Introducere
În prezent, metoda de analiză termică dinamico-mecanică (DMTA) este bine stabilită în cercetarea materialelor pentru cauciuc și anvelope. Dezvoltarea de noi compuși, de exemplu, în industria anvelopelor, necesită informații detaliate despre proprietățile mecanice ale materialelor aplicate. Aceasta include determinarea datelor materialelor viscoelastice care conțin 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 E', modulul de pierdere E" și factorul de pierdere tanδ, în funcție de temperatură, frecvența de excitație și deformarea externă (de exemplu, ÎntindereÎntinderea descrie o deformare a unui material, care este încărcat mecanic de o forță sau o tensiune externă. Compușii de cauciuc prezintă proprietăți de fluaj, dacă se aplică o sarcină statică.tulpina).
Destul de popular este testul de duritate la mal. Din păcate, informațiile privind proprietățile vâsco-elastice obținute prin testele shore lipsesc în anumite domenii importante. Datele privind dependența de temperatură și frecvență a compușilor nu sunt disponibile deloc. În plus, deformarea aplicată probelor în timpul încercării la sol nu este măsurată.
Numai investigațiile DMTA sunt capabile să ofere rezultatele dorite. Deoarece proprietățile vâsco-elastice (E', E", tanδ) ale sistemelor elastomerice depind de deformarea aplicată din exterior, scanările de temperatură trebuie efectuate la amplitudini de deformare constante pe întreaga gamă de temperaturi de aplicare.
Datorită rigidității ridicate a compușilor de cauciuc la temperaturi sub Tg de tranziție vitroasă, sunt necesare niveluri ridicate de forță pentru a obține deformațiile statice și dinamice necesare.
În mod normal, pentru testele de compresie, se utilizează probe cilindrice (probe "Roelig") cu o înălțime și un diametru de 10 mm.
Presupunând un modul E' de 3 000 MPa, o valoare tipică în stare sticloasă, capacitatea de testare a instrumentului necesită o amplitudine a forței dinamice de +/-50 N pentru a genera o elongație detectabilă de aproximativ 2 μm. Acest lucru nu poate fi realizat cu instrumentele DMA clasice de laborator. Un instrument deosebit de potrivit pentru aceste sarcini este Eplexor® 500 N de la NETZSCH GABO Instruments (a se vedea figura 1).
Sistemele DMTA, cum ar fi seria Eplexor® de NETZSCH GABO Instruments, sunt echipate cu acționări de mare putere pentru a realiza amplitudini adecvate ale nivelurilor ridicate de forță.
Cu toate acestea, în controlul calității (QC), scanările de temperatură care consumă mult timp sunt inoportune din motive economice. Testele QC trebuie efectuate foarte rapid. Un test QC, inclusiv pregătirea probei, ar trebui finalizat în cel mult 20 de minute. Această notă de aplicare ilustrează modul în care scanările de temperatură pot fi înlocuite cu scanări de frecvență, efectuate aproape de Tg.
Dependența de temperatură a cauciucului butilic (BR) și SBR 1500
Toate variațiile de temperatură sunt efectuate la o deformare statică de 4% în raport cu lungimea inițială a probei (10 mm pentru toate probele) într-un interval de temperatură de la -80°C la 80°C. Amplitudinea deformării dinamice aplicate este de ± 0,2%; frecvența de testare este de 10 Hz.
Figura 2 prezintă modulul complex al unei BR umplute (50 phr negru de fum) și al unei BR neumplute în funcție de temperatură.
Datorită conținutului de negru de fum, modulul BR umplut este de aproximativ 10 ori mai mare decât cel al BR pur la temperaturi de peste 0°C.
Sistemele BR umplute și neumplute (figura 3) prezintă o zonă de tranziție vitroasă foarte largă care acoperă un interval de temperatură de aproximativ 50 K (jumătatea lățimii vârfului tanδ). Cu toate acestea, înălțimile vârfului tanδ ale celor două sisteme sunt semnificativ diferite unul de celălalt (umplut: maximul vârfului tanδ este 0,75, neumplut: maximul vârfului tanδ este 1,3).
Figurile 4 și 5 prezintă modulul complex și tanδ ale celui de-al doilea sistem investigat. Din nou, au fost caracterizate un sistem cu umplutură și unul fără umplutură, dar de data aceasta pe bază de SBR 1500. SBR pur prezintă un vârf de tranziție vitroasă mult mai îngust decât sistemul BR. Semilărgimea acestei tranziții vitroase a fost de numai 20 K. Ca și înainte, valorile absolute ale modulului complex [E*] al SBR fără umplutură scad de la aproape 3 000 MPa sub Tg la valori mai mici de 5 MPa deasupra Tg. E*] al sistemelor umplute este - la temperaturi peste Tg - dublu față de cel al SBR 1500 fără umplutură.
Inserare text
Scanări de frecvență efectuate pe sisteme de cauciuc umplute și neumplute
Figura 6 prezintă dependența de frecvență a celor două sisteme de cauciuc butilic. Modulul complex (E*, afișat ca valori absolute) al sistemului umplut (BR - 50 phr la 23°C) este pur și simplu deplasat la un nivel mai ridicat decât cel al BR neumplut (BR - neumplut la 23°C). La temperatura ambiantă, formele liniilor compușilor BR umpluți (BR - 50 phr la 23°C) și neumpluți (BR - neumpluți la 23°C) sunt foarte similare, indicând același comportament în frecvență pentru cauciucurile umpluți și neumpluți.
În regiunea de tranziție vitroasă la o temperatură de T = -20°C, situația este destul de diferită. BR fără umplutură prezintă o pantă mult mai mare a curbei [E*] cu creșterea frecvenței decât sistemul umplut.
Rezultate similare pot fi obținute pentru sistemele SBR 1500 umplute și neumplute (figura 7). Așa cum era de așteptat, sistemul umplut (SBR 1500 - 50 phr la 23°C) prezintă în general valori mai mari pentru modulul complex [E*] decât cel neumplut (SBR 1500 - neumplut la 23°C). Panta celor două curbe la temperatura camerei nu diferă foarte mult. Din nou, la -20°C, pot fi detectate large diferențe în forma liniei, care permit să se facă distincția între diferitele conținuturi de umplutură prin analizarea valorilor absolute ale E*, așa cum s-a discutat anterior.
Rezumat
Large eșantioanele de cauciuc (cu diametrul de 10 mm) pot fi studiate numai în modul compresie utilizând instrumente DMA cu forță mare, cum ar fi Eplexor® 500 N de la NETZSCH GABO Instruments.
La întrebarea în ce măsură E* este o funcție a conținutului de negru de fum se poate răspunde cu ajutorul scanărilor de frecvență efectuate în echilibru termic la diferite temperaturi. Datorită principiului suprapunerii timp-temperatură sau frecvență-temperatură, variația frecvenței în timp ce se menține o temperatură constantă poate furniza aceleași informații ca o scanare a temperaturii.
De obicei, o scanare de frecvență durează doar aproximativ 5 minute, accelerând astfel drastic procedura de testare față de scanările de temperatură convenționale, care durează aproximativ 2 ore.
Rezultatele testelor arată, de asemenea, că scanările de frecvență efectuate aproape de Tg permit diferențierea materialelor de cauciuc cu conținut diferit de negru de fum printr-o analiză destul de rapidă.