NETZSCH DMA 523: możliwości elastometru Goodrich z jednoczesną analizą dynamiczno-mechaniczną
Wprowadzenie
Elastomery, jako materiały lepkosprężyste, odgrywają fundamentalną rolę w wielu gałęziach przemysłu. Wiadomo, że lepki składnik zachowania mechanicznego prowadzi do utraty energii w postaci ciepła w wyniku różnych procesów rozpraszania. Typowe pomiary DMA obejmują wykorzystanie próbek o rozmiarze small, niskich amplitudach dynamicznych i niskich częstotliwościach, co skutkuje znikomym rozpraszaniem ciepła na cykl. Rozpraszanie to nie prowadzi do istotnego wzrostu temperatury próbki. Jednak niektóre produkty gumowe, takie jak bieżniki opon, nakładki na gąsienice czołgów i gumowe rolki large, doświadczają znacznej siły podczas pracy. Może to prowadzić do sytuacji, w której więcej energii cieplnej jest generowane niż rozpraszane do otaczającego środowiska. Rezultatem jest nagromadzenie ciepła (HBU) w gumie, co może ostatecznie doprowadzić do uszkodzenia produktu z powodu wydmuchiwania (BO).
Model NETZSCH DMA 523 Eplexor® jest optymalnym rozwiązaniem do wykonywania pomiarów przy wysokich poziomach odkształcenia, a także przy dużej sile statycznej i dynamicznej, dzięki dwóm niezależnym napędom. To urządzenie DMA o dużej sile umożliwia wykonywanie testów fleksometrycznych Goodrich zgodnie z normą ASTM D623 lub ISO 4666-3/ISO 4666-4, a także z parametrami pomiarowymi odbiegającymi od tych norm na podstawie wymagań klienta.
Możliwości testów fleksometrycznych z NETZSCH Wysokowydajne układy DMA
Uchwyt próbki z płytami termoizolacyjnymi, które spełniają wyżej wymienione normy, jest niezbędny do eksperymentów HBU i BO. Płyty wykonane są z laminatu składającego się z termoutwardzalnego materiału na bazie fenolu i twardego papieru. Zostały one zaprojektowane w celu zminimalizowania strat ciepła z gumowej próbki do uchwytu próbki, symulując w ten sposób Najgorszy scenariuszW odniesieniu do reaktora chemicznego, najgorszym scenariuszem jest sytuacja, w której wytwarzanie temperatury i/lub ciśnienia spowodowane reakcją wymyka się spod kontroli.najgorszy scenariusz przy stałych dużych dynamicznych obciążeniach mechanicznych. Termopara jest umieszczona w środku górnego uchwytu próbki w celu dokładnego pomiaru temperatury powierzchni próbki.
Schematyczny widok tego uchwytu próbki pokazano na rysunku 1a.
Aby uzyskać informacje o temperaturze z wnętrza próbki, NETZSCH oferuje dwie opcje:
- Pozioma termopara igłowa, która jest ręcznie umieszczana w pobliżu środka próbki. Może być używana jako dodatek do podstawowego uchwytu próbki Flexometer. Termopara ta mierzy temperaturę przez cały czas trwania eksperymentu HBU. Zaleca się unikanie używania poziomej termopary igłowej podczas eksperymentów BO, ponieważ może to doprowadzić do uszkodzenia czujnika. Przykład takiej konfiguracji pokazano na rysunku 1b.
- Oddzielny uchwyt próbki z płytami Pertinax i dodatkowa pionowa termopara igłowa są pneumatycznie wprowadzane do próbki po wykonaniu pomiaru HBU. W tej konfiguracji termopara wykrywająca temperaturę powierzchni próbki jest umieszczona nieco poza środkiem. Schematyczny widok tego typu uchwytu próbki pokazano na rysunku 1c.
Jak przeprowadzić test nagrzewania i wydmuchiwania za pomocą NETZSCH High-Force DMAs
Przed przystąpieniem do pomiaru należy upewnić się, że urządzenie NETZSCH DMA 523 Eplexor® jest prawidłowo wyposażone w odpowiedni czujnik siły. Dodatkowo, system sprężyn łopatkowych powinien być dostosowany do większych odkształceń. Ze względu na siły large i odkształcenia występujące podczas testu HBU i BO, zaleca się użycie co najmniej czujnika siły o nominalnej maksymalnej sile 2500 N. Jeśli chodzi o system sprężyn łopatkowych, obie stalowe sprężyny łopatkowe należy odłączyć, poluzowując nakrętkę łączącą za pomocą specjalnych kluczy. Czynności te mogą być łatwo wykonane przez użytkownika w ciągu kilku minut. Testy HBU i BO są zdefiniowane w następujących normach: ASTM D623 lub ISO 4666/3, ISO 4666/4 i JIS K 6265. Oczekuje się, że wymiary próbki będą cylindrami o średnicy 17,8 mm i wysokości 25 mm.
Oprócz wyników konwencjonalnych testów fleksometrycznych, takich jak czasowa ewolucja temperatury i zestaw termiczny, testy fleksometryczne za pomocą NETZSCH DMA 523 Eplexor® zapewniają również wgląd w lepkosprężyste właściwości modułu magazynowania (E'), modułu stratności (E'') i współczynnika strat (tan δ).
Poniżej podsumowano typowe parametry dla eksperymentów HBU i BO.
- Testy Heat Build-Up
W przypadku testów HBU normy ASTM D623ASTM D623 i ISO 4666-3/ISO 4666-4 zalecają amplitudę dynamiczną 2,225 mm, 2,855 mm lub 3,175 mm. W większości przypadków wybierana jest opcja 2,225 mm. Naprężenie statyczne wynosi 1 MPa. Pomiary mogą być wykonywane w temperaturze pokojowej, 50°C lub 100°C, przy czym dwie ostatnie są zalecane przez normy. Dokładność konfiguracji elastometru jest potwierdzana przy użyciu próbki kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) o znanym składzie, jak określono w normie. Wzrost temperatury powinien wynosić 26,7°C ± 1,1°C po wykonaniu testu HBU z częstotliwością 30 Hz przez 25 minut w temperaturze otoczenia 100°C. - Testy przedmuchiwania
Testy BO są przeprowadzane w sposób analogiczny do testów HBU. Podstawową różnicą jest zastosowanie zwiększonych obciążeń na próbce. Zamiast naprężenia statycznego 1 MPa, w tym przypadku stosuje się naprężenie statyczne 2 MPa. Podobnie, amplituda odkształcenia dynamicznego została zwiększona do 3,125 mm. W związku z tym naprężenie statyczne jest odpowiednio zwiększane do 2 MPa, podczas gdy częstotliwość pozostaje niezmieniona w stosunku do testów HBU.
Należy pamiętać, że w zależności od sztywności materiału gumowego może być konieczne odejście od proponowanych parametrów pomiarowych podanych w normie. Urządzenie NETZSCH DMA 523 zapewnia pełną elastyczność dla urządzeń testujących DMA.
Ponieważ statyka jest kontrolowana naprężeniem, wymagany jest wiarygodny pomiar średnicy próbki gumy za pomocą suwmiarki. Parametry pomiarowe są wprowadzane do wstępnie skonfigurowanych plików szablonów szalek. W przypadku testu HBU użytkownik musi dostosować tylko najważniejsze ustawienia, takie jak średnica próbki.
Testy nagrzewania i przedmuchiwania
Typowa procedura i zakres możliwości badania elastometrem NETZSCH DMA 523 Eplexor® zostały zilustrowane na przykładzie próbki gumy.
a. Weryfikacja dokładności pomiaru temperatury przy użyciu próbek referencyjnych SBR
Dokładność konfiguracji uchwytu próbki elastometru została potwierdzona przy użyciu próbki referencyjnej SBR, jak wspomniano wcześniej. Wzrost temperatury pokazano na rysunku 3 dla dwóch różnych próbek referencyjnych SBR. Obie próbki wykazują wysoki stopień odtwarzalności i mieszczą się w tolerancji temperatury określonej w normie ASTM D623.
b. Testy narastania ciepła i wydmuchiwania na próbce miękkiej gumy
Po zweryfikowaniu dokładności pomiaru temperatury za pomocą uchwytu próbki Flexometer, próbki gumy zostały wstępnie ocenione przy użyciu parametrów pomiarowych ustalonych dla testów HBU. Wyniki przedstawiono na rysunku 4.
Temperatura wzrasta o ~36°C po 25 minutach. Ponadto dla wszystkich trzech badanych próbek widoczne są dwa wyraźne obszary temperatury. Pierwszy obszar rozciąga się do momentu, gdy temperatura wzrasta liniowo wraz z czasem po około 10 minutach. Po tym okresie nachylenie temperatury zaczyna ponownie rosnąć, aż ostatecznie osiąga wartość plateau pod koniec eksperymentu HBU.
Co ciekawe, wzrost temperatury i wzrost tan δ występują jednocześnie. Należy podkreślić, że współczynnik strat odzwierciedla raczej wywołane temperaturą zmiany tłumienia całej objętości próbki. Wzrost temperatury jest mierzony tylko na górnej powierzchni próbek gumy.
Tan δ najpierw zmniejsza się z początkowej wartości ~0,15 z powodu wzrostu temperatury wewnątrz próbki. Spadek współczynnika strat wskazuje na wyższy stopień reakcji sprężystej w całkowitej pracy mechanicznej przyłożonej do próbki. Jednak po osiągnięciu minimum ~0,10 po około 5 do 6 minutach, tan δ stopniowo wzrasta, aż osiągnie nowe lokalne maksimum 0,12 po czasie pomiaru od 18 do 19 minut. Na podstawie kontroli przekroju próbki po pomiarze, pokazanej na rysunku 5, zakłada się, że wzrost współczynnika strat jest spowodowany tworzeniem się pustych przestrzeni w środku próbki. Zmniejszona integralność próbki pozwala na zwiększone zginanie, co prowadzi do pozornego wzrostu współczynnika strat. Jednak efekt ten nie jest związany z materiałem; jest spowodowany tworzeniem się pęcherzyków gazu wewnątrz próbki.
Zwiększone NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie dynamiczno-mechaniczne prowadzi do szybszego wzrostu temperatury w czasie. Wyniki testów BO przedstawiono na rysunku 6. Na tym rysunku temperatura wzrasta niemal liniowo w czasie. Jednak pod koniec testów BO tempo wzrostu temperatury spada, ostatecznie kończąc się pęknięciem próbek gumy przez nagły wybuch. Najwyższa zarejestrowana temperatura powierzchni przed uszkodzeniem wynosi 54°C.
Czasowa ewolucja tan δ wykazuje charakterystykę porównywalną do obserwowanej w testach HBU. W tym przypadku wzrost współczynnika strat występuje w krótszych skalach czasowych, ponieważ wyższa praca mechaniczna zastosowana do próbek prowadzi do wcześniejszego tworzenia się wnęk.
Dodatkowe informacje można uzyskać za pomocą pionowej termopary igłowej. Po aktywacji pomiaru za pomocą tego uchwytu próbki Flexometer (rysunek 1c), funkcja ta wykrywa pojedynczy punkt temperatury po pomiarze HBU.
Pionowa termopara igłowa jest automatycznie wprowadzana do środka próbki w celu zbadania temperatury po zakończeniu pomiaru HBU. W przypadku badanych elastomerów temperatura wzrosła średnio o ~57°C w porównaniu do ~36°C wykrytych na powierzchni próbek.
c. Test narastania ciepła na próbce twardej gumy
Jeśli ten pojedynczy punkt pomiarowy nie jest wystarczający, istnieje również możliwość ręcznego wprowadzenia poziomej termopary igłowej do środka próbki, jak pokazano na rysunku 1b. Wyniki tej konfiguracji pomiarowej przedstawiono na rysunku 7. Ta konfiguracja umożliwia obserwację temperatury podczas całego pomiaru HBU.
Wyraźnie widać, że wzrost temperatury w środku próbki (~68°C) jest znacznie wyższy niż ten wykryty na powierzchni próbki (~20°C). Tak więc, aby dokładnie zmierzyć temperaturę, w której następuje wydmuchiwanie materiału, należy włożyć poziomą termoparę igłową. Istnieje jednak pewna wada związana z jej użyciem, która zostanie omówiona we wnioskach. Staje się również oczywiste, że nachylenie tan δ (choć odwrócone) jest podobne do nachylenia wzrostu temperatury w środku próbki. Podkreśla to, że temperatura powierzchni nie jest wystarczająca do opisania zmian właściwości lepkosprężystych całej objętości próbki, co zapewnia tan δ.
Temperatura pionowej termopary igłowej, która jest wprowadzana po zakończeniu pomiaru HBU, dobrze odpowiada wykrytej temperaturze w próbce. Należy jednak wziąć pod uwagę, że istnieje pewne opóźnienie, podczas którego temperatura próbki w środku spada o ponad 10°C.
Znaczenie zestawu termicznegopodczas eksperymentów narastania ciepła
Urządzenie NETZSCH DMA 523 umożliwia również jednoczesny pomiar zestawu termicznego podczas całego eksperymentu HBU. Właściwość ta umożliwia wyciągnięcie wniosków dotyczących stabilności kształtu materiału gumowego podczas dużych obciążeń dynamicznych. Na przykład, nakładki na gąsienice zbiornika powinny pozostać w swoim oryginalnym kształcie w jak największym stopniu, aby zagwarantować ich funkcjonalność. Zestaw termiczny jest mierzony na podstawie długości próbki wykrytej dla pierwszego punktu pomiarowego na początku dynamicznego segmentu eksperymentu HBU, tj. po zakończeniu segmentu czasu namaczania.
Na rysunku 8 przedstawiono ewolucję zestawu termicznego i wzrost temperatury dwóch próbek referencyjnych SBR. W ciągu pierwszych pięciu minut ekspansja próbki dominuje, ponieważ temperatura próbki w całej objętości próbki rośnie najszybciej w tym okresie. Dopiero gdy wzrost temperatury zaczyna zwalniać, długość próbki zaczyna się zmniejszać. Po rozszerzeniu próbki o około 1% po upływie 5 minut, rozszerzenie to jest kompensowane przez spadek długości próbki spowodowany dużymi obciążeniami dynamicznymi przykładanymi do próbki SBR.
Wnioski
Urządzenie NETZSCH DMA 523 Eplexor® zapewnia łatwy dostęp do badań elastometrycznych materiałów gumowych i nie tylko. Gromadzi dane na temat zmian temperatury próbek elastomeru i ich właściwości lepkosprężystych, dostarczając wszystkich niezbędnych informacji do opracowania bardziej wytrzymałych produktów gumowych, które mogą wytrzymać duże obciążenia podczas pracy. Ponadto stabilność kształtu próbek gumy może być mierzona za pomocą zestawu termicznego wykrytego podczas eksperymentu HBU.
Jednak wybór sprzętu pociąga za sobą pewne zalety i wady pod względem zastosowania:
- Podstawowy uchwyt próbki Flexometer jest przeznaczony do wykrywania temperatury górnej powierzchni przez cały czas trwania testów HBU i BO. Chociaż może to być wystarczające w przypadku związków elastomerowych o różnych właściwościach degradacji termicznej, niektóre różne związki mogą nie wykazywać różnicy we wzroście temperatury powierzchni podczas pomiaru.
- NETZSCH zapewnia dwa rozwiązania, aby uzyskać więcej informacji z wnętrza mieszanek elastomerowych: Z jednej strony dostępny jest uchwyt próbki Flexometer z pionową termoparą igłową, a z drugiej strony pozioma termopara igłowa, która może być używana z podstawowym uchwytem próbki Flexometer jako dodatek.
- Pierwsza opcja jest przeznaczona do wykrywania tylko jednego punktu pomiaru temperatury po zakończeniu pomiaru HBU. W przeciwieństwie do ręcznie wprowadzanej poziomej termopary igłowej, procedura ta jest wykonywana automatycznie. Ta funkcja zmniejsza potrzebę inwencji użytkownika między pomiarami, zwiększając wydajność i spójność.
- Pozioma termopara igłowa umożliwia pomiar temperatury w środku próbki przez cały czas trwania pomiaru. Ten dodatek wymaga jednak ręcznego włożenia przed eksperymentem. Wcześniejsze włożenie termopary może osłabić strukturę próbki poprzez wprowadzenie pęknięcia w materiale. To z kolei może wpłynąć na dokładność zmierzonych właściwości lepkosprężystych. Dodatkowo, może to potencjalnie wpływać na tworzenie się wgłębień w środku próbki, ponieważ rozwijająca się mieszanina gazów ma łatwą drogę do dyfuzji na powierzchnię wzdłuż termopary igłowej. Podstawowym celem pomiarów HBU lub BO jest zbadanie strukturalnie dziewiczej próbki; ten dodatek powinien być wykorzystywany wyłącznie jako źródło pomocnicze do potencjalnych symulacji narastania ciepła, a nie jako substytut konwencjonalnych eksperymentów HBU i BO z dziewiczymi próbkami. Należy zauważyć, że tarcie między termoparą a próbką, a także rola termopary w odprowadzaniu ciepła z rdzenia próbki na zewnątrz, są czynnikami wpływającymi na wykorzystanie tego dodatku.