Inledning
Att förstå polymerers viskoelastiska egenskaper är avgörande för deras användning inom många tillämpningsområden, däribland sportartiklar. Högpresterande polymerer och polymerkompositer har revolutionerat sportbranschen genom att förse användarna med slitstark, bekväm, precis och hållbar utrustning [1]). Polymerer och polymerkompositer utgör grunden för en aktiv dag: de ingår i golvmaterialet som används i idrottsanläggningar både inomhus och utomhus, i skosulor, i nätens väv, i strängarna på racketar osv. Att kunna utvärdera dessa materials termiska egenskaper och fysiska prestanda är avgörande för deras konstruktion, tillverkning och slutliga användning.
Dynamisk mekanisk analys (DMA) används främst för att analysera de viskoelastiska egenskaperna hos polymermaterial, men används även för att mäta metaller och keramik eller för att simulera specifika mekaniska förhållanden. NETZSCH s DMA 303 Eplexor® är en mångsidig bordsmodell som kan mäta inom ett temperaturintervall från -170 °C till 800 °C (-274 °F till 1472 °F) och applicera krafter från 1 mN till 50 N, och arbetar vid frekvenser mellan 0,001 och 150 Hz. I denna studie testades tre olika högpresterande badmintonsträngar med hjälp av dynamisk mekanisk analys (DMA). Den moderna konstruktionen av badmintonsträngar består av flera material, lager och beläggningar [2]. Alla tre testade proverna har samma grundstruktur: en multifilamentkärna av nylon omgiven av flätade nylonfibrer. Prov 1 har en titanhydridbeläggning medan proverna 2 och 3 har en beläggning av sammansatta cup-stack-kolnanorör. Ur prestandasynpunkt graderar tillverkaren de olika strängarna, vilket sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Tillverkarens angivna egenskaper för de tre badmintonsträngarna.
| Variabel | Prov 1 (Betyg på en skala från 1 till 10) | Prov 2 (Betyg på en skala från 1 till 10) | Prov 3 (Betyg på en skala från 1 till 10) |
|---|---|---|---|
| Avstötningskraft | 7 | 8 | 9 |
| Hållbarhet | 7 | 10 | 7 |
| Slagljud | 7 | 7 | 8 |
| Stötdämpning | 6 | 6 | 8 |
| Styrning | 6 | 6 | 10 |
Det primära syftet med denna studie är att koppla de viskoelastiska egenskaperna, uppmätta med DMA, till de prestandakriterier som tillverkaren redovisar i tabell 1. Lagringsmodulen (E’) beskriver materialets förmåga att lagra och avge energi (likt en fjäder), vilket kan kopplas direkt till den angivna repulsionskraften. Förlustmodulen (E”) beskriver materialets energiförlust (vanligtvis genom inre friktion), och slutligen är dämpningsfaktorn (tan δ) förhållandet mellan E” och E’ (vilket beskriver i vilken utsträckning ett material dämpar en pålagd kraft). Därför är både anslagsljud och stötdämpning direkt kopplade till egenskaperna hos E” och tan δ. Dessutom kan parametrar som hållbarhet undersökas genom provning som en funktion av ökande kraft snarare än temperatur.
DMA-testning av viskoelastiska egenskaper och tillämpningssimulering
För att bestämma de viskoelastiska egenskaperna hos de tre badmintonsträngarna utfördes ett standardtemperaturförlopp på varje prov under dragspänning (visuell framställning i figur 1) med hjälp av DMA 303 Eplexor® från NETZSCH i temperaturintervallet -150 till 150 °C.
Tabell 2 sammanfattar de olika övergångsområdena för varje prov. Den viskoelastiska profilen för prov 1 som en funktion av temperaturen visas i figur 2, för prov 2 i figur 3 och för prov 3 i figur 4. Alla prover mättes under dragprovning. Av figurerna 2 till 4 framgår att både prov 2 och 3 har mycket likartade profiler och övergångszoner, till skillnad från prov 1 (som har en annan beläggning) som skiljer sig avsevärt. Nylon är en alifatisk polyamid som vanligtvis klassificeras efter numeriska beteckningar (6, 66, 11, 12), vilka alla har en glasövergång som inträffar mellan 40 och 95 °C. Det är därför mycket intressant att beakta de andra övergångarna som observeras vid temperaturer under omgivningstemperaturen.
Tabell 2: Termiska övergångar för proverna 1, 2 och 3, angivna för E’, E” och tan δ. Alla prover mättes under dragspänning med en dynamisk deformation på 10 μm, en proportionalitetsfaktor på 1,3 och en uppvärmningshastighet på 2 ºC/min.
| Övergång | E’ början | E” Topp | tan δ |
|---|---|---|---|
Prov 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1ß6 |
Prov 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Prov 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Med utgångspunkt i figurerna 2 till 4 är det också viktigt att beakta temperaturens inverkan på strängarnas viskoelastiska egenskaper. Badminton är vanligtvis en inomhussport, men hur är det då med att spela utomhus?
Figur 5 visar temperaturprofilen för prov 1 från 0 till 50 °C. En sval höstdag vid 4 °C skulle strängarna vara 2,3 gånger styvare än vid rumstemperatur (25 °C) eller 3,0 gånger styvare än en varm sommardag vid 35 °C. Dämpningsfaktorn följer dock inte exakt samma trend, utan är endast 1,1 gånger högre vid 4 °C jämfört med 25 °C och 1,3 gånger högre vid 4 °C jämfört med 35 °C. Därför skulle, även om strängarna vore styvare och visade mindre eftergivenhet vid träff av fjäderbollen, den mängd energi som absorberas av strängarna – och som inte överförs till träffen – förbli ungefär densamma.
En viktig aspekt av dessa tester är att förstå hur badmintonsträngarna skulle uppföra sig vid den avsedda användningen. Därför testades samma tre prover i en trepunktsböjning för att undersöka deras böjningsegenskaper (böjningsavstånd på 20 mm för att analysera en avgränsad del av racketens totala strängmönster), vilket simulerar hur de skulle bete sig när de är uppspända på racketen och används för att slå till fjäderbollen. Testuppställningen, där strängen är spänd i böjning, visas i figur 6.
För att testa prestandan vid trepunktsböjning genomfördes två olika belastningsförlopp vid rumstemperatur för att mäta egenskaperna. Figur 7 visar effekten av ökande dynamisk deformation (som hölls under 0,7 N).
Figur 8 visar förändringen i provens längd som en funktion av den ökande kraften.
Av figur 7 framgår att det vid rumstemperatur finns en tydlig skillnad i de mekaniska egenskaperna hos de tre strängarna. Vid en illustrativ amplitud på 50 μm har prov 1 de lägsta modulvärdena (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), prov 2 har de högsta (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), och prov 3 ligger däremellan (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Med tanke på att dämpningsfaktorn är förhållandet mellan förlustmodulen och lagringsmodulen innebär detta att prov 1 har de högsta dämpningsegenskaperna (0,14), följt av prov 3 (0,09) och prov 2 (0,09). Dessa värden stämmer inte direkt överens med de som tillverkaren redovisar i tabell 1, men det är mycket viktigt att beakta hur alla tre viskoelastiska parametrarna påverkar prestandan och hur viktig den temperatur vid vilken de testades är, vilket framgår av figur 5.
Slutligen kan man i figur 8 observera förändringen i provlängd när den dynamiska kraften ökar. Detta är en viktig faktor för att bedöma hur stor kraft ett enskilt strängelement kan tåla utan betydande deformation. Prov 3 uppvisar den största deformationen, vilket tyder på att det sannolikt är det minst hållbara av de tre på grund av sin benägenhet att deformeras (detta resultat stämmer överens med tabell 1). Det är viktigt att notera att dessa prov, som belastades i trepunktsböjning, sträcktes ut för hand, vilket kan öka variationen mellan de absoluta mätningarna.
Sammanfattning
Utvecklingen av högpresterande polymerer och polymerkompositer har revolutionerat sportartikelsbranschen. I detta dokument visar vi hur NETZSCH DMA 303 Eplexor® kan användas för att utvärdera, jämföra och simulera prestandan hos tre olika badmintonsträngar utifrån en rad olika parametrar. Temperaturförlopp genomfördes för att bestämma övergångstemperaturerna för de tre proverna samt för att utvärdera deras prestanda vid olika temperaturer som de kan utsättas för utomhus. Belastningsförlopp utfördes för att utvärdera strängarnas mekaniska egenskaper vid rumstemperatur och även för att förstå hur de beter sig vid en pålagd belastning i den riktning som strängarna träffar en fjäderboll.