Introducere
Înțelegerea proprietăților viscoelastice ale polimerilor este esențială pentru utilizarea acestora în numeroase aplicații, inclusiv în domeniul articolelor sportive. Polimerii și compozitele polimerice de înaltă performanță au revoluționat industria sportivă, oferind utilizatorilor echipamente rezistente, confortabile, precise și durabile [1]). Polimerii și compozitele polimerice stau la baza unei zile pline de activitate: acestea constituie materialul pentru pardoseli utilizat în instalațiile sportive interioare și exterioare, tălpile pantofilor, ochiurile plaselor, corzile rachetelor etc. Capacitatea de a evalua proprietățile termice și performanțele fizice ale acestor materiale este esențială pentru proiectarea, fabricarea și utilizarea lor finală.
Analiza mecanică dinamică (DMA) este utilizată în principal pentru a analiza proprietățile viscoelastice ale materialelor polimerice, dar este folosită și pentru măsurarea metalelor, a ceramicii sau pentru simularea unor condiții mecanice specifice. NETZSCH ul DMA 303 Eplexor® este un dispozitiv de birou versatil, capabil să măsoare într-un interval de temperatură de la -170 °C la 800 °C (de la -274 °F la 1472 °F), aplicând forțe cuprinse între 1 mN și 50 N, și care funcționează la frecvențe de la 0,001 la 150 Hz. În acest studiu, au fost testate trei tipuri diferite de corzi de badminton de înaltă performanță folosind analiza mecanică dinamică (DMA). Designul modern al corzilor de badminton cuprinde mai multe materiale, straturi și acoperiri [2]. Toate cele trei eșantioane testate au aceeași structură de bază: un miez multifilament din nailon înconjurat de fibre de nailon împletite. Eșantionul 1 are un strat de acoperire din hidrură de titan, în timp ce eșantioanele 2 și 3 au un strat de acoperire compus din nanotuburi de carbon de tip „cup-stack”. Din punct de vedere al performanței, producătorul clasifică diferitele corzi, rezumatul acestei clasificări fiind prezentat în Tabelul 1.
Tabelul 1: Caracteristicile declarate de producător pentru cele trei tipuri de corzi de badminton.
| Variabilă | Eșantionul 1 (Punctaj din 10) | Eșantionul 2 (Punctaj din 10) | Eșantionul 3 (Scor din 10) |
|---|---|---|---|
| Puterea de respingere | 7 | 8 | 9 |
| Durabilitate | 7 | 10 | 7 |
| Sunetul la lovire | 7 | 7 | 8 |
| Absorbția șocurilor | 6 | 6 | 8 |
| Control | 6 | 6 | 10 |
Obiectivul principal al acestui studiu este de a corela proprietățile viscoelastice măsurate prin DMA cu criteriile de performanță indicate de producător în Tabelul 1. Modulul de stocare (E’) descrie capacitatea materialului de a stoca și elibera energie (asemeni unui arc), ceea ce poate fi corelat direct cu puterea de repulsie indicată. Modulul de pierdere (E”) descrie disiparea energiei de către material (de obicei prin frecare internă), iar, în final, factorul de amortizare (tan δ) reprezintă raportul dintre E” și E’ (descriind cât de mult va amortiza un material o forță aplicată). Prin urmare, atât sunetul de impact, cât și absorbția șocurilor sunt direct legate de proprietățile lui E” și tan δ. În plus, parametri precum durabilitatea pot fi analizați prin testare în funcție de forța crescătoare, mai degrabă decât de temperatură.
Testarea DMA pentru determinarea proprietăților viscoelastice și simularea aplicațiilor
Eplexor® Pentru determinarea proprietăților viscoelastice ale celor trei corzi de badminton, s-a efectuat o scanare standard a temperaturii pe fiecare probă în tensiune (reprezentare vizuală în Figura 1), cu ajutorul aparatului DMA 303 NETZSCH de la , în intervalul de temperatură cuprins între -150 și 150 °C.
Tabelul 2 prezintă un rezumat al diferitelor zone de tranziție ale fiecărei probe. Profilul viscoelastic al probei 1 în funcție de temperatură este prezentat în Figura 2, al probei 2 în Figura 3, iar al probei 3 în Figura 4; toate probele au fost măsurate în tensiune. Din figurile 2–4 reiese că probele 2 și 3 au profiluri și zone de tranziție foarte similare, spre deosebire de proba 1 (care are un strat de acoperire diferit), care prezintă diferențe semnificative. Nylonul este o poliamidă alifatică clasificată de obicei pe baza unor indici numerici (6, 66, 11, 12), toate având o tranziție vitroasă care are loc între 40 și 95 °C. Prin urmare, este foarte interesant să se ia în considerare celelalte tranziții observate la temperaturi sub temperatura ambiantă.
Tabelul 2: Tranzițiile termice ale probelor 1, 2 și 3, prezentate pentru E’, E” și tan δ. Toate probele au fost măsurate în tensiune, utilizând o deformare dinamică de 10 μm, un factor de proporționalitate de 1,3 și o viteză de încălzire de 2 ºC/min.
| Tranziție | Începutul | Vârful E” | tan δ |
|---|---|---|---|
Proba 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 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 0,1ß6 |
Eșantionul 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Eșantionul 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Pe baza figurilor 2–4, este important să se ia în considerare și efectul temperaturii asupra proprietăților viscoelastice ale corzilor. Badmintonul este, de obicei, un sport practicat în sală, dar cum rămâne cu jocul în aer liber?
Figura 5 prezintă profilul termic al probei 1 în intervalul de la 0 la 50 °C. Într-o zi răcoroasă de toamnă, la 4 °C, corzile ar fi de 2,3 ori mai rigide decât la temperatura camerei (25 °C) sau de 3,0 ori mai rigide decât într-o zi toridă de vară, la 35 °C. Cu toate acestea, factorul de amortizare nu urmează exact aceeași tendință, fiind de doar 1,1 ori mai mare la 4 °C comparativ cu 25 °C și de 1,3 ori mai mare la 4 °C comparativ cu 35 °C. Prin urmare, chiar dacă corzile ar fi mai rigide și ar prezenta o elasticitate mai redusă la lovirea volanului, cantitatea de energie absorbită de corzi și care nu este transferată în lovitură ar rămâne similară.
Un aspect esențial al acestor teste este înțelegerea modului în care corzile de badminton s-ar comporta în condițiile de utilizare prevăzute. Prin urmare, aceleași trei eșantioane au fost testate prin încovoiere în trei puncte pentru a le înțelege proprietățile de flexiune (distanța de încovoiere de 20 mm pentru a analiza o secțiune finită din modelul general al grilei rachetei), simulând modul în care s-ar comporta atunci când sunt montate pe rachetă și utilizate pentru a lovi volanul. Configurația de testare, cu coarda întinsă în încovoiere, este prezentată în Figura 6.
Pentru a testa performanța la încovoiere în trei puncte, s-au efectuat două cicluri diferite de încărcare la temperatura camerei, în vederea măsurării proprietăților. Figura 7 ilustrează efectul creșterii deformării dinamice (care a rămas sub 0,7 N).
Figura 8 prezintă variația lungimii probelor în funcție de creșterea forței.
Din figura 7 se observă că, la temperatura camerei, există o diferență clară între proprietățile mecanice ale celor trei corzi. La o amplitudine ilustrativă de 50 μm, proba 1 prezintă cele mai mici valori ale modulului de elasticitate (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), proba 2 prezintă cele mai mari (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), iar proba 3 se situează între acestea (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Având în vedere că factorul de amortizare este raportul dintre modulul de pierdere și Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare, aceasta înseamnă că proba 1 are cele mai ridicate proprietăți de amortizare (0,14), urmată de proba 3 (0,09) și de proba 2 (0,09). Aceste valori nu corespund direct cu cele raportate de producător în Tabelul 1, dar este foarte important să se ia în considerare modul în care toți cei trei parametri viscoelastici afectează performanța și cât de importantă este temperatura la care au fost testați, așa cum se arată în Figura 5.
În cele din urmă, din figura 8 se observă variația lungimii eșantionului odată cu creșterea forței dinamice. Acesta este un aspect important pentru a determina câtă forță poate suporta un singur element de coardă fără a suferi o deformare semnificativă. Proba 3 prezintă cea mai mare deformare, ceea ce sugerează că este probabil cea mai puțin durabilă dintre cele trei, datorită tendinței sale de a se deforma (acest rezultat este în concordanță cu Tabelul 1). Este important de menționat că, în cazul acestor probe supuse încercării de încovoiere în trei puncte, acestea au fost întinse manual, ceea ce poate crește variația dintre măsurătorile absolute.
Rezumat
Dezvoltarea polimerilor și a compozitelor polimerice de înaltă performanță a revoluționat lumea articolelor sportive. În acest articol, am demonstrat modul în care aparatul DMA 303 de la NETZSCH Eplexor® poate fi utilizat pentru a evalua, compara și simula performanța a trei tipuri diferite de corzi de badminton, pe o gamă variată de parametri. Au fost efectuate teste de variație a temperaturii pentru a determina temperaturile de tranziție ale celor trei eșantioane, precum și pentru a evalua performanța acestora la diverse temperaturi la care ar putea fi expuse în exterior. Au fost efectuate teste de variație a sarcinii pentru a evalua proprietățile mecanice ale corzilor la temperatura camerei și, de asemenea, pentru a înțelege comportamentul acestora la aplicarea unei sarcini în direcția în care corzile ar lovi un volan.