Inledning
Dynamiska värmeutvecklingstester ger en bättre förståelse för elastomers termiska egenskaper. Sådana tester utförs med en konstant belastning, en frekvens på 30 Hz och deformationsamplituder på flera mm (enligt DIN 53 533 och ASTM D623-99). Dessa testförhållanden resulterar i inre friktion, som i sin tur orsakar energiavledning och därmed en ökning av provtemperaturen. Dessutom genomgår provet deformation (termisk sättning). Värmeutvecklingsprov är relevanta för däck/gummi som utsätts för hög tryckspänning under drift. Den utrustning som är kvalificerad för att utföra sådana experiment är GABOMETER®, som representerar ett modifierat Eplexor® -system. Den fungerar som en mer universell flexometer eftersom den erbjuder alla funktioner hos den klassiska Goodrich Flexometer och dessutom förvärvar mekaniska materialdata såsom E-modul och dämpning (tanδ ).
A) Repeterbarhet av mätresultat
Eftersom eventuella skillnader i materialets sammansättning mellan olika provbatcher måste kunna urskiljas mellan olika provbatcher, är det viktigt med hög repeterbarhet i flexometertestresultaten. Figur 1 visar repeterbarhetstestet för GABOMETER® -system på två prover från samma parti.
Här testades två provkroppar (samma batch - cylindriska prover för tryckbelastning) oberoende av varandra, men under identiska belastningsförhållanden. Värmeuppbyggnaden resulterar i olika temperaturer, t.ex. i mitten jämfört med på ytan. För temperaturmätning i mitten av provet används ett nålformat termoelement (se figur 3).
Mätningen av yttemperaturen utförs på provets övre yta via ett termoelement som är inbäddat i den termiskt isolerade övre värmeuppbyggnadshållaren. Mätningen av tanδ (materialdämpning) uppvisar också utmärkt repeterbarhet.
B) Fördelar med att använda en extra temperatursensor (nåltermoelement)
Idag utförs värmeutvecklingstester vanligen med Goodrichs flexometrar. Konventionella flexometrar lider dock av problem med upplösning och reproducerbarhet. Den modulära designen hos Eplexor® inkluderar konfigurationer för att utföra värmeuppbyggnadstester. GABOMETER® är en av de mest ekonomiska lösningarna för sådana HBU-tester. Det extra nålformade termoelementet för mätning av temperaturen i provets mitt tillför väsentlig information till experimentet som annars skulle förbli dold.
Mätning av yttemperaturen krävs enligt ASTM D623, men enbart detta gör det inte alltid möjligt att se en skillnad mellan två prover när det gäller stigande temperatur som en funktion av tiden (se figur 2 - yttemperatur). Det är den extra temperatursensorn av nåltyp som avslöjar temperaturen i provets kärna mer exakt. Temperaturen i centrum är den som påverkas minst av energiförluster över de yttre ytorna. Den är därför också mer känslig för att avslöja temperaturskillnader som orsakas av värmeuppbyggnadseffekten. Skillnader i energiavledning mellan prov A och B resulterar i temperaturskillnader som är mest uttalade i kärnan. Det är mätningen av kärntemperaturen som gör det möjligt att skilja mellan föreningarna A och B, vilket visas i exemplet (figur 2).
Men vad är orsaken till denna skillnad?
Grundföreningarna i prov A och B är identiska, men de skiljer sig åt när det gäller vilken typ av kimrök de innehåller. Kimröken i prov A har en högre Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga och orsakar högre värmeförluster till ytan. Detta leder till att kärntemperaturen i fall A sjunker mer än i fall B med lägre ledningsförmåga. Kärntemperaturen sänks och gummiblandningens livslängd förbättras genom att värmeavledningen minskar.
C) Fördelar med inspelning av tanδ
I figur 4 visas ett annat exempel på ett test av värmeutveckling. För detta test jämfördes de mycket olika föreningarna A och C. Prov A uppvisar en värmeutveckling som är ca 20°C högre än motsvarande temperatur för prov C.
Följaktligen är polymerernas dämpningsegenskaper (tanδ) också helt olika. Förening C uppvisar en mycket lägre mekanisk dämpning än förening A. Material C kan bättre följa dynamiska deformationer än material A på grund av dess lägre mekaniska dämpningsförluster (tanδ).
Slutsats
Systemen Eplexor® 2000 N eller 4000 N, liksom de universella flexometrarna GABOMETER® 2000 N och 4000 N, kan ersätta den klassiska Goodrich Flexometern i tester och ger användaren ytterligare fördelar. Det valfria nåltermoelementet för mätning av kärntemperaturen förbättrar avsevärt systemets känslighet för att upptäcka värmeuppbyggnadseffekten och kan ge en förbättrad bild av materialets egenskaper. Material som annars inte går att skilja från varandra när det gäller värmeuppbyggnadseffekten kan på ett tillförlitligt sätt särskiljas med hjälp av nålen.
Däremot får man mycket mindre information om man bara använder yttemperaturen enligt ASTM D623.
Tack vare sin modulära design kan GABOMETER® -systemen uppgraderas så att de kan användas för att bestämma viskoelastiska materialegenskaper eller för att få full DMTA-funktionalitet. Sådana eftermonteringar kan utföras när som helst efter installationen, om behov uppstår.