Wprowadzenie
Obecnie metoda dynamiczno-mechanicznej analizy termicznej (DMTA) ma ugruntowaną pozycję w badaniach materiałówarch dla gumy i opon. Rozwój nowych mieszanek, np. w przemyśle oponiarskim, wymaga szczegółowych informacji na temat właściwości mechanicznych stosowanych materiałów. Obejmuje to określenie lepkosprężystych danych materiałowych zawierających Elastyczność i moduł sprężystościElastyczność gumy lub elastyczność entropijna opisuje odporność dowolnego układu gumy lub elastomeru na zewnętrznie przyłożone odkształcenie lub naprężenie. moduł magazynowania E', Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności E" i współczynnik stratności tanδ, w funkcji temperatury, częstotliwości wzbudzenia i zewnętrznego odkształcenia (np. odkształcenia).
Dość popularny jest test twardości brzegowej. Niestety, informacje na temat właściwości lepkosprężystych uzyskanych w testach brzegowych są niewystarczające w niektórych istotnych obszarach. Dane dotyczące zależności temperatury i częstotliwości związków nie są w ogóle dostępne. Co więcej, odkształcenie zastosowane do próbek podczas testu brzegowego nie jest mierzone.
Jedynie badania DMTA są w stanie przynieść pożądane rezultaty. Ponieważ właściwości lepkosprężyste (E', E", tanδ) układów elastomerowych zależą od zewnętrznie zastosowanego odkształcenia, pomiary temperatury muszą być wykonywane przy stałych amplitudach odkształcenia w całym zakresie temperatur zastosowania.
Ze względu na wysoką sztywność mieszanek gumowych w temperaturach poniżej temperatury zeszklenia Tg, do uzyskania wymaganych odkształceń statycznych i dynamicznych potrzebne są wysokie poziomy siły.
Zwykle do testów ściskania stosuje się próbki cylindryczne (próbki "Roelig") o wysokości i średnicy 10 mm.
Zakładając, że moduł E' wynosi 3000 MPa, co jest typową wartością w stanie szklistym, wydajność testowa urządzenia wymaga amplitudy siły dynamicznej +/-50 N, aby wygenerować wykrywalne wydłużenie około 2 μm. Nie można tego osiągnąć za pomocą classicwszystkich laboratoryjnych przyrządów DMA. Szczególnie dobrze do tych zadań nadaje się Eplexor® 500 N firmy NETZSCH GABO Instruments (patrz rysunek 1).
Systemy DMTA, takie jak seria Eplexor® firmy NETZSCH GABO Instruments, są wyposażone w napędy o dużej mocy, aby uzyskać odpowiednie amplitudy wysokich poziomów siły.
Jednak w kontroli jakości (QC) czasochłonne pomiary temperatury są niewygodne ze względów ekonomicznych. Testy QC powinny być przeprowadzane bardzo szybko. Test QC, w tym przygotowanie próbki, powinien zostać zakończony w ciągu maksymalnie 20 minut. Niniejsza nota aplikacyjna ilustruje, w jaki sposób pomiary temperatury można zastąpić pomiarami częstotliwości, przeprowadzanymi w pobliżu Tg.
Zależność temperatury kauczuku butylowego (BR) i SBR 1500
Wszystkie pomiary temperatury są wykonywane przy statycznym odkształceniu 4% w odniesieniu do początkowej długości próbki (10 mm dla wszystkich próbek) w zakresie temperatur od -80°C do 80°C. Zastosowana amplituda odkształcenia dynamicznego wynosi ± 0,2%; częstotliwość testu wynosi 10 Hz.
Rysunek 2 przedstawia Moduł zespolonyZłożony moduł składa się z dwóch składników, modułu magazynowania i modułu stratności. Moduł magazynowania (lub moduł Younga) opisuje sztywność, a moduł stratności opisuje tłumienie (lub lepkosprężystość) odpowiedniej próbki przy użyciu metody dynamicznej analizy mechanicznej (DMA). moduł zespolony wypełnionego (50 phr sadzy) i niewypełnionego BR w funkcji temperatury.
Ze względu na zawartość sadzy, moduł wypełnionego BR jest około 10 razy wyższy niż czystego BR w temperaturach powyżej 0°C.
Wypełnione i niewypełnione systemy BR (rysunek 3) wykazują bardzo szeroki obszar przejścia szklistego obejmujący zakres temperatur około 50 K (połowa szerokości piku tanδ). Jednak wysokości piku tanδ obu systemów znacznie się od siebie różnią (wypełniony: maksimum piku tanδ wynosi 0,75, niewypełniony: maksimum piku tanδ wynosi 1,3).
Rysunki 4 i 5 przedstawiają Moduł zespolonyZłożony moduł składa się z dwóch składników, modułu magazynowania i modułu stratności. Moduł magazynowania (lub moduł Younga) opisuje sztywność, a moduł stratności opisuje tłumienie (lub lepkosprężystość) odpowiedniej próbki przy użyciu metody dynamicznej analizy mechanicznej (DMA). moduł zespolony i tanδ drugiego badanego systemu. Ponownie scharakteryzowano system wypełniony i niewypełniony, ale tym razem w oparciu o SBR 1500. Czysty SBR wykazuje znacznie węższy pik zeszklenia niż system BR. Szerokość połówkowa tego przejścia szklistego wynosiła tylko 20 K. Podobnie jak poprzednio, bezwzględne wartości modułu zespolonego [E*] niewypełnionego SBR spadają z prawie 3000 MPa poniżej Tg do wartości poniżej 5 MPa powyżej Tg. E*] wypełnionych systemów jest - w temperaturach powyżej Tg - dwukrotnie wyższy niż niewypełnionego SBR 1500.
Wstaw tekst
Pomiary częstotliwości wykonane na wypełnionych i niewypełnionych systemach gumowych
Rysunek 6 przedstawia zależność częstotliwości dwóch systemów kauczuku butylowego. Moduł zespolonyZłożony moduł składa się z dwóch składników, modułu magazynowania i modułu stratności. Moduł magazynowania (lub moduł Younga) opisuje sztywność, a moduł stratności opisuje tłumienie (lub lepkosprężystość) odpowiedniej próbki przy użyciu metody dynamicznej analizy mechanicznej (DMA). Moduł zespolony (E*, wyświetlany jako wartości bezwzględne) wypełnionego systemu (BR - 50 phr w 23°C) jest po prostu przesunięty do wyższego poziomu niż niewypełnionego BR (BR - niewypełniony w 23°C). W temperaturze otoczenia kształty linii wypełnionych (BR - 50 phr w 23°C) i niewypełnionych (BR - niewypełniony w 23°C) związków BR są bardzo podobne, co wskazuje na takie samo zachowanie częstotliwości dla wypełnionych i niewypełnionych kauczuków.
W obszarze przejścia szklistego w temperaturze T = -20°C sytuacja jest zupełnie inna. Niewypełniony BR wykazuje znacznie większe nachylenie krzywej [E*] wraz ze wzrostem częstotliwości niż system wypełniony.
Podobne wyniki można uzyskać dla wypełnionych i niewypełnionych systemów SBR 1500 (rysunek 7). Zgodnie z oczekiwaniami, system wypełniony (SBR 1500 - 50 phr w 23°C) generalnie wykazuje wyższe wartości modułu zespolonego [E*] niż system niewypełniony (SBR 1500 - niewypełniony w 23°C). Nachylenie obu krzywych w temperaturze pokojowej nie różni się znacznie. Ponownie, w temperaturze -20°C można wykryć różnice w kształcie linii large, które pozwalają na rozróżnienie między różnymi zawartościami wypełniacza poprzez analizę bezwzględnych wartości E*, jak omówiono wcześniej.
Podsumowanie
Large próbki gumy (o średnicy 10 mm) mogą być badane tylko w trybie ściskania przy użyciu przyrządów DMA o dużej sile, takich jak Eplexor® 500 N firmy NETZSCH GABO Instruments.
Na pytanie, w jaki sposób E* jest funkcją zawartości sadzy, można odpowiedzieć za pomocą przemiatania częstotliwości wykonywanego w równowadze termicznej w różnych temperaturach. Ze względu na zasadę superpozycji czas-temperatura lub częstotliwość-temperatura, zmiana częstotliwości przy utrzymaniu stałej temperatury może dostarczyć tych samych informacji, co pomiar temperatury.
Zazwyczaj pomiar częstotliwości trwa tylko około 5 minut, co znacznie przyspiesza procedurę testową w porównaniu z konwencjonalnymi pomiarami temperatury, które trwają około 2 godzin.
Wyniki testu pokazują również, że pomiary częstotliwości przeprowadzane w pobliżu Tg pozwalają na rozróżnienie materiałów gumowych o różnej zawartości sadzy za pomocą dość szybkiej analizy.