NETZSCH DMA 523: возможности флексометра Goodrich с одновременным динамико-механическим анализом
Введение
Эластомеры, как вязкоупругие материалы, играют фундаментальную роль во многих отраслях промышленности. Признано, что вязкая составляющая механического поведения приводит к потере энергии в виде тепла из-за различных диссипативных процессов. Типичные измерения DMA предполагают использование образцов размером small, низких динамических амплитуд и низких частот, что приводит к незначительному рассеиванию тепла за цикл. Такое рассеивание не приводит к соответствующему повышению температуры образца. Однако некоторые резиновые изделия, такие как протекторы шин, накладки на гусеницы танков и резиновые ролики large, испытывают значительные силовые нагрузки в процессе эксплуатации. Это может привести к тому, что тепловой энергии выделяется больше, чем рассеивается в окружающую среду. В результате в резине накапливается тепло (HBU), что в конечном итоге может привести к выходу изделия из строя из-за выдувания (BO).
Модель NETZSCH DMA 523 Eplexor® является оптимальным решением для проведения измерений при высоких уровнях деформации, а также при высоких статических и динамических нагрузках, благодаря двум независимым приводам. Этот высокосиловой DMA позволяет проводить испытания флексометров Goodrich в соответствии со стандартом ASTM D623 или ISO 4666-3/ISO 4666-4, а также измерять параметры, отклоняющиеся от этих стандартов, в соответствии с требованиями заказчика.
Возможности флексометрических испытаний с помощью NETZSCH Высокопроизводительные DMA
Для экспериментов с HBU и BO необходим держатель образцов с термоизолирующими пластинами, отвечающими вышеупомянутым стандартам. Пластины изготовлены из слоистого материала, состоящего из термореактивного материала на основе фенола и жесткой бумаги. Они предназначены для минимизации теплопотерь от резинового образца к держателю образца, тем самым имитируя наихудший сценарий при постоянных тяжелых динамических механических нагрузках. В центре верхнего держателя образца расположена термопара для точного измерения температуры поверхности образца.
Схематичный вид этого держателя образца показан на рис. 1a.
Для получения информации о температуре внутри образца NETZSCH предлагает два варианта:
- Горизонтальная игольчатая термопара, которая вручную помещается в центр образца. Ее можно использовать в качестве дополнения к базовому держателю образцов Flexometer. Эта термопара измеряет температуру в течение всего времени эксперимента HBU. Рекомендуется избегать использования горизонтальной игольчатой термопары во время экспериментов с БО, так как это может привести к повреждению датчика. Пример такой установки показан на рис. 1b.
- Отдельный держатель образца с пластинами Pertinax и дополнительная вертикальная игольчатая термопара пневматически вставляются в образец после проведения измерения HBU. В этой конфигурации термопара, определяющая температуру поверхности образца, располагается немного смещенно от центра. Схематичное изображение держателя образцов такого типа показано на рис. 1c.
Как выполнить тест на нагрев и выдув с помощью NETZSCH High-Force DMA
Прежде чем приступить к измерениям, убедитесь, что NETZSCH DMA 523 Eplexor® оснащен соответствующим датчиком силы. Кроме того, система пружин лопаток должна быть адаптирована к большим деформациям. Учитывая large силы и деформации, возникающие при испытаниях HBU и BO, рекомендуется использовать датчик силы с номинальным максимальным усилием 2500 Н. Что касается системы ножевых пружин, обе стальные ножевые пружины следует отсоединить, ослабив накидную гайку с помощью специальных ключей. Эти действия могут быть легко выполнены пользователем в течение нескольких минут. Испытания HBU и BO определены в следующих стандартах: ASTM D623 или ISO 4666/3, ISO 4666/4 и JIS K 6265. Размеры образца должны представлять собой цилиндр диаметром 17,8 мм и высотой 25 мм.
Помимо результатов обычных испытаний с использованием флексометра, таких как изменение температуры во времени и тепловой набор, испытания с использованием флексометра NETZSCH DMA 523 Eplexor® также позволяют получить представление о вязкоупругих свойствах - модуле сохранения (E'), модуле потерь (E'') и коэффициенте потерь (tan δ).
Ниже приведены типичные параметры для экспериментов HBU и BO.
- Испытания на нагрев
Для испытаний HBU стандарт ASTM D623ASTM D623 и ISO 4666-3/ISO 4666-4 рекомендует динамическую амплитуду 2,225 мм, 2,855 мм или 3,175 мм. В большинстве случаев выбирается вариант 2,225 мм. Статическое напряжение составляет 1 МПа. Измерения могут проводиться при комнатной температуре, 50°C или 100°C, причем последние два варианта рекомендуются стандартами. Точность установки флексометра подтверждается с помощью образца стирол-бутадиенового каучука (SBR) с известным составом, как указано в стандарте. Повышение температуры должно составлять 26,7°C ± 1,1°C после проведения испытания HBU при частоте 30 Гц в течение 25 минут при температуре окружающей среды 100°C. - Испытания на продувку
Испытания на продувку проводятся аналогично испытаниям HBU. Основное отличие заключается в приложении повышенной нагрузки к образцу. Вместо статического напряжения в 1 МПа в данном случае используется статическое напряжение в 2 МПа. Аналогично, амплитуда динамической деформации увеличивается до 3,125 мм. Соответственно, статическое напряжение увеличивается до 2 МПа, а частота остается неизменной по сравнению с испытаниями HBU.
Обратите внимание, что в зависимости от жесткости резинового материала может потребоваться отклонение от предложенных параметров измерений, указанных в стандарте. NETZSCH DMA 523 обеспечивает полную гибкость испытательных устройств DMA.
Поскольку статика контролируется по напряжению, требуется надежное измерение диаметра образца резины с помощью штангенциркуля. Параметры измерения вводятся в предварительно сконфигурированные файлы шаблонов. В случае испытания HBU пользователю необходимо настроить только самые важные параметры, такие как диаметр образца.
Тестирование на нагрев и продувку
Типичная процедура и диапазон возможностей испытаний с помощью флексометра NETZSCH DMA 523 Eplexor® проиллюстрированы на примере образца резины.
a. Проверка точности измерения температуры с помощью эталонных образцов SBR
Точность установки держателя образца Flexometer подтверждается с помощью эталонного образца SBR, как упоминалось ранее. Увеличение температуры показано на рисунке 3 для двух различных эталонных образцов SBR. Оба образца демонстрируют высокую степень воспроизводимости и находятся в пределах температурных допусков, установленных стандартом ASTM D623.
b. Испытания на нагрев и выдув образца мягкой резины
После проверки точности измерения температуры с помощью держателя образцов Flexometer образцы резины были первоначально оценены с параметрами измерения, установленными для испытаний HBU. Результаты приведены на рисунке 4.
Температура увеличивается на ~36°C через 25 минут. Кроме того, для всех трех исследуемых образцов наблюдаются две отдельные температурные области. Первая область простирается до линейного увеличения температуры со временем примерно через 10 мин. После этой области наклон температуры снова начинает увеличиваться, пока в конце концов не достигает плато к концу эксперимента HBU.
Интересно, что повышение температуры и увеличение тангенса δ происходят одновременно. Важно подчеркнуть, что коэффициент потерь скорее отражает вызванные температурой изменения в затухании всего объема образца. Повышение температуры измеряется только на верхней поверхности резиновых образцов.
Сначала Tan δ уменьшается по сравнению с начальным значением ~0,15 из-за повышения температуры внутри образца. Уменьшение коэффициента потерь указывает на более высокую степень упругого отклика на общую механическую работу, приложенную к образцу. Однако, достигнув минимума ~0,10 примерно через 5-6 минут, тангенс δ снова постепенно возрастает, пока не достигнет нового локального максимума 0,12 через 18-19 минут после измерения. По результатам проверки поперечного сечения образца, показанного на рисунке 5, можно предположить, что увеличение коэффициента потерь вызвано образованием полостей в центре образца. Снижение целостности образца позволяет увеличить изгиб, что приводит к очевидному увеличению коэффициента потерь. Однако этот эффект не является внутренним по отношению к материалу; он вызван образованием газовых пузырьков внутри образца.
Увеличение динамико-механической нагрузки приводит к более быстрому росту температуры с течением времени. Результаты этих испытаний БО показаны на рисунке 6. На этом рисунке температура увеличивается почти линейно с течением времени. Однако в конце испытаний БО скорость увеличения температуры замедляется, что в конечном итоге приводит к разрушению образцов резины в результате внезапного вспучивания. Самая высокая зарегистрированная температура поверхности перед разрушением составляет 54°C.
Временная эволюция тангенса δ имеет характеристики, сопоставимые с теми, что наблюдались при испытаниях HBU. В этом случае увеличение коэффициента потерь происходит на более коротких временных интервалах, поскольку большая механическая работа, приложенная к образцам, приводит к более раннему образованию полостей.
Дополнительную информацию можно получить с помощью вертикальной игольчатой термопары. Если эта функция активирована при измерении с помощью данного держателя образцов Flexometer (рис. 1c), она определяет одну температурную точку после измерения HBU.
Вертикальная игольчатая термопара автоматически вставляется в центр образца для измерения температуры после окончания измерения HBU. В случае с исследуемыми эластомерами температура повысилась в среднем на ~57°C по сравнению с ~36°C, обнаруженными на поверхности образцов.
c. Тест на повышение температуры на образце твердой резины
Если одной точки измерения недостаточно, можно вручную ввести горизонтальную игольчатую термопару в центр образца, как показано на рис. 1b. Результаты этой измерительной установки показаны на рисунке 7. Такая конфигурация позволяет наблюдать за температурой на протяжении всего измерения HBU.
Хорошо видно, что повышение температуры в центре образца (~68°C) значительно выше, чем на поверхности образца (~20°C). Таким образом, для точного измерения температуры, при которой происходит выдувание материала, необходимо установить горизонтальную игольчатую термопару. Однако ее использование сопряжено с определенным недостатком, который будет рассмотрен в Заключении. Также становится очевидным, что наклон tan δ (хотя и инвертированный) аналогичен наклону прироста температуры в центре образца. Это говорит о том, что температура поверхности недостаточна для описания изменений вязкоупругих свойств всего объема образца, что и обеспечивает tan δ.
Температура вертикальной игольчатой термопары, которая вставляется после завершения измерения HBU, хорошо согласуется с обнаруженной температурой в образце. Однако следует учитывать, что существует определенная задержка, в течение которой температура образца в центре снижается более чем на 10 °C.
Значимость термического набора во время экспериментов по наращиванию тепла
Прибор NETZSCH DMA 523 также позволяет одновременно измерять термический набор в течение всего эксперимента HBU. Это свойство позволяет сделать выводы о стабильности формы резинового материала при высоких динамических нагрузках. Например, накладки на гусеницы танков должны максимально сохранять свою первоначальную форму, чтобы гарантировать их функциональность. Тепловой набор измеряется на основе длины образца, определенной для первой точки измерения в начале динамического сегмента эксперимента HBU, т. е. после окончания сегмента времени замачивания.
На рисунке 8 показано изменение теплового набора и повышение температуры двух эталонных образцов SBR. В течение первых пяти минут доминирует расширение образца, так как температура образца по всему объему повышается быстрее всего в этот промежуток времени. Только когда рост температуры начинает замедляться, длина образца начинает уменьшаться. После того как образец расширился примерно на 1 % на 5-минутной отметке, это расширение компенсируется уменьшением длины образца, вызванным большими динамическими нагрузками, приложенными к образцу SBR.
Заключение
NETZSCH DMA 523 Eplexor® обеспечивает прямой доступ к флексометрическим испытаниям резиновых материалов и не только. Он собирает данные о температурной эволюции образцов эластомеров и их вязкоупругих свойствах, предоставляя всю необходимую информацию для разработки более прочных резиновых изделий, способных выдерживать большие нагрузки в процессе эксплуатации. Кроме того, стабильность формы образцов резины может быть измерена с помощью температурного набора, обнаруженного в ходе эксперимента HBU.
Однако выбор оборудования влечет за собой определенные преимущества и недостатки с точки зрения применения:
- Базовый держатель образца Flexometer предназначен для определения температуры верхней поверхности в течение всего времени испытаний HBU и BO. Хотя этого может быть достаточно для эластомеров с ярко выраженными свойствами термической деструкции, некоторые различные соединения могут не показать разницы в повышении температуры поверхности во время измерения.
- NETZSCH для получения дополнительной информации о внутренней поверхности эластомерных соединений существует два решения: С одной стороны, есть держатель образца Flexometer с вертикальной игольчатой термопарой, а с другой - горизонтальная игольчатая термопара, которая может использоваться с базовым держателем образца Flexometer в качестве дополнительного устройства.
- Первый вариант предназначен для определения только одной точки измерения температуры после завершения измерения HBU. В отличие от горизонтальной игольчатой термопары, вставляемой вручную, эта процедура выполняется автоматически. Эта функция снижает необходимость вмешательства пользователя между измерениями, повышая эффективность и согласованность.
- Горизонтальная игольчатая термопара позволяет измерять температуру в центре образца в течение всего времени измерения. Однако это дополнительное устройство требует ручной установки перед началом эксперимента. Предварительная установка термопары может ослабить структуру образца, создав трещину в материале. Это, в свою очередь, может повлиять на точность измеренных вязкоупругих свойств. Кроме того, это может потенциально повлиять на образование полостей в центре образца, так как развивающаяся газовая смесь имеет легкий путь для диффузии к поверхности вдоль иглы термопары. Основной целью измерений HBU или BO является исследование структурно нетронутого образца; данное дополнение должно использоваться исключительно как дополнительный ресурс для возможного моделирования процесса теплообразования, а не как замена традиционных экспериментов HBU и BO с нетронутыми образцами. Важно отметить, что трение между термопарой и образцом, а также роль термопары в отводе тепла от ядра образца к внешней поверхности являются влиятельными факторами при использовании данного дополнения.