Giriş
Düşük yoğunlukları nedeniyle köpükler geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Yumuşak köpükler örneğin yastıklama malzemesi olarak, akustik sönümleme için veya çıngırak koruması olarak kullanılır. Özellikle sert köpükler yalıtım malzemesi olarak, ayakkabı tabanlarında veya kompozit yapılarda dolgu katmanı gibi uygulamalarda kullanılır. Odak noktası ısı yalıtım etkisi veya çeşitli çevresel koşullar altında malzeme direnci olduğunda, genellikle kapalı hücreli köpükler kullanılır. Öte yandan, özellikle yumuşak köpükler genellikle açık hücrelidir, gazın tek tek hücrelerden çıkmasını sağlar ve böylece köpüğün daha fazla elastik sıkıştırmaya maruz kalmasına izin verir.
Genel olarak, birçok polimer köpükler için başlangıç malzemesi olarak uygundur. Genişletilmiş polistiren veya poliüretan (PUR) bazlı köpükler özellikle yaygın olarak kullanılmaktadır. Üretimlerine bağlı olarak, çeşitli PUR köpükleri çok farklı özellikler sergileyebilir. Köpüklerin yoğunluğu ve çapraz bağlanma derecesi, şişirme maddesi (su) miktarına, başka katkı maddelerinin eklenmesine ve ayrıca başlangıç malzemelerinin zincir uzunluğuna bağlı olarak büyük ölçüde değişir, böylece yumuşaktan çok sert köpüklere kadar geniş bir yelpazeye izin verir.
Mekanik özelliklerin belirlenmesi için, classic üniversal çekme test cihazları ile yapılan testler iyi bir şekilde oluşturulmuştur. Statik deformasyon davranışının yanı sıra, köpüğün sönümlenmesi de uygulama için sıklıkla merkezi bir öneme sahiptir. Burada DMA, köpüklerin tüm visko-elastik davranışını kaydederek değerli bir katkı sağlayabilir. Bu katkı kapsamında yumuşak, açık gözenekli bir PUR köpüğü örnek olarak incelenmiştir.
Statik Test
Yüksek Kuvvetli DMA GABO Eplexor® 500 N ile statik (yarı statik) test sırasında, üniversal bir test cihazında olduğu gibi yavaşça değişen bir yük uygulanır ve ortaya çıkan kuvvetler ve deformasyonlar ölçülür. Köpükler için yaygın kurulum durumlarına göre, ölçüm genellikle sıkıştırma modunda gerçekleştirilir.
Şekil 1, solda yüksüz numuneyi ve sağda sıkıştırılmış numuneyi göstermektedir, Eplexor®. Sadece nispeten small enine bir gerilmenin meydana geldiği fark edilebilir ve burada bir başlangıç yaklaşımında tamamen sıkıştırılabilir bir malzeme varsayılabilir.
İlk olarak, statik gerilme-gerinim eğrileri kaydedilir. Tek seferlik etkileri hariç tutmak için köpük numunesi tipik olarak iki kez yüklenir ve boşaltılır, bu nedenle şekil 2'de yalnızca ikinci yükleme döngüsü gösterilmektedir.
Bu, yumuşak elastik köpükler için tipik olan üçlü bir gerilme-gerinim eğrisini göstermektedir; örneğin, (Keller, 2019) ile karşılaştırın. Nispeten small suşlar altında, hücreler sadece hafifçe deforme olur ve malzeme yaklaşık olarak doğrusal-elastik bir şekilde davranır. Artan gerilme ile açık hücreli köpüğün hücreleri çöker. Bu süreçte havanın hücrelerden kaçması gerektiğinden, sonuçlar deformasyon oranının bir fonksiyonudur. Bu plato bölgesinde, deformasyon için gereken gerilim sadece yavaşça artar. Çok yüksek gerilme seviyelerinde (burada yaklaşık %50'den itibaren), halihazırda çökmüş olan hücreler daha da sıkıştırılır ve gerilme tekrar daha keskin bir şekilde artar. Sonraki boşaltma sırasında, bu sırada meydana gelen enerji kaybı nedeniyle gerekli gerilmeler sadece biraz daha düşüktür ve tipik bir histerezis meydana gelir.
ISO 3386'ya göre, sıkıştırma sertliği %40'lık artan bir gerilme altında gerekli gerilme olarak belirlenir; burada sıkıştırma sertliği σd 40 = 0,12 MPa'dır. Histerezis alanı, malzeme sönümlemesinin kabaca tahmin edilmesini sağlar. PUR köpüklerinin sönümleme kapasitesi önemli ölçüde değişmektedir.
Şekil 3 şematik olarak farklı histerezis eğrilerini göstermektedir. Sönümleme davranışlarına göre, PUR köpükleri medium sönümleme (tip A), güçlü sönümleme (tip B) veya zayıf sönümleme (tip C) olarak sınıflandırılabilir. Buna göre, incelenen numune daha çok C tipi olarak kategorize edilebilir.
Burada kullanılan tam yüzey yüklemesine alternatif olarak, köpükler üzerinde sıklıkla penetrasyon testleri gerçekleştirilmektedir. Bu durumda, üst çubuk yerine numuneye daha küçük bir gövde bastırılır. Bunun için gereken kuvvete girinti sertliği denir.
Dinamik Test
DMA'nın statik taramasında, her adımda statik bir yük uygulanır ve ardından bu durumda dinamik bir salınım deneyi gerçekleştirilir. Bu şekilde Young modülü doğrudan bu noktada ölçülebilir ve böylece sönümleme de yerel olarak belirlenebilir.
Köpük numunesi yine %70'e varan adımlarla statik olarak gerilir. Şekil 4'te, statik testlerde olduğu gibi aynı davranış görülebilir: small suşları için, numune yaklaşık olarak doğrusal davranır, ancak daha sonra artan suş ile degressif bir yay karakteristiği geliştirir. Nihai sıkıştırma daha sonra yine statik gerilme ile artan bir yay sertliği ile karakterize edilir ve bu nedenle aşamalı yay sertliği olarak karakterize edilebilir.
DMA aracılığıyla, dinamik salınım nedeniyle her noktada bir Young modülü ölçülebilir. Beklendiği gibi, modül başlangıçta small suşları bölgesinde düşer, daha sonra nispeten sabittir ve son olarak artan sıkıştırma ile tekrar artar. Dolayısıyla DMA ile ölçülen modül, statik bir testin değerlendirilmesinden sonra tanjant modülü ile tam olarak aynı şekilde davranır.
Mekanik test ekipmanı ile, bir numunenin Young modülü doğrudan ölçülmez, ancak ölçülebilir kuvvetlere ve deformasyonlara dayanarak önce bir sertlik com belirlenir. Numunenin geometrisine ve malzeme modeline bağlı olarak, Young modülü daha sonra hesaplanır. Köpük büyük ölçüde sıkıştırılabilir olarak davrandığından, kesit alanı deformasyon sırasında kayda değer bir şekilde değişmez. Buna göre, numune üzerine etki eden StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres hesaplanabilir; bu her zaman şu şekilde ifade edilir:
σ = F/A0
Burada, F kuvvet ve A0 nominal başlangıç kesitidir.
Numunenin uzunluğu önemli ölçüde değiştiğinden, dinamik gerinim her zaman mevcut numune uzunluğu ile ilişkili olmalıdır, yani,
ε = ΔL/Lm
deformasyon ΔL ve mevcut numune uzunluğu Lm ile. Bu, modülün hesaplanması için geometri faktörünü Lm / A0 olarak verir.
Bu faktör genellikle sıkıştırılabilir malzemeler için geçerlidir ve Eplexor® yazılımında doğrudan seçilebilir.
Statik testlerde, tüm deformasyonun histerezisine dayalı olarak köpüğün sönümleme davranışını karakterize etmek mümkündür. DMA, her statik yük için yerel sönümleme belirlenebildiğinden daha doğru karakterizasyona izin verir. Köpüğün small deformasyon aralığında sadece düşük sönümleme kapasitesine sahip olduğu açıktır. Sönümleme (burada tan δ) plato bölgesinde nispeten sabit kalır ve daha sonra sıkıştırma bölgesinde tekrar artar. Böylece DMA, yüklü durumdaki sönümleme kapasitesinin doğru bir şekilde belirlenmesini sağlar.
Dinamik TitreşimMekanik bir salınım sürecine titreşim denir. Titreşim, bir denge noktası etrafında salınımların meydana geldiği mekanik bir olgudur. Birçok durumda titreşim istenmeyen bir durumdur, enerjiyi boşa harcar ve istenmeyen sesler yaratır. Örneğin, motorların, elektrik motorlarının veya çalışan herhangi bir mekanik cihazın titreşim hareketleri tipik olarak istenmeyen hareketlerdir. Bu tür titreşimlere dönen parçalardaki dengesizlikler, eşit olmayan sürtünme veya dişli dişlerinin birbirine geçmesi neden olabilir. Dikkatli tasarımlar genellikle istenmeyen titreşimleri en aza indirir.titreşim salınım genliği artırıldığında doğrusal olmayan malzeme davranışı tamamen benzerdir. Şekil 5, farklı statik gerinim seviyelerinde bir dinamik salınım döngüsünün (%10 dinamik gerinim genliği ile) karşılık gelen histerezisini göstermektedir. Young modülü yine gerilme-gerinim diyagramındaki eğimden kaynaklanmaktadır. Sertliğin başlangıçta small statik gerinim aralığında azaldığı (degressif sertlik) ve daha sonra large gerinim altında tekrar arttığı (progresif sertlik) görülebilir. Bu davranış large dinamik genliklerde histerezis deformasyonunda da belirgindir. Statik ön yük ile sönümlemedeki artış histerezisin large alanında da fark edilebilir.
Sıcaklık Davranışı
Mekanik doğrusal olmayan malzeme davranışının ölçülmesinin yanı sıra, DMA GABO Eplexor® özellikle termomekanik analizlerin yapılmasına da olanak tanır. Böylece, daha önce gerçekleştirilen analizler yüksek sıcaklıklarda veya donma noktasının altındaki sıcaklıklarda da mümkündür. Termal karakterizasyon çoğunlukla small genliklerinin doğrusal aralığında gerçekleştirilir. Köpüğün güçlü yalıtım etkisi nedeniyle, 2 K/dk'lık düşük bir ısıtma hızı seçilmiştir.
Doğrudan sıcaklık davranışının yanı sıra, ölçümle doğrudan erişilemeyen frekanslardaki malzeme özellikleri de genellikle ilgi çekicidir. Bu, örneğin akustik sönümleme için köpüklerin kullanılması için geçerlidir. Burada, ana eğrilerin oluşturulması için zaman-sıcaklık süperpozisyon yöntemi kullanılabilir. Bu aynı zamanda çok daha yüksek frekanslarda malzeme davranışı hakkında sonuçlar çıkarılmasına olanak tanır.
Özet
DMA GABO Eplexor® 500 N, doğrusal olmayan ve zamana bağlı mekanik davranışın karakterize edilebilmesi için köpükleri anlamlı boyutlarda ölçmek için yeterli kuvvet rezervi sunar. Gerilme-gerinim diyagramından elde edilen bilgilere ek olarak DMA, sıkıştırılmış durumdaki sertliği ve sönümlemeyi belirlemek için de kullanılabilir. Ayrıca, DMA ile sıcaklık davranışı ve ana eğri tekniği sayesinde yüksek frekanslardaki Young modülü de tek bir cihazla belirlenebilir. Bu, çeşitli uygulama senaryoları için köpüklerin karakterizasyonunu mümkün kılar.