Introducere
Datorită densității lor reduse, spumele au o gamă largă de aplicații. Spumele moi sunt utilizate, de exemplu, ca material de amortizare, pentru amortizarea acustică sau ca protecție împotriva zgomotului. În special spumele rigide sunt utilizate ca materiale izolante, în tălpile pantofilor sau pentru astfel de aplicații ca straturi de umplutură în structuri compozite. Atunci când se pune accentul pe efectul de izolare termică sau pe rezistența materialului în diferite condiții de mediu, se utilizează de obicei spume cu celule închise. Pe de altă parte, spumele moi, în special, sunt de obicei cu celule deschise, permițând gazului să iasă din celulele individuale și permițând astfel spumei să suporte o compresie elastică mai mare.
În general, mulți polimeri sunt potriviți ca materii prime pentru spume. Spumele pe bază de polistiren expandat sau poliuretan (PUR) sunt utilizate pe scară largă. În funcție de fabricarea lor, diversele spume PUR pot prezenta proprietăți foarte diferite. Densitatea și gradul de reticulare a spumelor variază foarte mult în funcție de cantitatea de agent de expandare (apă), de adăugarea altor aditivi și, de asemenea, de lungimea lanțului materialelor de bază, permițând astfel o gamă largă de la spume moi la spume foarte rigide.
Pentru determinarea proprietăților mecanice, testarea cu aparatele universale de încercare la tracțiune classic este bine stabilită. Împreună cu comportamentul static de deformare, amortizarea spumei este, de asemenea, frecvent de importanță centrală pentru aplicație. Aici, DMA poate aduce o contribuție valoroasă prin înregistrarea întregului comportament vâsco-elastic al spumelor. În această contribuție, o spumă PUR moale, cu pori deschiși, este investigată ca exemplu.
Testare statică
În timpul testării statice (cvasi-statice) cu DMA GABO Eplexor® 500 N, se aplică o sarcină care variază lent ca într-un tester universal și se măsoară forțele și deformațiile rezultate. În conformitate cu situațiile comune de instalare a spumelor, măsurarea se efectuează de obicei în modul compresie.
Figura 1 prezintă proba neîncărcată în stânga și proba comprimată în dreapta, în Eplexor®. Se poate observa că apare doar o deformare transversală relativ small și se poate presupune aici un material complet compresibil într-o aproximare inițială.
În primul rând, se înregistrează curbele statice tensiune-deformare. Pentru a exclude efectele punctuale, proba de spumă este, de obicei, încărcată și descărcată de două ori, astfel încât numai al doilea ciclu de încărcare este prezentat în figura 2.
Aceasta arată o curbă tripartită tensiune-deformare, tipică pentru spumele elastice moi; de exemplu, comparați cu (Keller, 2019). Sub tensiuni relativ small, celulele sunt doar ușor deformate și materialul se comportă într-o manieră aproximativ liniar-elastică. Odată cu creșterea tensiunii, celulele spumei cu celule deschise se prăbușesc. Deoarece aerul trebuie să iasă din celule în acest proces, rezultatele sunt o funcție a vitezei de deformare. În această regiune de platou, tensiunea necesară pentru deformare crește doar lent. La niveluri foarte ridicate de deformare (aici începând de la aproximativ 50%), celulele care s-au prăbușit deja se comprimă și mai mult, iar tensiunea crește din nou mai puternic. În timpul descărcării ulterioare, tensiunile necesare sunt doar puțin mai mici din cauza disipării energiei care a avut loc între timp și apare o histerezis tipică.
În conformitate cu ISO 3386, duritatea la compresiune se determină ca fiind tensiunea necesară în cazul unei deformații în creștere cu 40 %; aici, duritatea la compresiune se ridică la σd 40 = 0,12 MPa. Zona de histerezis permite estimarea aproximativă a amortizării materialului. Capacitatea de amortizare a spumelor PUR variază considerabil.
Figura 3 prezintă schematic diferite curbe de histerezis. În funcție de comportamentul lor de amortizare, spumele PUR pot fi clasificate în: cu amortizare medium (tip A), cu amortizare puternică (tip B) sau cu amortizare slabă (tip C). În consecință, eșantionul investigat poate fi clasificat ca fiind mai mult de tip C.
Ca alternativă la încărcarea pe toată suprafața utilizată aici, testele de penetrare sunt frecvent efectuate pe spume. În acest caz, un corp mai mic este presat în probă în locul tijei superioare. Forța necesară pentru aceasta se numește duritate de indentare.
Testare dinamică
Într-o scanare statică a DMA, se aplică o sarcină statică în fiecare etapă și apoi se efectuează un experiment de oscilație dinamică în această condiție. În acest fel, modulul Young poate fi măsurat direct în acest punct și, astfel, amortizarea poate fi, de asemenea, determinată local.
Proba de spumă este din nou întinsă static în trepte de până la 70%. În figura 4, se poate observa același comportament ca în cazul testelor statice: Pentru întinderile small, proba se comportă aproximativ liniar, dar apoi dezvoltă o caracteristică de arc degresiv odată cu creșterea întinderii. Compresia finală este din nou caracterizată de o rigiditate a arcului care crește odată cu deformarea statică și poate fi, prin urmare, caracterizată ca rigiditate progresivă a arcului.
Cu ajutorul DMA, modulul Young poate fi măsurat în fiecare punct datorită oscilației dinamice. După cum era de așteptat, modulul scade inițial în regiunea deformațiilor small, este apoi relativ constant și, în final, crește din nou odată cu creșterea compresiei. Astfel, modulul măsurat cu ajutorul DMA se comportă exact la fel ca modulul tangentei după evaluarea unui test static.
Cu ajutorul echipamentelor de testare mecanică, modulul Young al unei probe nu se măsoară direct, ci se determină mai întâi o comisie de rigiditate pe baza forțelor și deformațiilor măsurabile. În funcție de geometria probei și de modelul materialului, se calculează apoi modulul Young. Deoarece spuma se comportă ca fiind în mare parte compresibilă, suprafața secțiunii transversale nu se modifică semnificativ în timpul deformării. În consecință, se poate calcula tensiunea care acționează asupra probei; aceasta este întotdeauna exprimată astfel
σ = F/A0
Aici, F reprezintă forța, iarA0 secțiunea transversală nominală inițială.
Deoarece lungimea probei se modifică considerabil, deformarea dinamică ar trebui să fie întotdeauna legată de lungimea curentă a probei, și anume
ε = ΔL/Lm
cu deformarea ΔL și lungimea curentă a probei Lm. Se obține astfel factorul geometric pentru calcularea modulului ca Lm /A0.
Acest factor este în general valabil pentru materialele compresibile și poate fi selectat direct în software-ul Eplexor®.
În testele statice, este posibil să se caracterizeze comportamentul de amortizare al spumei pe baza histerezisului întregii deformări. DMA permite o caracterizare mai precisă, deoarece amortizarea locală poate fi determinată pentru fiecare sarcină statică. Devine clar că spuma are doar o capacitate scăzută de amortizare în intervalul de deformări small. Amortizarea (aici tan δ) rămâne relativ constantă în regiunea de platou și apoi crește din nou în regiunea de compresie. Astfel, DMA permite determinarea corectă a capacității de amortizare în stare încărcată.
Comportamentul neliniar al materialului este complet analog atunci când crește amplitudinea oscilației vibrațiilor dinamice. Figura 5 prezintă histerezisul corespunzător al unui ciclu de oscilație dinamică (cu o amplitudine de deformare dinamică de 10 %) la diferite niveluri de deformare statică. Modulul Young rezultă din nou din panta diagramei tensiune-deformare. Se poate observa că rigiditatea scade inițial în intervalul de deformații statice small (rigiditate degresivă) și apoi crește din nou sub large deformații (rigiditate progresivă). La large amplitudini dinamice, acest comportament este evident și în deformarea histerezisului. Creșterea amortizării cu preîncărcarea statică poate fi observată și în zona large a histerezisului.
Comportamentul temperaturii
Pe lângă măsurarea comportamentului mecanic neliniar al materialului, DMA GABO Eplexor®, în special, permite și efectuarea de analize termomecanice. Astfel, analizele efectuate anterior sunt posibile și la temperaturi ridicate sau la temperaturi sub punctul de îngheț. Caracterizarea termică se realizează de cele mai multe ori în domeniul liniar al amplitudinilor small. Datorită efectului izolator puternic al spumei, a fost aleasă o rată de încălzire scăzută de 2 K/min.
Alături de comportamentul direct al temperaturii, proprietățile materialelor la frecvențe care nu sunt direct accesibile prin măsurare sunt adesea de interes. Acest lucru se aplică, de exemplu, la utilizarea spumelor pentru amortizarea acustică. Aici, metoda de suprapunere timp-temperatură poate fi utilizată pentru generarea curbelor principale. Aceasta permite, de asemenea, să se tragă concluzii cu privire la comportamentul materialului la frecvențe mult mai mari.
Rezumat
DMA GABO Eplexor® 500 N oferă suficiente rezerve de forță pentru măsurarea spumelor în dimensiuni semnificative, astfel încât să poată fi caracterizat comportamentul mecanic neliniar și dependent de timp. În plus față de informațiile furnizate de diagrama tensiune-deformare, DMA poate fi utilizat și pentru a determina rigiditatea și amortizarea în stare comprimată. În plus, cu DMA, comportamentul la temperatură și, prin intermediul tehnicii curbei principale, modulul lui Young la frecvențe înalte pot fi determinate cu un singur instrument. Acest lucru permite caracterizarea spumelor pentru o varietate de scenarii de aplicare.