Giriş
Günümüzde, Dinamik-Mekanik Termal Analiz (DMTA) yöntemi, kauçuk ve lastikler için malzeme araştırmasındaarch iyi bir şekilde kurulmuştur. Örneğin lastik endüstrisinde yeni bileşiklerin geliştirilmesi, uygulanan malzemelerin mekanik özellikleri hakkında ayrıntılı bilgi gerektirir. Bu, depolama modülü E', kayıp modülü E" ve kayıp faktörü tanδ'yı içeren visko-elastik malzeme verilerinin sıcaklığın, uyarma frekansının ve harici deformasyonun (örn. gerinim) bir fonksiyonu olarak belirlenmesini içerir.
Kıyı sertliği testi oldukça popülerdir. Ne yazık ki, kıyı testleri ile elde edilen visko-elastik özellikler hakkındaki bilgiler bazı önemli alanlarda eksiktir. Bileşiklerin sıcaklık ve frekans bağımlılığı ile ilgili veriler hiç mevcut değildir. Ayrıca, kıyı testi sırasında numunelere uygulanan deformasyon ölçülmemektedir.
Sadece DMTA incelemeleri istenen sonuçları verebilmektedir. Elastomer sistemlerin visko-elastik özellikleri (E', E", tanδ) harici olarak uygulanan deformasyona bağlı olduğundan, sıcaklık taramaları tüm uygulama sıcaklığı aralığı boyunca sabit gerinim genliklerinde gerçekleştirilmelidir.
Kauçuk bileşiklerinin camsı geçiş Tg'nin altındaki sıcaklıklarda yüksek sertliği nedeniyle, gerekli statik ve dinamik deformasyonları elde etmek için yüksek kuvvet seviyelerine ihtiyaç vardır.
Normalde, sıkıştırma testleri için, yüksekliği ve çapı 10 mm olan silindirik numuneler ("Roelig" numuneleri) kullanılır.
Camsı durumda tipik bir değer olan 3.000 MPa'lık bir E' modülü varsayıldığında, cihazın test kapasitesi, yaklaşık 2 μm'lik tespit edilebilir bir uzama oluşturmak için +/-50 N'lik bir dinamik kuvvet genliği gerektirir. Bu, classical laboratuvar DMA cihazları ile elde edilemez. Bu görevler için özellikle NETZSCH GABO Instruments tarafından üretilen Eplexor® 500 N uygundur (bkz. Şekil 1).
NETZSCH GABO Instruments'ın Eplexor® serisi gibi DMTA sistemleri, yüksek kuvvet seviyelerinin uygun genliklerini gerçekleştirmek için yüksek güçlü sürücülerle donatılmıştır.
Ancak kalite kontrolde (QC), zaman alan sıcaklık taramaları ekonomik nedenlerden dolayı elverişsizdir. QC testleri çok hızlı bir şekilde gerçekleştirilmelidir. Numune hazırlama da dahil olmak üzere bir QC testi en fazla 20 dakika içinde tamamlanmalıdır. Bu uygulama notu, sıcaklık taramalarının Tg'ye yakın olarak gerçekleştirilen frekans taramaları ile nasıl ikame edilebileceğini göstermektedir.
Butil Kauçuk (BR) ve SBR 1500'ün Sıcaklık Bağımlılığı
Tüm sıcaklık taramaları, -80°C ila 80°C sıcaklık aralığında ilk numune uzunluğuna (tüm numuneler için 10 mm) göre %4 gerinimlik bir statik deformasyonda gerçekleştirilir. Uygulanan dinamik gerinim genliği ± %0,2'dir; test frekansı 10 Hz'dir.
Şekil 2, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak dolgulu (50 phr karbon siyahı) ve dolgusuz BR'nin kompleks modülünü göstermektedir.
Karbon siyahı içeriği nedeniyle, dolgulu BR'nin modülü 0°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda saf BR'ninkinden yaklaşık 10 kat daha yüksektir.
Dolgulu ve dolgusuz BR sistemleri (Şekil 3) yaklaşık 50 K sıcaklık aralığını (tanδ pikinin yarı genişliği) kapsayan çok geniş bir camsı geçiş alanı sergilemektedir. Bununla birlikte, iki sistemin tanδ pik yükseklikleri birbirinden önemli ölçüde farklıdır (dolgulu: tanδ pik maksimum 0,75, dolgusuz: tanδ pik maksimum 1,3).
Şekil 4 ve 5, incelenen ikinci sistemin kompleks modülünü ve tanδ değerini göstermektedir. Yine, dolgulu ve dolgusuz bir sistem karakterize edilmiştir, ancak bu sefer SBR 1500 baz alınmıştır. Saf SBR, BR sisteminden çok daha dar bir camsı geçiş piki sergilemektedir. Daha önce olduğu gibi, dolgusuz SBR'nin kompleks modülünün [E*] mutlak değerleri Tg 'nin altında yaklaşık 3.000 MPa'dan Tg'nin üzerinde 5 MPa'dan daha az değerlere düşmektedir. Dolgulu sistemlerin [E*] değeri - Tg 'nin üzerindeki sıcaklıklarda - dolgusuz SBR 1500'ün iki katıdır.
Metin Ekleme
Doldurulmuş ve Doldurulmamış Kauçuk Sistemlerinde Gerçekleştirilen Frekans Taramaları
Şekil 6, iki butil kauçuk sisteminin frekans bağımlılığını göstermektedir. Dolgulu sistemin (BR - 23°C'de 50 phr) kompleks modülü (E*, mutlak değerler olarak gösterilir), dolgusuz BR'ninkinden (BR - 23°C'de dolgusuz) daha yüksek bir seviyeye kaymıştır. Ortam sıcaklığında, dolgulu (BR - 23°C'de 50 phr) ve dolgusuz (BR - 23°C'de dolgusuz) BR bileşiklerinin çizgi şekilleri çok benzerdir, bu da dolgulu ve dolgusuz kauçuklar için aynı frekans davranışını gösterir.
T = -20°C sıcaklıktaki camsı geçiş bölgesinde durum oldukça farklıdır. Dolgusuz BR, dolgulu sisteme göre artan frekansla birlikte [E*] eğrisinde çok daha yüksek bir eğim sergilemektedir.
Benzer sonuçlar dolgulu ve dolgusuz SBR 1500 sistemleri için de elde edilebilir (Şekil 7). Beklendiği gibi, dolgulu sistem (SBR 1500 - 23°C'de 50 phr) genellikle kompleks modül [E*] için dolgusuz sistemden (SBR 1500 - 23°C'de dolgusuz) daha yüksek değerler göstermektedir. İki eğrinin oda sıcaklığındaki eğimi çok farklı değildir. Yine, -20°C'de, large çizgi şeklinde farklılıklar tespit edilebilir, bu da daha önce tartışıldığı gibi E*'nin mutlak değerlerini analiz ederek farklı dolgu maddesi içerikleri arasında ayrım yapılmasına olanak tanır.
Özet
Large kauçuk numuneler (10 mm çapında) yalnızca NETZSCH GABO Instruments tarafından üretilen Eplexor® 500 N gibi yüksek güçlü DMA cihazları kullanılarak sıkıştırma modunda incelenebilir.
E*'nin karbon siyahı içeriğinin ne şekilde bir fonksiyonu olduğu sorusu, farklı sıcaklıklarda termal dengede gerçekleştirilen frekans taramaları ile cevaplanabilir. Zaman-sıcaklık veya frekans-sıcaklık süperpozisyonu ilkesi nedeniyle, sabit bir sıcaklık korunurken frekansın değiştirilmesi, sıcaklık taramasıyla aynı bilgiyi sağlayabilir.
Tipik olarak, bir frekans taraması yalnızca yaklaşık 5 dakika gerektirir, böylece test prosedürü yaklaşık 2 saat süren geleneksel sıcaklık taramalarına göre büyük ölçüde hızlanır.
Test sonuçları ayrıca Tg'ye yakın gerçekleştirilen frekans taramalarının, farklı karbon siyahı içeriğine sahip kauçuk malzemelerin oldukça hızlı bir analizle ayırt edilmesini sağladığını göstermektedir.