Sem dor com Payne ... e Mullins

Um guia prático para realizar medições do efeito Payne e Mullins com NETZSCH DMAs de alta força

Introdução

Os elastômeros frequentemente contêm cargas ativas, como Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo ou sílica, para aprimorar suas propriedades mecânicas e obter a qualidade necessária para aplicações de alto desempenho. No caso de altos teores de carga, forma-se uma rede tridimensional (3D) de partículas de carga agregadas. Isso resulta em um aumento substancial da rigidez da amostra. No entanto, esse recurso microestrutural só é estável enquanto as deformações aplicadas permanecerem small, ou seja, dentro do regime viscoelástico linear. Acima desse limite, a rede de preenchimento 3D se rompe e os módulos se tornam uma função da deformação ou do cisalhamento aplicado à amostra. Esse regime é chamado de região viscoelástica não linear.

Dois efeitos importantes estão associados a esse fenômeno: O Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne e o Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins. Embora ambos sejam fenômenos de amolecimento da deformação e ambos os efeitos dependam do histórico de deformação, o primeiro descreve a diminuição do módulo de armazenamento com o aumento das deformações dinâmicas. O Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins é comumente entendido como a alteração nas curvas de tensão-deformação para ciclos sucessivos de carga e descarga realizados em testes de tração quase estáticos. Nesse caso, as curvas de tensão-deformação subsequentes estarão situadas abaixo da curva do ciclo de carga inicial. A curva de tensão-deformação de uma amostra só corresponderá à curva de tensão-deformação de uma amostra virgem quando 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 máxima anterior do histórico de deformação da amostra for excedida.

É importante observar que esses efeitos não são apenas curiosidades científicas. Eles também são relevantes para cenários da vida real. Como os elastômeros são frequentemente expostos a altas deformações dinâmicas e estáticas durante o serviço, isso afeta significativamente seu desempenho em termos de rigidez e amortecimento em comparação com o material de elastômero virgem. Para quantificar de forma confiável essas alterações durante as deformações e/ou cargas dinâmicas do large, é necessário realizar testes para a determinação do Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne e Mullins. Os exemplos incluem palhetas de limpador de para-brisa, suportes de motor e pneus. A quantificação precisa das alterações induzidas por deformação nas propriedades mecânicas (dinâmicas) permite um feedback confiável durante a pesquisa e o desenvolvimento de novos compostos de borracha, bem como a simulação do desempenho do produto em serviço.

Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.Efeito Payne:

O Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne é a diminuição reversível do módulo de armazenamento de elastômeros preenchidos com o aumento da amplitude da deformação dinâmica.

Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.Efeito Mullins:

O Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins é o amolecimento irreversível da 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 nos elastômeros após o primeiro ciclo de carga-descarga.

Aspectos gerais do efeito Payne e MullinsMedições

Na maioria dos casos, o Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne é normalmente realizado como uma varredura de deformação usando um suporte de amostra de cisalhamento (duplo). Deve-se observar que esses experimentos também podem ser realizados no modo de tração [1] (normalmente, apenas small amplitudes dinâmicas são possíveis, dependendo do comprimento inicial da amostra) ou no modo de compressão [2].

O modo de cisalhamento é a opção preferida em analisadores dinâmico-mecânicos devido à realização de amplitudes de deformação/cisalhamento maiores do que aquelas em configurações de tração ou compressão.

Para garantir a determinação precisa dos módulos de cisalhamento, a norma ISO 6721-6 estipula o uso de amostras com diâmetro (formato cilíndrico) ou altura (formato cuboidal) de pelo menos 4 vezes a espessura da amostra. Essa abordagem elimina qualquer efeito potencial de flexão, eliminando assim a necessidade de correções. Um segundo motivo para o modo de cisalhamento é a ideia de aplicar condições de carga semelhantes à aplicação real: Os limpadores de para-brisa mostrarão deformações causadas por uma carga combinada de cisalhamento e flexão de até ±90°. Os compostos da banda de rodagem na superfície superior dos pneus de passageiros e de caminhões serão cisalhados contra a próxima camada localizada abaixo da camada da banda de rodagem ("camada subterrânea") em até 200% ou mais.

Por fim, as medições realizadas sob condições de carga de cisalhamento oferecem o benefício distinto de eliminar a necessidade de componentes estáticos. Portanto, o Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne medido nesse caso é apenas uma função das amplitudes de cisalhamento dinâmicas crescentes. Não é necessária nenhuma carga estática para analisar o Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne.

Por outro lado, o Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins é causado por processos de carga estática em diferentes níveis de deformação. Normalmente, o Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins é examinado no modo de tração. Também é possível medir esse efeito da mesma maneira usando suportes de amostra de compressão ou de cisalhamento (duplo).

A seguir, apresentamos um guia passo a passo para configurar uma medição do Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne com o suporte de amostra de cisalhamento (duplo).

Guia passo a passo para realizar medições de efeito PayneCom o suporte de amostra de cisalhamento duplo

Os clientes podem escolher entre diferentes opções de suportes de amostras de cisalhamento: Os suportes de amostras de cisalhamento duplo estão disponíveis para amostras com diâmetro/altura máximos de 8 mm, 10 mm ou 20 mm, e um suporte de amostras de cisalhamento especializado está disponível para amostras finas como tiras. Esse último não requer a fixação das amostras nos cilindros de aço.

A seguir, o foco está apenas na preparação de um suporte de amostra de cisalhamento com 10 mm de diâmetro para fins de medição do Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne. Para esse caso, kits de preparação de amostras (a ferramenta de inserção e alinhamento) também estão disponíveis para facilitar o processo de preparação de amostras ao usar um adesivo. A preparação da amostra também é possível por meio da vulcanização direta da borracha "verde" não vulcanizada nos cilindros de aço usando uma prensa de aquecimento. Para isso, a borracha não reticulada deve ser derramada entre os cilindros de aço preparados e, em seguida, vulcanizada na temperatura desejada. Isso oferece a vantagem de uma maior repetibilidade dos resultados de medição, devido à maior força de adesão possível entre o elastômero e o metal, um posicionamento mais preciso do elastômero entre os cilindros e a ausência de resíduos de adesivo.

a) Preparação dos discos de elastômero

I. Deve-se dispor de uma folha de borracha fundida com a espessura desejada.

II. Uma furadeira manual com uma ferramenta de matriz cilíndrica apropriada é necessária para a próxima etapa.

III. Mergulhe a parte inferior da ferramenta cilíndrica em uma solução de água e sabão. Isso ajuda a reduzir o atrito entre a ferramenta e o lençol de borracha durante a perfuração, permitindo assim um melhor processo de corte.

IV. Abaixe lentamente a ferramenta de perfuração da lata (a velocidade recomendada é de apenas 20 a 40 rotações por minuto) até que a amostra de borracha tenha sido cortada. Repita o processo para o número necessário de amostras.

V. Seque o sabão restante que ficou nas amostras.

b) Montagem da amostra de cisalhamento completa

Para preparar a configuração completa do suporte da amostra de cisalhamento, é necessário ter as seguintes ferramentas: Um adesivo para colar metal ao material de borracha, por exemplo, um adesivo de cianoacrilato; três cilindros de aço de 10 mm de diâmetro; os discos de elastômero cortados; e o kit de ferramentas de inserção mostrado na figura 1. Dependendo do material da borracha, pode ser necessário escolher um adesivo diferente.

Além disso, as superfícies das amostras de borracha podem ser desbastadas com uma lixa de granulação fina antes da primeira etapa de montagem. Isso pode proporcionar melhor adesão durante a colagem

Posteriormente, as superfícies das amostras de elastômero precisam ser limpas com uma substância que não altere as propriedades do material e que se volatilize rapidamente. Um limpador em potencial para essa finalidade é o Loctite 7063.

I. Primeiro, meça a espessura e o diâmetro da amostra dos dois discos de elastômero a serem colados com um paquímetro e anote o valor médio de ambos.

II. Um disco de amostra de elastômero precisa ser aderido a um dos cilindros externos de aço. Para fazer isso, coloque um cilindro de aço na depressão do kit de ferramentas de inserção, conforme mostrado na figura 2, e aperte-o com o parafuso sem cabeça.

III. Coloque um disco de elastômero

IV. na parte cilíndrica saliente da parte inferior do kit de ferramentas de inserção.

V. small Aplique uma gota de adesivo no centro do disco de borracha a ser colado ao cilindro de aço. Espalhe o adesivo uniformemente sobre a superfície. Cole o disco de borracha no cilindro de aço fixado. Certifique-se de que as bordas do cilindro e do disco estejam niveladas. Em seguida, insira o conjunto completo da figura 2 nos recessos do bloco de aço da figura 1. Nesse estágio, o disco de borracha estará em contato com a elevação cilíndrica (a elipse amarela na figura 1). Pressione o conjunto da figura 2 de cima para baixo com força moderada por 2 a 3 minutos. A ligação adesiva deverá estar estável o suficiente para a próxima etapa.

VI. Repita essas etapas até que toda a configuração do cilindro de aço - disco de elastômero - cilindro de aço - disco de elastômero - cilindro de aço seja fabricada. Lembre-se de sempre aplicar o adesivo na superfície metálica para evitar a Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura rápida do mesmo na superfície do elastômero.

VII. Deixe o adesivo curar por 24 horas para que a resistência interfacial atinja o máximo. O processo de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações nas quais as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura pode ser acelerado colocando-se a configuração final do suporte de amostra de cisalhamento em um forno a temperaturas que variam de 30°C a 70°C.

VIII. Qualquer excesso de adesivo deixado na superfície externa deve ser removido por meio de lixamento com uma lixa de grão fino. Isso garante que nenhum resíduo de adesivo influenciará a rigidez da peça da amostra de elastômero durante o experimento de cisalhamento.

c) Preparação do suporte da amostra para a medição da correção da rigidez

I. A ferramenta de alinhamento pode ser usada para preparar externamente o suporte da amostra para a medição de correção da rigidez com o cilindro de aço (veja a figura 3).

II. Insira o cilindro de aço usado para a correção da rigidez e aperte os parafusos com uma chave de fenda com torque de fixação de pelo menos 1,5 Nm.

III. Insira e conecte toda a configuração do suporte de amostras aos eixos de força estática e dinâmica.

d) Preparação do suporte de amostras para medição de amostras

Primeiro, desparafuse as peças frontais que mantêm o cilindro de aço no lugar e retire-o. Em seguida, posicione a amostra de cisalhamento duplo preparada da forma mais centralizada possível e prenda-a parafusando novamente as peças frontais.

e) Definição da medição da amostra com o software Eplexor^® 9

O mesmo arquivo de modelo de panela usado para a medição da correção do suporte da amostra é escolhido neste caso, pois o Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne é medido na varredura estática/dinâmica. Portanto, a configuração a seguir, conforme mostrado na figura 4, é adequada. Aqui, os parâmetros para as oscilações dinâmicas são geralmente controlados por 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, em vez de controlados por força. A distribuição dos pontos de medição é escolhida logaritmicamente, pois os gráficos de dados da medição são exibidos convencionalmente com um eixo x logarítmico.

Observe que, quanto maior for 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 dinâmica máxima, maior será a probabilidade de o adesivo na interface entre o elastômero e o aço se romper, invalidando, assim, quaisquer outras execuções. O cisalhamento dinâmico máximo possível aplicado à amostra é limitado pela deformação máxima da mola da lâmina de polímero reforçado com fibra de carbono.

Inicie a medição por meio do painel "Load & Go" no software Eplexor^® 9.

Resultados

A seguir, são apresentados os resultados das medições realizadas em um composto de elastômero EPDM70. Os efeitos Payne e Mullins foram investigados.

a) Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.Efeito Payne

Os parâmetros de medição usados para a medição do Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins estão resumidos na tabela 1.

Na figura 5, o módulo de armazenamento de cisalhamento das quantidades viscoelásticas, G', e o fator de perda, tan δ, são mostrados como uma função da amplitude de cisalhamento dinâmico de 0,04% a 100%.

Os testes foram realizados com diferentes tipos de varredura. O tipo de varredura "para cima" significa que a amplitude dinâmica será varrida de ±0,04% para ±100%; "para baixo" significa de ±100% de volta para ±0,04%.

A curva inicial representa os dados medidos para a amostra virgem. Em valores baixos de cisalhamento, ou seja, no regime viscoelástico linear para o composto de elastômero não danificado, o módulo de armazenamento de cisalhamento a 30°C é de aproximadamente 6 MPa. O fim do regime viscoelástico linear já está em um cisalhamento dinâmico de 0,1%. A partir desse ponto, o material começa a amolecer devido ao rompimento da rede de carga e enchimento. Em uma amplitude de cisalhamento de 100%, G' diminui para aproximadamente 2 MPa - um valor de apenas 1/3 do estado virgem. Da mesma forma, tan δ no estado virgem é de aproximadamente 0,1 e fica em torno de 0,135 para um cisalhamento dinâmico de 100%. No meio disso, um máximo de tan δ pode ser observado em aproximadamente 4%, o que corresponde a um máximo de dissipação de calor ou amortecimento para esse composto de borracha.

Tabela 1: Visão geral dos parâmetros usados para as medições do Efeito PayneO efeito Payne é a diminuição do sistema de elastômero preenchido e de ligação cruzada com o aumento da amplitude de deformação.efeito Payne com o High-Force DMA

Durante as varreduras descendentes subsequentes, é possível observar um claro comportamento de histerese da varredura ascendente inicial. O módulo de armazenamento e o fator de perda são deslocados para valores mais baixos e mais altos, respectivamente. Além disso, o valor de pico em tan δ se desloca ligeiramente para amplitudes de cisalhamento dinâmico mais baixas. Essa mudança é causada pelo dano à rede de preenchimento causado pelos altos cisalhamentos dinâmicos impostos à amostra durante o teste.

É importante ressaltar que esse dano e suas consequências também são detectados durante as varreduras ascendentes e descendentes restantes. O Elasticidade e módulo de elasticidadeA elasticidade da borracha ou elasticidade de entropia descreve a resistência de qualquer sistema de borracha ou elastômero contra uma deformação ou tensão aplicada externamente. módulo de armazenamento e o fator de perda permanecem no mesmo nível desde a primeira varredura descendente depois que a amostra foi carregada dinamicamente até 100% de cisalhamento pela primeira vez.

b) Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.Efeito Mullins

Os parâmetros de medição usados para a medição do Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins estão resumidos na Tabela 2.

Na Figura 6, são mostrados os diagramas de tensão-deformação de duas amostras diferentes de EPDM70 com todos os cinco ciclos de carga e descarga. Durante esses ciclos, o comportamento viscoelástico não linear e de amolecimento da 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 do elastômero preenchido é evidente.

Quando a amostra é carregada até um determinado valor de deformação máxima pela primeira vez, ela segue a curva inicial. Após o descarregamento, há uma redução significativa no nível 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 para a mesma deformação anterior, levando à histerese no diagrama de tensão-deformação. Nesse ponto, não é possível distinguir entre um fenômeno puramente viscoelástico, conforme demonstrado em uma Nota de Aplicação anterior [3] para um aerogel à base de carbono, e efeitos prejudiciais adicionais, como o Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins. A diferença só se torna aparente com o segundo ciclo de carga até o mesmo valor de deformação máxima do ciclo anterior. Se os níveis 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 forem menores para o segundo ciclo do que para o primeiro, então ocorreu um dano. Quando a deformação máxima do ciclo anterior é excedida, a curva de tensão-deformação segue novamente a curva inicial até a nova deformação máxima do ciclo atual.

Tabela 2: Visão geral dos parâmetros usados para as medições do Efeito MullinsO efeito Mullins descreve um fenômeno típico dos materiais de borracha.efeito Mullins com o DMA de alta força.

Relevância dos efeitos de Payne e Mullins no setor deIndústria da borracha

Os elastômeros preenchidos, independentemente de serem com Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo ou sílica, desempenham um papel fundamental no setor de borracha. Como os efeitos Payne e Mullins se manifestam como uma alteração nas propriedades mecânicas (dinâmicas) dos materiais elastômeros preenchidos, é fundamental entender as implicações nas propriedades do produto durante o serviço.

Em várias aplicações da vida real, ocorrem altas deformações dinâmicas ou vários ciclos de carga e descarga durante a vida útil de um produto - esse é o caso, por exemplo, de limpadores de para-brisa após vários ciclos, pneus após várias curvas ou amortecedores de borracha. Portanto, eles estão sujeitos às consequências dos efeitos Payne e Mullins. Essa alteração nas propriedades viscoelásticas está relacionada a diferentes propriedades relevantes, como a Resistência ao rolamentoA resistência ao rolamento é uma força que resiste ao movimento quando um corpo está rolando em uma superfície. Isso determina a resistência ao deslizamento de, por exemplo, pneus de carros ou caminhões.resistência ao rolamento dos pneus por meio de uma alteração no fator de perda ou na capacidade de amortecimento das buchas.

NETZSCH Os DMAs de alta força permitem quantificar com precisão a extensão dos efeitos Payne e Mullins em seu material e, assim, fabricar borrachas de maior qualidade e prever melhor o desempenho de seus produtos finais.