Introdução
Devido à sua baixa DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, as espumas têm uma ampla gama de aplicações. As espumas macias são usadas, por exemplo, como material de amortecimento, para amortecimento acústico ou como proteção contra chocalho. As espumas rígidas, em particular, são empregadas como materiais isolantes, em solas de sapato, ou para aplicações como camadas de preenchimento em estruturas compostas. Quando o foco é o efeito de isolamento térmico ou a resistência do material sob várias condições ambientais, geralmente são usadas espumas de célula fechada. As espumas macias, por outro lado, geralmente são de células abertas, o que permite que o gás escape das células individuais e, portanto, que a espuma sofra maior compressão elástica.
Em geral, muitos polímeros são adequados como materiais iniciais para espumas. As espumas à base de poliestireno expandido ou de poliuretano (PUR) são muito usadas. Dependendo de sua fabricação, várias espumas de PUR podem apresentar propriedades muito diferentes. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade e o grau de reticulação das espumas variam muito, dependendo da quantidade de agente de expansão (água), da adição de outros aditivos e também do comprimento da cadeia dos materiais iniciais, o que permite uma ampla gama de espumas, desde macias até muito rígidas.
Para a determinação das propriedades mecânicas, os testes com os testadores de tração universais da classic estão bem estabelecidos. Juntamente com o comportamento de deformação estática, o amortecimento da espuma também é frequentemente de importância central para a aplicação. Nesse caso, o DMA pode fazer uma contribuição valiosa ao registrar todo o comportamento viscoelástico das espumas. Nesta contribuição, uma espuma de poliuretano macia e de poros abertos é investigada como exemplo.
Testes estáticos
Durante o teste estático (quase estático) com o High Force DMA GABO Eplexor® 500 N, uma carga de variação lenta é aplicada como em um testador universal e as forças e deformações resultantes são medidas. De acordo com as situações comuns de instalação de espumas, a medição geralmente é realizada no modo de compressão.
A Figura 1 mostra a amostra descarregada à esquerda e a amostra comprimida à direita, no site Eplexor®. Pode-se notar que ocorre apenas uma deformação transversal relativamente small e pode-se assumir aqui um material totalmente compressível em uma aproximação inicial.
Primeiro, as curvas estáticas de tensão-deformação são registradas. Para excluir efeitos pontuais, a amostra de espuma é normalmente carregada e descarregada duas vezes, de modo que apenas o segundo ciclo de carga é mostrado na Figura 2.
Isso mostra uma curva de tensão-deformação tripartida, típica de espumas elásticas macias; por exemplo, compare com (Keller, 2019). Sob tensões relativamente small, as células são apenas ligeiramente deformadas e o material se comporta de maneira aproximadamente linear-elástica. Com o aumento da deformação, as células da espuma de célula aberta entram em colapso. Como o ar precisa escapar das células nesse processo, os resultados são uma função da taxa de deformação. Nessa região de platô, a 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 necessária para a deformação aumenta apenas lentamente. Em níveis muito altos de 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 (aqui começando em aproximadamente 50%), as células que já entraram em colapso são comprimidas ainda mais e a 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 aumenta novamente de forma mais acentuada. Durante o descarregamento subsequente, as tensões necessárias são apenas um pouco menores devido à dissipação de energia que ocorreu nesse meio tempo, e ocorre uma histerese típica.
De acordo com a norma ISO 3386, a dureza de compressão é determinada como a 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 necessária sob uma deformação crescente de 40%; aqui, a dureza de compressão é de σd 40 = 0,12 MPa. A área de histerese permite uma estimativa aproximada do amortecimento do material. A capacidade de amortecimento das espumas de PUR varia consideravelmente.
A Figura 3 mostra esquematicamente diferentes curvas de histerese. De acordo com seu comportamento de amortecimento, as espumas de poliuretano podem ser classificadas em medium amortecimento (tipo A), fortemente amortecedoras (tipo B) ou fracamente amortecedoras (tipo C). Dessa forma, a amostra investigada pode ser classificada como mais do tipo C.
Como alternativa ao carregamento de superfície total usado aqui, os testes de penetração são frequentemente realizados em espumas. Nesse caso, um corpo menor é pressionado contra a amostra em vez da haste superior. A força necessária para isso é chamada de dureza de indentação.
Testes dinâmicos
Em uma varredura estática do DMA, uma carga estática é aplicada em cada etapa e, em seguida, um experimento de oscilação dinâmica é realizado nessa condição. Dessa forma, o módulo de Young pode ser medido diretamente nesse ponto e, portanto, o amortecimento também pode ser determinado localmente.
A amostra de espuma é novamente esticada estaticamente em etapas de até 70%. Na Figura 4, é possível observar o mesmo comportamento dos testes estáticos: Para small deformações, a amostra se comporta de forma aproximadamente linear, mas depois desenvolve uma característica de mola degressiva com o aumento da deformação. A compressão final é então novamente caracterizada por uma rigidez de mola que aumenta com a deformação estática e pode, portanto, ser caracterizada como rigidez de mola progressiva.
Por meio do DMA, um módulo de Young pode ser medido em cada ponto devido à oscilação dinâmica. Como esperado, o módulo inicialmente cai na região de small deformações, depois é relativamente constante e, por fim, aumenta novamente com o aumento da compressão. Assim, o módulo medido por meio do DMA se comporta exatamente da mesma forma que o módulo tangente após a avaliação de um teste estático.
Com o equipamento de teste mecânico, o módulo de Young de uma amostra não é medido diretamente, mas uma rigidez é determinada primeiro com base nas forças e deformações mensuráveis. Dependendo da geometria da amostra e do modelo do material, o módulo de Young é então calculado. Como a espuma se comporta como amplamente compressível, a área da seção transversal não se altera consideravelmente durante a deformação. Dessa forma, a tensão que atua na amostra pode ser calculada; ela é sempre expressa como:
σ = F/A0
Aqui, F é a força e A0 é a seção transversal inicial nominal.
Como o comprimento da amostra muda consideravelmente, a deformação dinâmica deve sempre estar relacionada ao comprimento atual da amostra, ou seja
ε = ΔL/Lm
com a deformação ΔL e o comprimento atual da amostra Lm. Isso gera o fator de geometria para o cálculo do módulo como Lm / A0.
Esse fator é geralmente válido para materiais compressíveis e pode ser selecionado diretamente no software Eplexor®.
Nos testes estáticos, é possível caracterizar o comportamento de amortecimento da espuma com base na histerese de toda a deformação. O DMA permite uma caracterização mais precisa, pois o amortecimento local pode ser determinado para cada carga estática. Fica claro que a espuma tem apenas baixa capacidade de amortecimento na faixa de small deformações. O amortecimento (aqui tan δ) permanece relativamente constante na região do platô e depois aumenta novamente na região de compressão. Assim, o DMA permite a determinação correta da capacidade de amortecimento no estado carregado.
O comportamento não linear do material é completamente análogo quando se aumenta a amplitude da oscilação da VibraçãoUm processo mecânico de oscilação é chamado de vibração. A vibração é um fenômeno mecânico em que ocorrem oscilações em torno de um ponto de equilíbrio. Em muitos casos, a vibração é indesejável, desperdiçando energia e criando sons indesejados. Por exemplo, os movimentos vibratórios de motores, motores elétricos ou qualquer dispositivo mecânico em operação geralmente são indesejados. Essas vibrações podem ser causadas por desequilíbrios nas peças rotativas, atrito desigual ou engrenagem dos dentes da engrenagem. Projetos cuidadosos geralmente minimizam as vibrações indesejadas.vibração dinâmica. A Figura 5 mostra a histerese correspondente de um ciclo de oscilação dinâmica (com amplitude de deformação dinâmica de 10%) em diferentes níveis de deformação estática. O módulo de Young resulta novamente da inclinação no diagrama de tensão-deformação. É possível observar que a rigidez inicialmente diminui na faixa de small deformações estáticas (rigidez degressiva) e, em seguida, aumenta novamente sob large deformações (rigidez progressiva). Em large amplitudes dinâmicas, esse comportamento também é evidente na deformação da histerese. O aumento do amortecimento com a pré-carga estática também pode ser notado na área large da histerese.
Comportamento da temperatura
Além da medição do comportamento mecânico não linear do material, o DMA GABO Eplexor®, em particular, também permite a realização de análises termomecânicas. Assim, as análises realizadas anteriormente também são possíveis em temperaturas elevadas ou em temperaturas abaixo do ponto de congelamento. A caracterização térmica é realizada principalmente na faixa linear das amplitudes do small. Devido ao forte efeito isolante da espuma, foi escolhida uma baixa taxa de aquecimento de 2 K/min.
Juntamente com o comportamento direto da temperatura, as propriedades do material em frequências que não são diretamente acessíveis por medição são frequentemente de interesse. Isso se aplica, por exemplo, ao uso de espumas para amortecimento acústico. Aqui, o método de superposição de tempo-temperatura pode ser empregado para a geração de curvas mestras. Isso também permite que sejam tiradas conclusões sobre o comportamento do material em frequências muito mais altas.
Resumo
O DMA GABO Eplexor® 500 N oferece reservas de força suficientes para medir espumas em tamanhos significativos, de modo que o comportamento mecânico não linear e dependente do tempo possa ser caracterizado. Além das informações geradas pelo diagrama de tensão-deformação, o DMA também pode ser empregado para determinar a rigidez e o amortecimento no estado comprimido. Além disso, com o DMA, o comportamento da temperatura e, por meio da técnica de curva mestre, também o módulo de Young em altas frequências podem ser determinados com apenas um instrumento. Isso permite a caracterização de espumas para uma variedade de cenários de aplicação.