane w trybie rozciągania [1] (zazwyczaj możliwe są tylko amplitudy dynamiczne small, w zależności od początkowej długości próbki) lub w trybie ściskania [2].

Tryb ścinania jest preferowaną opcją w analizatorach dynamiczno-mechanicznych ze względu na realizację większych amplitud odkształcenia/ścinania niż w przypadku rozciągania lub ściskania.

Aby zapewnić precyzyjne określenie modułów ścinania, norma ISO 6721-6 przewiduje stosowanie próbek o średnicy (kształt cylindryczny) lub wysokości (kształt prostopadłościanu) co najmniej 4 razy większej od grubości próbki. Takie podejście eliminuje wszelkie potencjalne efekty zginania, eliminując w ten sposób potrzebę jakichkolwiek poprawek. Drugim powodem zastosowania trybu ścinania jest pomysł zastosowania warunków obciążenia, które są podobne do rzeczywistego zastosowania: Wycieraczki przedniej szyby wykazują odkształcenia spowodowane połączonym obciążeniem ścinającym i zginającym do ±90°. Mieszanki bieżnika na górnej powierzchni opon osobowych, a także na oponach ciężarowych będą ścinane w stosunku do następnej warstwy znajdującej się pod warstwą bieżnika ("warstwa podziemna") do 200% lub więcej.

Wreszcie, pomiary wykonane w warunkach obciążenia ścinającego oferują wyraźną korzyść w postaci wyeliminowania potrzeby stosowania elementów statycznych. Dlatego Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a zmierzony w tym przypadku jest wyłącznie funkcją rosnących dynamicznych amplitud ścinania. Do analizy efektu Payne'a nie jest wymagane 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.

Z drugiej strony, Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.efekt Mullinsa jest powodowany przez procesy obciążenia statycznego na różnych poziomach odkształcenia. Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa jest zwykle badany w trybie rozciągania. Możliwe jest również zmierzenie tego efektu w ten sam sposób przy użyciu uchwytów do próbek ściskanych lub (podwójnie) ścinanych.

Poniżej przedstawiono przewodnik krok po kroku dotyczący konfiguracji pomiaru efektu Payne'a za pomocą (podwójnego) uchwytu do próbek ścinanych.

Przewodnik krok po kroku dotyczący wykonywania pomiarów efektu Payne'aZa pomocą uchwytu do próbek z podwójnym ścinaniem

Klienci mogą wybierać spośród różnych opcji uchwytów do próbek ścinanych: Podwójne uchwyty do próbek ścinanych są dostępne dla próbek o maksymalnej średnicy/wysokości 8 mm, 10 mm lub 20 mm, a specjalistyczny uchwyt do próbek ścinanych jest dostępny dla próbek w postaci cienkich pasków. Ten ostatni nie wymaga mocowania próbek do stalowych cylindrów.

W dalszej części skupimy się tylko na przygotowaniu uchwytu próbki ścinanej o średnicy 10 mm do celów pomiaru efektu Payne'a. W tym przypadku dostępne są również zestawy do przygotowania próbek (narzędzie do wkładania i wyrównywania), które ułatwiają proces przygotowania próbki przy użyciu kleju. Przygotowanie próbki jest również możliwe poprzez bezpośrednie wulkanizowanie niezwulkanizowanej "zielonej" gumy do stalowych cylindrów za pomocą prasy grzewczej. Aby to osiągnąć, nieusieciowana guma musi zostać wlana między przygotowane stalowe cylindry, a następnie zwulkanizowana w żądanej temperaturze. Zaletą tego rozwiązania jest wyższa powtarzalność wyników pomiarów ze względu na najwyższą możliwą siłę adhezji między elastomerem a metalem, bardziej precyzyjne pozycjonowanie elastomeru między cylindrami oraz brak pozostałości kleju.

a) Przygotowanie krążków elastomerowych

I. Dostępny powinien być odlewany arkusz gumy o pożądanej grubości.

II. Wiertarka ręczna z odpowiednim cylindrycznym narzędziem jest niezbędna do następnego kroku.

III. Zanurz dolną część cylindrycznego narzędzia w roztworze mydła wodnego. Pomaga to zmniejszyć tarcie między narzędziem a arkuszem gumy podczas wiercenia, umożliwiając w ten sposób lepszy proces cięcia.

IV. Powoli opuszczaj narzędzie do wiercenia puszek (zalecana prędkość to tylko 20 do 40 obrotów na minutę), aż próbka gumy zostanie wycięta. Powtórz proces dla wymaganej liczby próbek.

V. Wysuszyć resztki mydła pozostałe na próbkach.

b) Montaż całej próbki ścinanej

Do przygotowania kompletnego zestawu uchwytu do próbek ścinanych niezbędne są następujące narzędzia: Klej do przyklejania metalu do materiału gumowego, np. klej cyjanoakrylowy; trzy stalowe cylindry o średnicy 10 mm; wycięte dyski elastomerowe; oraz zestaw narzędzi do wkładania, który pokazano na rysunku 1. W zależności od materiału gumowego może być konieczne wybranie innego kleju.

Ponadto, przed pierwszym etapem montażu, powierzchnie próbek gumy mogą zostać zszorstkowane drobnoziarnistym papierem ściernym. Może to zapewnić lepszą przyczepność podczas klejenia

Następnie powierzchnie próbek elastomerowych należy oczyścić substancją, która nie zmienia właściwości materiału i szybko ulatnia się. Potencjalnym środkiem czyszczącym do tego celu jest Loctite 7063.

I. Najpierw należy zmierzyć grubość i średnicę próbki dwóch krążków elastomerowych, które mają być przyklejone za pomocą suwmiarki i zapisać średnią wartość obu.

II. Krążek próbki elastomeru należy przykleić do jednego z zewnętrznych stalowych cylindrów. Aby to zrobić, umieść stalowy cylinder we wgłębieniu zestawu narzędzi do wkładania, jak pokazano na rysunku 2, i dokręć go śrubą dociskową.

III. Umieść tarczę elastomerową

IV. na wystającej cylindrycznej części dolnej części zestawu narzędzi do wkładania.

V. Nałożyć kroplę kleju small na środek gumowego krążka, który ma zostać połączony ze stalowym cylindrem. Rozprowadź klej równomiernie na powierzchni. Przyklej gumowy krążek do zaciśniętego stalowego cylindra. Upewnić się, że krawędzie cylindra i tarczy są wyrównane. Następnie włóż cały zespół z rysunku 2 do wgłębień w stalowym bloku z rysunku 1. Na tym etapie gumowa tarcza będzie stykać się z cylindrycznym wzniesieniem (żółta elipsa na rysunku 1). Docisnąć zespół na rysunku 2 od góry z umiarkowaną siłą przez 2-3 minuty. Wiązanie klejowe powinno być wtedy wystarczająco stabilne do następnego kroku.

VI. Powtarzaj te kroki, aż zostanie wykonany cały zestaw: cylinder stalowy - tarcza elastomerowa - cylinder stalowy - tarcza elastomerowa - cylinder stalowy. Należy pamiętać, aby zawsze nakładać klej na metalową powierzchnię, aby uniknąć jego szybkiego utwardzenia na powierzchni elastomeru.

VII. Pozostawić klej do utwardzenia na 24 godziny, aby wytrzymałość międzyfazowa osiągnęła maksimum. Proces utwardzania można przyspieszyć, umieszczając gotowy zestaw uchwytu próbki ścinanej w piecu w temperaturze od 30°C do 70°C.

VIII. Nadmiar kleju pozostawiony na zewnętrznej powierzchni należy usunąć poprzez szlifowanie drobnoziarnistym papierem ściernym. Gwarantuje to, że żadne pozostałości kleju nie wpłyną na sztywność części próbki elastomerowej podczas eksperymentu ścinania.

c) Przygotowanie uchwytu próbki do pomiaru korekcji sztywności

I. Narzędzie do wyrównywania może być użyte do zewnętrznego przygotowania uchwytu próbki do pomiaru korekcji sztywności za pomocą stalowego cylindra (patrz rysunek 3).

II. Włożyć stalowy cylinder używany do korekcji sztywności i dokręcić śruby śrubokrętem z momentem dokręcania co najmniej 1,5 Nm.

III. Włożyć i podłączyć cały zestaw uchwytu próbki do osi siły statycznej i dynamicznej.

d) Przygotowanie uchwytu próbki do pomiaru próbki

Najpierw odkręć przednie części mocujące stalowy cylinder i wyjmij go. Następnie umieść przygotowaną próbkę podwójnego ścinania tak centralnie, jak to możliwe i zabezpiecz ją, ponownie przykręcając przednie części.

e) Definicja pomiaru próbki za pomocą oprogramowania Eplexor^® 9

W tym przypadku wybierany jest ten sam plik szablonu szalki, co w przypadku pomiaru korekcji uchwytu próbki, ponieważ Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a jest mierzony w przemiataniu statycznym/dynamicznym. Dlatego odpowiednie jest następujące ustawienie, jak pokazano na rysunku 4. W tym przypadku parametry oscylacji dynamicznych są zwykle sterowane odkształceniem, a nie siłą. Rozkład punktów pomiarowych jest wybierany logarytmicznie, ponieważ wykresy danych pomiarowych są konwencjonalnie wyświetlane z logarytmiczną osią x.

Należy zauważyć, że im wyższe maksymalne odkształcenie dynamiczne, tym bardziej prawdopodobne jest, że klej na styku elastomeru i stali może pęknąć, tym samym unieważniając wszelkie dalsze przebiegi. Maksymalne możliwe dynamiczne ścinanie przyłożone do próbki jest ograniczone przez maksymalne odkształcenie sprężyny ostrza z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym.

Rozpocznij pomiar za pomocą panelu "Load & Go" w oprogramowaniu Eplexor^® 9.

Wyniki

Poniżej przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych na mieszance elastomerowej EPDM70. Zbadano zarówno Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a, jak i Mullinsa.

a) Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a

Parametry pomiarowe wykorzystane do pomiaru efektu Mullinsa zestawiono w tabeli 1.

Na rysunku 5, lepkosprężysty moduł magazynowania przy ścinaniu, G', i współczynnik strat, tan δ, są pokazane jako funkcja amplitudy dynamicznego ścinania od 0,04% do 100%.

Testy przeprowadzono przy użyciu różnych typów przemiatania. Typ przemiatania "w górę" oznacza, że amplituda dynamiczna będzie przemiatana od ±0,04% do ±100%; "w dół" oznacza od ±100% z powrotem do ±0,04%.

Krzywa początkowa przedstawia dane pomiarowe dla próbki pierwotnej. Przy niskich wartościach ścinania, tj. w liniowym reżimie lepkosprężystym dla nieuszkodzonego związku elastomerowego, moduł magazynowania przy ścinaniu w temperaturze 30°C wynosi około 6 MPa. Koniec liniowego reżimu lepkosprężystego występuje już przy ścinaniu dynamicznym wynoszącym 0,1%. Od tego momentu materiał zaczyna mięknąć z powodu rozpadu sieci wypełniacz-wypełniacz. Przy amplitudzie ścinania wynoszącej 100%, G' spada do ok. 2 MPa - wartości stanowiącej zaledwie 1/3 stanu pierwotnego. Podobnie, tan δ w stanie pierwotnym wynosi około 0,1 i wynosi około 0,135 dla dynamicznego ścinania 100%. Pomiędzy tymi wartościami można zaobserwować maksimum tan δ na poziomie ok. 4%, co odpowiada maksymalnemu rozpraszaniu ciepła lub tłumieniu dla tej mieszanki gumowej.

Tabela 1: Przegląd parametrów używanych do pomiarów efektu Payne'a za pomocą High-Force DMA

Podczas kolejnych skanowań w dół można zaobserwować wyraźne zachowanie histerezy z początkowego skanowania w górę. Moduł magazynowania i współczynnik strat są przesunięte odpowiednio do niższych i wyższych wartości. Co więcej, wartość szczytowa tan δ przesuwa się nieznacznie w kierunku niższych amplitud dynamicznego ścinania. Zmiana ta jest spowodowana uszkodzeniem sieci wypełniacza spowodowanym wysokimi dynamicznymi ścinaniami nałożonymi na próbkę podczas testu.

Co ważne, to uszkodzenie i jego konsekwencje są również wykrywane podczas pozostałych skanowań w górę i w dół. 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 i współczynnik strat pozostają na tym samym poziomie od pierwszego skanowania w dół po tym, jak próbka została dynamicznie obciążona do 100% ścinania po raz pierwszy.

b) Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa

Parametry pomiarowe stosowane do pomiaru efektu Mullinsa podsumowano w tabeli 2.

Na rysunku 6 przedstawiono wykresy naprężenie-odkształcenie dwóch różnych próbek EPDM70 ze wszystkimi pięcioma cyklami obciążenia i rozładowania. Podczas tych cykli widoczne jest nieliniowe lepkosprężyste i zmiękczające odkształcenie zachowanie wypełnionego elastomeru.

Gdy próbka jest obciążana do pewnej maksymalnej wartości odkształcenia po raz pierwszy, podąża za początkową krzywą. Po rozładowaniu następuje znaczna redukcja poziomu naprężenia dla tego samego poprzedniego odkształcenia, co prowadzi do histerezy na wykresie naprężenie-odkształcenie. W tym momencie nie jest możliwe rozróżnienie między zjawiskiem czysto lepkosprężystym, jak wykazano w poprzedniej nocie aplikacyjnej [3] dla aerożelu na bazie węgla, a dodatkowymi efektami uszkadzającymi, takimi jak Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.efekt Mullinsa. Różnica staje się widoczna dopiero przy drugim cyklu obciążenia do tej samej maksymalnej wartości odkształcenia, co w poprzednim cyklu. Jeśli poziomy naprężeń są niższe w drugim cyklu niż w pierwszym, oznacza to, że doszło do uszkodzenia. Po przekroczeniu maksymalnego odkształcenia z poprzedniego cyklu, krzywa naprężenie-odkształcenie ponownie podąża za krzywą początkową aż do nowego maksymalnego odkształcenia w bieżącym cyklu.

Tabela 2: Przegląd parametrów użytych do pomiarów efektu Mullinsa za pomocą DMA o dużej sile.

Znaczenie efektów Payne'a i Mullinsa w przemyśle gumowymPrzemysł gumowy

Elastomery z wypełniaczami, niezależnie od tego, czy zawierają sadzę czy krzemionkę, odgrywają fundamentalną rolę w przemyśle gumowym. Ponieważ efekty Payne'a i Mullinsa objawiają się jako zmiana (dynamicznych) właściwości mechanicznych wypełnionych materiałów elastomerowych, niezwykle ważne jest zrozumienie ich wpływu na właściwości produktu podczas eksploatacji.

W wielu rzeczywistych zastosowaniach występują duże odkształcenia dynamiczne lub wielokrotne cykle ładowania i rozładowywania w trakcie cyklu życia produktu - tak jest na przykład w przypadku wycieraczek przedniej szyby po kilku cyklach, opon po kilku zakrętach lub gumowych amortyzatorów. Podlegają one zatem konsekwencjom efektów Payne'a i Mullinsa. Ta zmiana właściwości lepkosprężystych odnosi się do różnych istotnych właściwości, takich jak Opór toczeniaOpór toczenia to siła przeciwstawiająca się ruchowi, gdy ciało toczy się po powierzchni. Siła ta określa opór poślizgu np. opon samochodu osobowego lub ciężarowego.opór toczenia opon poprzez zmianę współczynnika strat lub zdolności tłumienia tulei.

NETZSCH High-Force DMA pozwala dokładnie określić zakres efektów Payne'a i Mullinsa w materiale, a tym samym produkować gumy wyższej jakości i lepiej przewidywać wydajność produktów końcowych.