Introdução
Compreender as propriedades viscoelásticas dos polímeros é fundamental para sua utilização em diversas aplicações, incluindo artigos esportivos. Os polímeros e compósitos poliméricos de alto desempenho revolucionaram a indústria esportiva, proporcionando aos usuários equipamentos duráveis, confortáveis, precisos e de longa durabilidade [1]). Os polímeros e compósitos poliméricos são a base para um dia de atividades: eles compõem o material de piso utilizado em instalações esportivas internas e externas, as solas dos calçados, as malhas das redes, as cordas das raquetes, etc. Ser capaz de avaliar as propriedades térmicas e o desempenho físico desses materiais é fundamental para seu projeto, fabricação e uso final.
A Análise Mecânica Dinâmica (DMA) é utilizada principalmente para analisar as propriedades viscoelásticas de materiais poliméricos, mas também é empregada para medir metais, cerâmicas ou simular condições mecânicas específicas. O NETZSCH DMA 303 Eplexor® é um aparelho de mesa versátil, capaz de medir em uma faixa de temperatura de -170 °C a 800 °C (-274 °F a 1.472 °F), aplicando forças que variam de 1 mN a 50 N, e operando em frequências de 0,001 a 150 Hz. Neste estudo, três cordas diferentes de badminton de alto desempenho foram testadas por meio da análise mecânica dinâmica (DMA). O design moderno das cordas de badminton é composto por diversos materiais, camadas e revestimentos [2]. Todas as três amostras testadas possuem a mesma estrutura básica: um núcleo multifilamento de nylon envolto por fibras de nylon trançadas. A amostra 1 possui um revestimento de hidreto de titânio, enquanto as amostras 2 e 3 possuem um revestimento composto de nanotubos de carbono em estrutura “cup-stack”. Do ponto de vista do desempenho, o fabricante classifica as diferentes cordas, cujo resumo é apresentado na Tabela 1.
Tabela 1: Propriedades declaradas pelo fabricante das três cordas de badminton.
| Variável | Amostra 1 (Pontuação em uma escala de 0 a 10) | Amostra 2 (Pontuação em uma escala de 0 a 10) | Amostra 3 (Pontuação em uma escala de 10) |
|---|---|---|---|
| Potência de repulsão | 7 | 8 | 9 |
| Durabilidade | 7 | 10 | 7 |
| Som da batida | 7 | 7 | 8 |
| Amortecimento | 6 | 6 | 8 |
| Controle | 6 | 6 | 10 |
O objetivo principal deste estudo é relacionar as propriedades viscoelásticas medidas pelo DMA aos critérios de desempenho informados pelo fabricante na Tabela 1. O módulo de armazenamento (E’) descreve a capacidade do material de armazenar e liberar energia (como uma mola), o que pode ser diretamente relacionado ao poder de repulsão informado. O Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda (E”) descreve a dissipação de energia pelo material (normalmente por meio do atrito interno) e, finalmente, o fator de amortecimento (tan δ) é a razão entre E” e E’ (descrevendo o quanto um material amortecerá uma força aplicada). Portanto, tanto o ruído de impacto quanto a absorção de choque estão diretamente ligados às propriedades de E” e tan δ. Além disso, parâmetros como a durabilidade podem ser explorados por meio de testes em função do aumento da força, em vez da temperatura.
Testes DMA para propriedades viscoelásticas e simulação de aplicações
Para determinar as propriedades viscoelásticas das três cordas de badminton, foi realizado um varredura de temperatura padrão em cada amostra sob EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão (representação visual na Figura 1), utilizando o DMA 303 da NETZSCH Eplexor® , na faixa de -150 a 150 °C.
A Tabela 2 resume as diferentes regiões de transição de cada amostra. O perfil viscoelástico da amostra 1 em função da temperatura é mostrado na Figura 2, o da amostra 2 na Figura 3 e o da amostra 3 na Figura 4; todas as amostras foram medidas em tração. Conforme pode ser observado nas Figuras 2 a 4, as amostras 2 e 3 apresentam perfis e zonas de transição muito semelhantes, ao contrário da amostra 1 (que possui um revestimento diferente), cujos perfis são significativamente distintos. O náilon é uma poliamida alifática comumente classificada por graus numéricos (6, 66, 11, 12), todos os quais apresentam uma transição vítrea que ocorre entre 40 e 95 °C. Portanto, é muito interessante considerar as outras transições observadas em temperaturas abaixo da temperatura ambiente.
Tabela 2: Transições térmicas das amostras 1, 2 e 3, relatadas para E’, E” e tan δ. Todas as amostras foram medidas em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão, utilizando uma deformação dinâmica de 10 μm, um fator proporcional de 1,3 e uma taxa de aquecimento de 2 ºC/min.
| Transição | Início de E’ | Pico de E” | tan δ |
|---|---|---|---|
Amostra 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8.382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4.242 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 |
Amostra 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7.001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3.813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Amostra 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5.722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3.018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Com base nas Figuras 2 a 4, também é importante considerar o efeito da temperatura no desempenho viscoelástico das cordas. O badminton é, normalmente, um esporte praticado em recinto fechado, mas e quanto a jogá-lo ao ar livre?
A Figura 5 mostra o perfil térmico da amostra 1 de 0 a 50 °C. Em um dia frio de outono a 4 °C, as cordas seriam 2,3 vezes mais rígidas do que à temperatura ambiente (25 °C) ou 3,0 vezes mais rígidas do que em um dia quente de verão a 35 °C. No entanto, o fator de amortecimento não segue exatamente a mesma tendência, sendo apenas 1,1 vez maior a 4 °C em comparação com 25 °C e 1,3 vez maior a 4 °C em comparação com 35 °C. Portanto, embora as cordas fiquem mais rígidas e apresentem menos elasticidade ao acertar a peteca, a quantidade de energia absorvida pelas cordas — e não transferida para a tacada — permaneceria semelhante.
Um aspecto fundamental desses testes é compreender como as cordas de badminton se comportariam na aplicação para a qual foram projetadas. Portanto, as mesmas três amostras foram submetidas a um teste de flexão em três pontos para avaliar suas propriedades de flexão (distância de flexão de 20 mm para analisar uma seção finita do padrão geral da rede da raquete), simulando como elas se comportariam quando encordoadas na raquete e utilizadas para bater na peteca. A configuração do teste, com a corda esticada na flexão, é mostrada na Figura 6.
Para testar o desempenho na flexão de três pontos, foram realizadas duas varreduras de carga diferentes à temperatura ambiente para medir as propriedades. A Figura 7 mostra o efeito do aumento da deformação dinâmica (que permaneceu abaixo de 0,7 N).
A Figura 8 mostra a variação no comprimento das amostras em função do aumento da força.
A partir da Figura 7, observa-se que, à temperatura ambiente, há uma clara diferença nas propriedades mecânicas das três cordas. Para uma amplitude ilustrativa de 50 μm, a amostra 1 apresenta os menores valores de módulo (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), a amostra 2 apresenta os maiores (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), e a amostra 3 fica entre elas (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Considerando que o fator de amortecimento é a razão entre o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda e o módulo de armazenamento, isso significa que a amostra 1 apresenta as maiores propriedades de amortecimento (0,14), seguida pela amostra 3 (0,09) e pela amostra 2 (0,09). Esses valores não correspondem diretamente aos relatados pelo fabricante na Tabela 1, mas é muito importante considerar como os três parâmetros viscoelásticos afetam o desempenho e qual a importância da temperatura na qual foram testados, conforme mostrado na Figura 5.
Por fim, a partir da Figura 8, observa-se a variação no comprimento da amostra com o aumento da força dinâmica. Essa é uma consideração importante para determinar quanta força um único elemento de corda pode suportar sem deformação significativa. A amostra 3 apresenta o maior grau de deformação, o que sugere que ela seja provavelmente a menos durável das três devido à sua tendência a se deformar (esse resultado está alinhado com a Tabela 1). É importante observar que, para essas amostras submetidas à flexão em três pontos, elas foram esticadas manualmente, o que pode aumentar a variação entre as medições absolutas.
Resumo
O desenvolvimento de polímeros e compósitos poliméricos de alto desempenho revolucionou o mundo dos artigos esportivos. Neste artigo, demonstramos como o DMA 303 da NETZSCH Eplexor® pode ser utilizado para avaliar, comparar e simular o desempenho de três cordas diferentes de badminton em uma variedade de parâmetros. Foram realizadas rampas de temperatura para determinar as temperaturas de transição das três amostras, bem como para avaliar seu desempenho em várias temperaturas às quais elas podem ser expostas ao ar livre. Foram realizados testes de varredura de carga para avaliar as propriedades mecânicas das cordas à temperatura ambiente e também para compreender seu desempenho diante de uma carga aplicada na direção em que as cordas atingiriam uma peteca.