Inledning
Idag är metoden Dynamic-Mechanical Thermal Analysis (DMTA) väl etablerad inom materialforskning för gummi och däck. Utvecklingen av nya blandningar, t.ex. inom däckindustrin, kräver detaljerad information om de mekaniska egenskaperna hos de material som används. Detta inkluderar bestämning av viskoelastiska materialdata som innehåller lagringsmodulen E', förlustmodulen E" och förlustfaktorn tanδ, som funktion av temperatur, excitationsfrekvens och extern deformation (t.ex. töjning).
Ganska populärt är shore-hårdhetstestet. Tyvärr saknas information om de viskoelastiska egenskaper som erhålls genom shore-test inom vissa viktiga områden. Data om temperatur- och frekvensberoende hos föreningarna är inte alls tillgängliga. Dessutom mäts inte den deformation som proverna utsätts för under strandtestet.
Endast DMTA-undersökningar kan ge de önskade resultaten. Eftersom de viskoelastiska egenskaperna (E', E", tanδ) hos elastomersystem beror på den externt tillförda deformationen, måste temperatursvepningar utföras med konstanta töjningsamplituder över hela applikationstemperaturområdet.
På grund av den höga styvheten hos gummiblandningar vid temperaturer under glasövergångstemperaturen Tg, krävs höga kraftnivåer för att erhålla de erforderliga statiska och dynamiska deformationerna.
Normalt används cylindriska prover ("Roelig"-prover) med en höjd och diameter på 10 mm för kompressionstester.
Om man antar en E'-modul på 3.000 MPa, ett typiskt värde i glasartat tillstånd, kräver instrumentets testkapacitet en dynamisk kraftamplitud på +/-50 N för att generera en detekterbar töjning på ca 2 μm. Detta kan inte uppnås med klassiska laboratorie-DMA-instrument. Särskilt väl lämpad för dessa uppgifter är Eplexor® 500 N från NETZSCH GABO Instruments (se figur 1).
DMTA-system som Eplexor® -serien från NETZSCH GABO Instruments är utrustade med högeffektiva drivenheter för att realisera lämpliga amplituder med höga kraftnivåer.
Vid kvalitetskontroll (QC) är dock tidskrävande temperatursvepningar olämpliga av ekonomiska skäl. QC-tester bör utföras mycket snabbt. Ett QC-test, inklusive provberedning, bör vara klart på högst 20 minuter. Denna applikationsnot illustrerar hur temperatursvepningar kan ersättas med frekvenssvepningar, som utförs nära Tg.
Temperaturberoende för butylgummi (BR) och SBR 1500
Alla temperatursvep utförs med en statisk deformation på 4% töjning i förhållande till den ursprungliga provlängden (10 mm för alla prover) inom ett temperaturområde på -80°C till 80°C. Den applicerade dynamiska töjningsamplituden är ± 0,2%; testfrekvensen är 10 Hz.
Figur 2 visar komplexmodulen för en fylld (50 phr kimrök) och en ofylld BR som en funktion av temperaturen.
På grund av kimröksinnehållet är modulen för den fyllda BR ca 10 gånger högre än för den rena BR vid temperaturer över 0°C.
De fyllda och ofyllda BR-systemen (figur 3) uppvisar ett mycket brett glasövergångsområde som täcker ett temperaturintervall på ca 50 K (halva bredden av tanδ-toppen). De två systemens tanδ-topphöjder skiljer sig dock avsevärt från varandra (fyllda: tanδ-toppens maxvärde är 0,75, ofyllda: tanδ-toppens maxvärde är 1,3).
Figurerna 4 och 5 visar den komplexa modulen och tanδ för det andra undersökta systemet. Även här karakteriserades ett fyllt och ett ofyllt system, men den här gången baserat på SBR 1500. Den rena SBR uppvisar en mycket smalare glasövergångstopp än BR-systemet. Halvbredden för denna glasövergång var endast 20 K. Liksom tidigare sjunker de absoluta värdena för den komplexa modulen [E*] för den ofyllda SBR från nästan 3 000 MPa under Tg till värden mindre än 5 MPa över Tg. Vid temperaturer över Tg är [E*] för de fyllda systemen dubbelt så hög som för den ofyllda SBR 1500.
Infoga text
Frekvenssvepningar utförda på fyllda och ofyllda gummisystem
Figur 6 visar frekvensberoendet för de två butylgummisystemen. Den komplexa modulen (E*, visas som absoluta värden) för det fyllda systemet (BR - 50 phr vid 23°C) flyttas helt enkelt till en högre nivå än den för det ofyllda BR (BR - ofyllt vid 23°C). Vid omgivningstemperatur är linjeformerna för de fyllda (BR - 50 phr vid 23°C) och ofyllda (BR - ofylld vid 23°C) BR-föreningarna mycket lika, vilket indikerar samma frekvensbeteende för de fyllda och ofyllda gummierna.
Inom glasövergångsområdet vid en temperatur på T = -20°C är situationen helt annorlunda. Det ofyllda BR-systemet uppvisar en mycket högre lutning på [E*]-kurvan med ökande frekvens än det fyllda systemet.
Liknande resultat kan erhållas för de fyllda och ofyllda SBR 1500-systemen (figur 7). Som väntat uppvisar det fyllda systemet (SBR 1500 - 50 phr vid 23°C) generellt högre värden för komplexmodulen [E*] än det ofyllda (SBR 1500 - ofyllt vid 23°C). Lutningen på de två kurvorna vid rumstemperatur skiljer sig inte mycket åt. Återigen, vid -20°C, kan large skillnader i linjeformen upptäckas, vilket gör att man kan skilja mellan olika fyllnadsinnehåll genom att analysera de absoluta värdena för E* som diskuterats tidigare.
Sammanfattning
Large gummiprover (med en diameter på 10 mm) kan endast undersökas i kompressionsläge med hjälp av DMA-instrument med hög kraft, t.ex. Eplexor® 500 N från NETZSCH GABO Instruments.
Frågan om på vilket sätt E* är en funktion av kimröksinnehållet kan besvaras med frekvenssvepningar som utförs i termisk jämvikt vid olika temperaturer. På grund av principen om superposition av tid och temperatur eller frekvens och temperatur kan frekvensvariationer vid konstant temperatur ge samma information som en temperatursvepning.
En frekvenssvepning tar normalt bara ca 5 minuter, vilket innebär att testproceduren blir betydligt snabbare än vid konventionella temperatursvepningar, som tar ca 2 timmar.
Testresultaten visar också att frekvenssvepningar som utförs nära Tg gör det möjligt att skilja gummimaterial med olika kimröksinnehåll åt genom en ganska snabb analys.