Введение
Понимание вязкоупругих свойств полимеров имеет решающее значение для их применения во многих областях, в том числе в производстве спортивных товаров. Высокоэффективные полимеры и полимерные композиты произвели революцию в спортивной индустрии, предоставив пользователям прочное, удобное, точное и долговечное снаряжение [1]). Полимеры и полимерные композиты составляют основу активного образа жизни: из них изготавливаются напольные покрытия для крытых и открытых спортивных объектов, подошвы обуви, сетки, струны для ракеток и т. д. Возможность оценивать тепловые свойства и физические характеристики этих материалов имеет решающее значение для их проектирования, производства и конечного использования.
Динамический механический анализ (DMA) в первую очередь используется для анализа вязкоупругих свойств полимерных материалов, но также применяется для измерения металлов, керамики или моделирования определенных механических условий. NETZSCH DMA 303 Eplexor® — это универсальный настольный прибор, способный проводить измерения в диапазоне температур от -170 °C до 800 °C (от -274 °F до 1472 °F) с приложением усилий от 1 мН до 50 Н, и работать на частотах от 0,001 до 150 Гц. В данном исследовании с помощью динамического механического анализа (DMA) были протестированы три различных высококачественных бадминтонных струны. Современная конструкция бадминтонных струн состоит из нескольких материалов, слоев и покрытий [2]. Все три испытанных образца имеют одинаковую базовую структуру: многофиламентный нейлоновый сердечник, окруженный оплетёнными нейлоновыми волокнами. Образец 1 имеет покрытие из гидрида титана, тогда как образцы 2 и 3 — покрытие из композитных углеродных нанотрубок типа «cup-stack». С точки зрения эксплуатационных характеристик производитель классифицирует различные струны; сводные данные приведены в таблице 1.
Таблица 1: Характеристики трёх струн для бадминтона, указанные производителем.
| Показатель | Образец 1 (оценка по 10-балльной шкале) | Образец 2 (Оценка по шкале от 0 до 10) | Образец 3 (Оценка по шкале от 0 до 10) |
|---|---|---|---|
| Сила отскока | 7 | 8 | 9 |
| Долговечность | 7 | 10 | 7 |
| Звук при ударе | 7 | 7 | 8 |
| Амортизация | 6 | 6 | 8 |
| Управление | 6 | 6 | 10 |
Основная цель данного исследования заключается в сопоставлении вязкоупругих свойств, измеренных с помощью ДМА, с эксплуатационными характеристиками, указанными производителем в таблице 1. Модуль хранения (E’) характеризует способность материала накапливать и высвобождать энергию (подобно пружине), что может быть напрямую связано с заявленной силой отталкивания. Модуль потерь (E”) характеризует рассеивание энергии материалом (как правило, за счет внутреннего трения), а коэффициент демпфирования (tan δ) представляет собой отношение E” к E’ (описывая степень гашения материала приложенной силы). Следовательно, как звук удара, так и поглощение удара напрямую связаны со свойствами E” и tan δ. Кроме того, такие параметры, как долговечность, можно изучить путем испытаний в зависимости от увеличения силы, а не от температуры.
Испытания методом DMA для определения вязкоупругих свойств и моделирования условий эксплуатации
Для определения вязкоупругих свойств трёх струн для бадминтона для каждого образца было проведено стандартное температурное сканирование в условиях растяжения (визуальное представление см. на рис. 1) с использованием прибора DMA 303 компании « NETZSCH » Eplexor® в диапазоне температур от -150 до 150 °C.
В таблице 2 приведены данные по различным переходным областям для каждого образца. Вязкоупругий профиль образца 1 в зависимости от температуры показан на рисунке 2, образца 2 — на рисунке 3, а образца 3 — на рисунке 4; измерения для всех образцов проводились при растяжении. Как видно из рисунков 2–4, образцы 2 и 3 имеют очень схожие профили и зоны перехода, в отличие от образца 1 (с другим покрытием), который значительно отличается. Нейлон представляет собой алифатический полиамид, обычно классифицируемый по цифровым маркам (6, 66, 11, 12), у всех которых стеклование происходит в диапазоне от 40 до 95 °C. Поэтому весьма интересно рассмотреть другие переходы, наблюдаемые при температурах ниже температуры окружающей среды.
Таблица 2: Термические переходы образцов 1, 2 и 3; приведены значения E’, E” и tan δ. Измерения всех образцов проводились при растяжении с динамической деформацией 10 мкм, пропорциональным коэффициентом 1,3 и скоростью нагрева 2 °C/мин.
| Переход | Начало E’ | Пик E” | tan δ |
|---|---|---|---|
Образец 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 МПа | -84,2 °C 467 МПа | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 МПа | -4,2 °C 363 МПа | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 МПа | 97,2 °C 62 МПа | 98,2 °C 0,1ß6 |
Образец 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 МПа | -74,1 °C 381 МПа | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 МПа | 49,4 °C 220 МПа | 65,1 °C 0,136 |
Образец 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 МПа | -71,9 °C 309 МПа | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 МПа | 51,7 °C 187 МПа | 68,1 °C 0,138 |
Исходя из данных, представленных на рисунках 2–4, также важно учитывать влияние температуры на вязкоупругие характеристики струн. Бадминтон, как правило, является видом спорта, которым занимаются в помещении, но как обстоят дела с игрой на открытом воздухе?
На рисунке 5 показан температурный профиль образца № 1 в диапазоне от 0 до 50 °C. В прохладный осенний день при температуре 4 °C струны будут в 2,3 раза жестче, чем при комнатной температуре (25 °C), или в 3,0 раза жестче, чем в жаркий летний день при температуре 35 °C. Однако коэффициент демпфирования не следует точно такой же тенденции: при 4 °C он всего в 1,1 раза выше, чем при 25 °C, а при 4 °C — в 1,3 раза выше, чем при 35 °C. Поэтому, несмотря на то что струны будут более жесткими и будут меньше прогибаться при ударе по волану, количество энергии, поглощаемой струнами и не передаваемой в удар, останется примерно таким же.
Одной из ключевых задач данного тестирования является выяснение того, как струны для бадминтона будут вести себя в условиях их предполагаемого использования. Поэтому те же три образца были испытаны методом трехточечного изгиба для определения их свойств при изгибе (расстояние изгиба 20 мм для анализа одного конечного участка общей сетки ракетки), что позволило смоделировать их поведение при натяжении на ракетку и использовании для удара по волану. Схема испытания с натянутой при изгибе струной показана на рисунке 6.
Для оценки характеристик при трёхточечном изгибе при комнатной температуре были проведены два различных цикла нагружения с целью определения свойств материала. На рисунке 7 показано влияние увеличения динамической деформации (которая оставалась ниже 0,7 Н).
На рисунке 8 показано изменение длины образцов в зависимости от увеличения силы.
Из рисунка 7 видно, что при комнатной температуре наблюдается четкое различие в механических свойствах трех струн. При показательной амплитуде 50 мкм образец 1 имеет самые низкие значения модулей упругости (E’ = 89,6 ГПа, E” = 12,2 ГПа), образец 2 — самые высокие (E’ = 118,1 ГПа, E” = 10,3 ГПа), а образец 3 занимает промежуточное положение (E’ = 101,6 ГПа, E” = 9,5 ГПа). Учитывая, что коэффициент демпфирования представляет собой отношение модуля потерь к модулю накопления, это означает, что образец 1 обладает наибольшими демпфирующими свойствами (0,14), за ним следуют образец 3 (0,09) и образец 2 (0,09). Эти значения не соответствуют напрямую данным, приведённым производителем в таблице 1, однако очень важно учитывать, как все три вязкоупругие параметра влияют на рабочие характеристики, а также насколько важна температура, при которой проводились испытания, как показано на рисунке 5.
Наконец, на рисунке 8 наблюдается изменение длины образца при увеличении динамической силы. Это важный фактор, определяющий, какому усилию может выдержать отдельный струнный элемент без значительной деформации. Образец 3 демонстрирует наибольшую степень деформации, что позволяет предположить, что он, вероятно, является наименее долговечным из трёх из-за своей склонности к деформации (этот результат согласуется с данными таблицы 1). Важно отметить, что при испытании этих образцов методом трёхточечного изгиба они натягивались вручную, что могло увеличить разброс между абсолютными измерениями.
Резюме
Разработка высокоэффективных полимеров и полимерных композитов произвела революцию в мире спортивных товаров. В данной статье мы продемонстрировали, как прибор DMA 303 компании « NETZSCH » ( Eplexor® ) можно использовать для оценки, сравнения и моделирования эксплуатационных характеристик трёх различных бадминтонных струн по целому ряду параметров. Были проведены температурные испытания для определения температур фазового перехода трёх образцов, а также для оценки их характеристик при различных температурах, которым они могут подвергаться в условиях эксплуатации на открытом воздухе. Были выполнены испытания с плавным изменением нагрузки для оценки механических свойств струн при комнатной температуре, а также для изучения их поведения при приложенной нагрузке в направлении удара струн по воланчику.