Inledning
Tack vare sin låga TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet har skum ett stort antal användningsområden. Mjuka skum används t.ex. som dämpningsmaterial, för akustisk dämpning eller som skallskydd. Styva skumplastmaterial används framför allt som isoleringsmaterial, i skosulor eller som fyllnadsmaterial i kompositstrukturer. När fokus ligger på värmeisoleringseffekten eller materialets motståndskraft under olika miljöförhållanden används vanligtvis skum med slutna celler. Speciellt mjuka skum är å andra sidan vanligtvis öppna celler, vilket gör att gasen kan komma ut ur de enskilda cellerna och därmed gör att skummet kan genomgå större elastisk kompression.
Generellt sett är många polymerer lämpliga som utgångsmaterial för skum. Expanderade polystyren- eller polyuretanbaserade (PUR-) skum används i särskilt stor utsträckning. Beroende på hur de tillverkas kan olika PUR-skum ha mycket olika egenskaper. Skummens TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och tvärbindningsgrad varierar kraftigt beroende på mängden blåsmedel (vatten), tillsats av ytterligare tillsatser och även utgångsmaterialens kedjelängd, vilket möjliggör ett brett spektrum från mjuka till mycket styva skum.
För bestämning av mekaniska egenskaper är provning med classic universella dragprovare väletablerad. Förutom det statiska deformationsbeteendet är ofta även skummets dämpning av central betydelse för applikationen. Här kan DMA ge ett värdefullt bidrag genom att registrera hela det viskoelastiska beteendet hos skummet. I detta bidrag undersöks ett mjukt PUR-skum med öppna hål som ett exempel.
Statisk provning
Vid statisk (kvasistatisk) provning med High Force DMA Gabo Eplexor® 500 N appliceras en långsamt varierande belastning som i en universaltestare och de resulterande krafterna och deformationerna mäts. I enlighet med vanliga installationssituationer för skum utförs mätningen vanligtvis i kompressionsläge.
Figur 1 visar det obelastade provet till vänster och det komprimerade provet till höger, i Eplexor®. Det kan noteras att endast en relativt small tvärgående töjning förekommer och man kan här anta ett helt komprimerbart material i en första approximation.
Först registreras de statiska spännings-töjningskurvorna. För att utesluta engångseffekter belastas och avlastas skumprovet normalt två gånger, varvid endast den andra belastningscykeln visas i figur 2.
Detta visar en tredelad spännings-töjningskurva, typisk för mjuka elastiska skum; jämför t.ex. med (Keller, 2019). Under relativt small påfrestningar deformeras cellerna endast i liten utsträckning och materialet beter sig på ett ungefär linjärelastiskt sätt. Med ökande påfrestning kollapsar cellerna i skummet med öppna celler. Eftersom luft måste ta sig ut ur cellerna i denna process är resultaten en funktion av deformationshastigheten. I denna platåregion ökar den spänning som krävs för deformation endast långsamt. Vid mycket höga töjningsnivåer (här från ca 50%) komprimeras de celler som redan har kollapsat ytterligare och spänningen ökar återigen kraftigare. Vid den efterföljande avlastningen är de nödvändiga spänningarna bara något lägre på grund av den energiförlust som skett under tiden, och en typisk hysteres uppstår.
Enligt ISO 3386 bestäms kompressionshårdheten som den nödvändiga spänningen under en ökande töjning på 40%; här uppgår kompressionshårdheten till σd 40 = 0,12 MPa. Hysteresområdet möjliggör en grov uppskattning av materialdämpningen. PUR-skummens dämpningsförmåga varierar avsevärt.
Figur 3 visar schematiskt olika hysteresskurvor. Enligt deras dämpningsbeteende kan PUR-skummet klassificeras i medium dämpande (typ A), starkt dämpande (typ B) eller svagt dämpande (typ C). Följaktligen kan det undersökta provet kategoriseras som mer typ C.
Som ett alternativ till den fullytelastning som används här utförs ofta penetrationstester på skum. I detta fall pressas en mindre kropp in i provet istället för den övre stången. Den kraft som krävs för detta kallas indragningshårdhet.
Dynamisk testning
Vid en statisk svepning av DMA appliceras en statisk belastning i varje steg och sedan utförs ett dynamiskt svängningsexperiment i detta tillstånd. På så sätt kan Youngs modul mätas direkt vid denna punkt och därmed kan även dämpningen bestämmas lokalt.
Skumprovet sträcks återigen statiskt i steg upp till 70%. I figur 4 kan man se samma beteende som i de statiska testerna: För small töjningar beter sig provet ungefär linjärt, men utvecklar sedan en degressiv fjäderkaraktäristik med ökande töjning. Den slutliga kompressionen kännetecknas då återigen av en fjäderstyvhet som ökar med den statiska töjningen och därför kan betecknas som progressiv fjäderstyvhet.
Med hjälp av DMA kan en Young's modul mätas vid varje punkt på grund av dynamisk oscillation. Som förväntat sjunker modulen initialt i området small töjningar, är sedan relativt konstant och ökar slutligen igen med ökande kompression. Den modul som mäts med hjälp av DMA beter sig alltså exakt likadant som tangentmodulen efter utvärdering av ett statiskt test.
Med mekanisk provningsutrustning mäts inte ett provs Young's modul direkt, utan först bestäms en styvhetskombination baserat på de mätbara krafterna och deformationerna. Beroende på provets geometri och materialmodellen beräknas sedan Youngs modul. Eftersom skummet till stor del är kompressibelt förändras inte tvärsnittsarean nämnvärt under deformationen. Följaktligen kan den spänning som verkar på provet beräknas; detta uttrycks alltid som:
σ = F/A0
Här är F kraften ochA0 det nominella initiala tvärsnittet.
Eftersom provets längd ändras avsevärt bör den dynamiska töjningen alltid relateras till provets aktuella längd, dvs,
ε = ΔL/Lm
med deformationen ΔL och den aktuella provlängden Lm. Detta ger geometrifaktorn för beräkning av modulen som Lm /A0.
Denna faktor är generellt giltig för kompressibla material och kan väljas direkt i programvaran Eplexor®.
Vid statisk provning är det möjligt att karakterisera skumplastens dämpningsbeteende baserat på hysteresen för hela deformationen. DMA möjliggör en mer exakt karakterisering eftersom den lokala dämpningen kan bestämmas för varje statisk belastning. Det framgår tydligt att skummet endast har låg dämpningskapacitet i intervallet small deformationer. Dämpningen (här tan δ) förblir relativt konstant i platåområdet för att sedan öka igen i kompressionsområdet. DMA möjliggör således en korrekt bestämning av dämpningsförmågan i belastat tillstånd.
Det olinjära materialbeteendet är helt analogt när man ökar amplituden för den dynamiska vibrationssvängningen. Figur 5 visar motsvarande hysteres för en dynamisk svängningscykel (med 10% dynamisk töjningsamplitud) vid olika statiska töjningsnivåer. Youngs modul är återigen resultatet av lutningen i spännings-töjningsdiagrammet. Man kan se att styvheten först minskar i intervallet small statiska töjningar (degressiv styvhet) och sedan ökar igen under large töjningar (progressiv styvhet). Vid large dynamiska amplituder är detta beteende också tydligt i deformationen av hysteresen. Ökningen av dämpningen med statisk förspänning kan också märkas i large området av hysteresen.
Temperaturbeteende
Förutom mätning av det mekaniska, icke-linjära materialbeteendet möjliggör DMA Gabo Eplexor® i synnerhet även termomekanisk analys. De analyser som tidigare utförts är därmed också möjliga vid förhöjda temperaturer eller temperaturer under fryspunkten. Termisk karakterisering utförs oftast inom det linjära området på small amplituder. På grund av den starka isolerande effekten hos skummet valdes en låg uppvärmningshastighet på 2 K/min.
Förutom det direkta temperaturbeteendet är materialegenskaper vid frekvenser som inte är direkt åtkomliga för mätning ofta av intresse. Detta gäller t.ex. vid användning av skum för akustisk dämpning. Här kan tid-temperatur-superpositionsmetoden användas för att generera masterkurvor. Detta gör det också möjligt att dra slutsatser om materialets beteende vid mycket högre frekvenser.
Sammanfattning
DMA Gabo Eplexor® 500 N erbjuder tillräckliga kraftreserver för att mäta skum i meningsfulla storlekar så att det icke-linjära och tidsberoende mekaniska beteendet kan karakteriseras. Förutom information från spännings-töjningsdiagrammet kan DMA också användas för att bestämma styvhet och dämpning i komprimerat tillstånd. Med DMA kan dessutom temperaturbeteendet och, med hjälp av masterkurvetekniken, även Young's modul vid höga frekvenser bestämmas med bara ett instrument. Detta möjliggör karakterisering av skum för en mängd olika applikationsscenarier.