Payne ve Mullins ile Acı Yok

NETZSCH Yüksek Güçlü DMA'lar ile Payne ve Mullins Etkisi Ölçümlerinin Gerçekleştirilmesi için Pratik Bir Kılavuz

Giriş

Elastomerler, mekanik özelliklerini geliştirmek ve yüksek performanslı uygulamalar için gerekli kaliteyi elde etmek amacıyla sıklıkla karbon siyahı veya silika gibi aktif dolgu maddeleri içerir. Yüksek dolgu maddesi içeriği durumunda, toplanmış dolgu maddesi partiküllerinden oluşan üç boyutlu (3D) bir ağ oluşur. Bu da numunenin sertliğinde önemli bir artışa neden olur. Bununla birlikte, bu mikroyapısal özellik yalnızca uygulanan deformasyonlar small, yani doğrusal viskoelastik rejim içinde kaldığı sürece kararlıdır. Bu eşiğin üzerinde, 3D dolgu ağı bozulur ve modüller numuneye uygulanan gerinim veya kaymanın bir fonksiyonu haline gelir. Bu rejim doğrusal olmayan viskoelastik bölge olarak adlandırılır.

İki önemli etki bu fenomenle ilişkilidir: Payne ve Mullins etkisi. Her ikisi de gerinim yumuşatma fenomeni olsa da ve her iki etki deformasyon geçmişine bağlı olsa da, ilki artan dinamik deformasyonlar üzerine depolama modülündeki azalmayı tanımlar. Mullins etkisi, genellikle yarı statik çekme testlerinde gerçekleştirilen ardışık yükleme ve boşaltma döngüleri için gerilme-gerinim eğrilerindeki değişim olarak anlaşılır. Bu durumda, sonraki gerilme-şekil değiştirme eğrileri ilk yükleme döngüsünün eğrisinin altında yer alacaktır. Bir numunenin gerilme-gerinim eğrisi, ancak numunenin deformasyon geçmişinin önceki maksimum gerinimi aşıldığında işlenmemiş bir numunenin gerilme-gerinim eğrisiyle eşleşecektir.

Bu etkilerin yalnızca bilimsel merak konusu olmadığına dikkat etmek önemlidir. Gerçek hayat senaryolarıyla da ilgilidirler. Elastomerler hizmet sırasında genellikle yüksek dinamik ve statik gerilmelere maruz kaldığından, bu durum elastomer malzemenin sertlik ve sönümleme açısından performansını önemli ölçüde etkiler. large deformasyonları ve/veya dinamik yükleme sırasında bu değişiklikleri güvenilir bir şekilde ölçmek için Payne ve Mullins etkisinin belirlenmesine yönelik testler yapılmalıdır. Örnekler arasında ön cam silecek lastikleri, motor takozları ve lastikler sayılabilir. (Dinamik)-mekanik özelliklerdeki gerinim kaynaklı değişikliklerin doğru bir şekilde ölçülmesi, yeni kauçuk bileşiklerinin araştırılması ve geliştirilmesinin yanı sıra ürünün hizmetteki performansının simülasyonu sırasında güvenilir geri bildirim sağlar.

Payne EtkisiPayne etkisi, artan deformasyon genliği ile dolgulu, çapraz bağlı bir elastomer sistemindeki azalmadır.Payne Etkisi:

Payne etkisi, artan dinamik gerilme genliği ile dolgulu elastomerlerin depolama modülündeki tersine çevrilebilir azalmadır.

Mullins EtkisiMullins etkisi kauçuk malzemeler için tipik bir olguyu tanımlar.Mullins Etkisi:

Mullins etkisi, ilk yükleme-boşaltma döngüsünden sonra elastomerlerde geri dönüşü olmayan gerilme yumuşamasıdır.

Payne ve Mullins Etkisinin Genel YönleriÖlçümler

Çoğu durumda, Payne etkisi genellikle bir (çift) kesme numunesi tutucusu kullanılarak bir gerinim taraması olarak gerçekleştirilir. Bu deneylerin çekme modunda [1] (başlangıçtaki numune uzunluğuna bağlı olarak tipik olarak sadece small dinamik genlikler mümkündür) veya sıkıştırma modunda [2] da yapılabileceği unutulmamalıdır.

Çekme veya sıkıştırma düzeneklerine göre daha büyük gerinim/kayma genliklerinin gerçekleştirilmesi nedeniyle dinamik-mekanik analizörlerde kayma modu tercih edilen seçenektir.

Kayma modüllerinin hassas bir şekilde belirlenmesini sağlamak için ISO 6721-6 standardı, numune kalınlığının en az 4 katı çapında (silindirik şekil) veya yüksekliğinde (kübik şekil) numunelerin kullanılmasını şart koşmaktadır. Bu yaklaşım, olası eğilme etkilerini ortadan kaldırarak herhangi bir düzeltme ihtiyacını ortadan kaldırır. Kesme modunun ikinci bir nedeni de gerçek uygulamaya benzer yük koşullarının uygulanması fikridir: Ön cam silecekleri, ±90°'ye kadar birleşik kesme-bükme yükünün neden olduğu deformasyonlar gösterecektir. Yolcu lastiklerinin yanı sıra kamyon lastiklerinin üst yüzeyindeki sırt bileşikleri, sırt katmanının altında bulunan bir sonraki katmana ("yeraltı katmanı") karşı %200 veya daha fazlasına kadar kesilecektir.

Son olarak, kesme yükü koşulları altında yapılan ölçümler, statik bileşenlere olan ihtiyacı ortadan kaldırma gibi belirgin bir avantaj sunar. Bu nedenle, bu durumda ölçülen Payne etkisi yalnızca yükselen dinamik kayma genliklerinin bir fonksiyonudur. Payne etkisini analiz etmek için statik yüke gerek yoktur.

Öte yandan, Mullins etkisi farklı deformasyon seviyelerindeki statik yükleme süreçlerinden kaynaklanır. Mullins etkisi tipik olarak çekme modunda incelenir. Bu etkiyi aynı şekilde sıkıştırma veya (çift) kesme numune tutucuları kullanarak da ölçmek mümkündür.

Aşağıda, (çift) kesme numune tutucusu ile Payne etkisinin ölçümünü ayarlamak için adım adım bir kılavuz sunulmaktadır.

Payne Efektini Gerçekleştirmek için Adım Adım KılavuzÇift Makaslı Numune Tutucu ile Ölçümler

Müşteriler kesme numunesi tutucuları için farklı seçenekler arasından seçim yapabilirler: Maksimum çapı/yüksekliği 8 mm, 10 mm veya 20 mm olan numuneler için çift kesme numune tutucuları mevcuttur ve ince şerit benzeri numuneler için özel bir kesme numune tutucusu mevcuttur. İkincisi, numunelerin çelik silindirlere bağlanmasını gerektirmez.

Aşağıda, Payne etkisi ölçümü amacıyla sadece 10 mm çapında bir kesme numunesi tutucusunun hazırlanmasına odaklanılmaktadır. Bu durumda, bir yapıştırıcı kullanırken numune hazırlama sürecini kolaylaştırmak için numune hazırlama kitleri (yerleştirme ve hizalama aracı) de mevcuttur. Örnek hazırlama, vulkanize edilmemiş "yeşil" kauçuğun bir ısıtma presi kullanılarak çelik silindirlere doğrudan vulkanize edilmesi yoluyla da mümkündür. Bunu gerçekleştirmek için çapraz bağlanmamış kauçuğun hazırlanan çelik silindirler arasına dökülmesi ve ardından istenen sıcaklıkta vulkanize edilmesi gerekir. Bu, elastomer ve metal arasında mümkün olan en yüksek yapışma gücü, elastomerin silindirler arasında daha hassas bir şekilde konumlandırılması ve yapışkan kalıntısının olmaması nedeniyle ölçüm sonuçlarının daha yüksek tekrarlanabilirliği avantajını sağlar.

a) Elastomer disklerin hazırlanması

I. İstenilen kalınlıkta bir dökme kauçuk levha mevcut olmalıdır.

II. Bir sonraki adım için uygun silindirik kalıp takımına sahip bir el delme makinesi gereklidir.

III. Silindirik kalıp aletinin alt kısmını bir su sabunu çözeltisine batırın. Bu, delme sırasında alet ile kauçuk levha arasındaki sürtünmeyi azaltmaya yardımcı olur ve böylece daha iyi bir kesme işlemi sağlar.

IV. Kauçuk numune kesilene kadar teneke kutu delme aletini yavaşça indirin (önerilen hız dakikada sadece 20 ila 40 devirdir). Gerekli sayıda numune için işlemi tekrarlayın.

V. Numuneler üzerinde kalan sabunu kurutun.

b) Tüm kesme numunesinin montajı

Kesme numunesi tutucu kurulumunun tamamının hazırlanması için aşağıdaki araçlara sahip olmak gerekir: Metalin kauçuk malzemeye yapıştırılması için bir yapıştırıcı, örneğin bir siyanoakrilat yapıştırıcı; 10 mm çapında üç çelik silindir; kesilmiş elastomer diskler; ve şekil 1'de gösterilen yerleştirme alet takımı. Kauçuk malzemeye bağlı olarak farklı bir yapıştırıcı seçilmesi gerekebilir.

Ayrıca, kauçuk numune yüzeyleri ilk montaj adımından önce ince taneli zımpara kağıdı ile pürüzlendirilebilir. Bu, yapıştırma sırasında daha iyi yapışma sağlayabilir

Daha sonra, elastomer numune yüzeylerinin malzemenin özelliklerini değiştirmeyen ve hızlı bir şekilde buharlaşan bir madde ile temizlenmesi gerekir. Bu amaç için potansiyel bir temizleyici Loctite 7063'tür.

I. İlk olarak, yapıştırılacak iki elastomer diskin numune kalınlığını ve çapını bir kumpasla ölçün ve her ikisinin ortalama değerini not edin.

II. Bir elastomer numune diskinin dış çelik silindirlerden birine yapıştırılması gerekir. Bunu yapmak için, çelik silindiri şekil 2'de gösterildiği gibi yerleştirme alet kitinin çukuruna yerleştirin ve vidalı mil ile sıkın.

III. Bir elastomer disk yerleştirin

IV. yerleştirme aleti kitinin alt kısmının çıkıntılı silindirik parçası üzerinde.

V. Çelik silindire yapıştırılacak kauçuk diskin ortasına bir small damla yapıştırıcı sürün. Yapıştırıcıyı yüzeye eşit olarak yayın. Kauçuk diski sıkıştırılmış çelik silindire yapıştırın. Silindir ve diskin kenarlarının aynı hizada olduğundan emin olun. Ardından, şekil 2'deki tüm tertibatı şekil 1'deki çelik bloktaki girintilere yerleştirin. Bu aşamada, kauçuk disk silindirik yükselti ile temas halinde olacaktır (şekil 1'deki sarı elips). Şekil 2'deki düzeneğe yukarıdan 2-3 dakika boyunca orta kuvvette bastırın. Yapışkan bağ bir sonraki adım için yeterince sağlam olmalıdır.

VI. Çelik silindir - elastomer disk - çelik silindir - elastomer disk - çelik silindir kurulumunun tamamı imal edilene kadar bu adımları tekrarlayın. Elastomer yüzeyde hızlı kürlenmeyi önlemek için yapıştırıcıyı her zaman metalik yüzeye uygulamayı unutmayın.

VII. Arayüzey mukavemetinin maksimuma ulaşması için yapıştırıcının 24 saat boyunca kürlenmesine izin verin. Kürlenme süreci, tamamlanmış kesme numunesi tutucu düzeneği 30°C ila 70°C arasında değişen sıcaklıklarda bir fırına yerleştirilerek hızlandırılabilir.

VIII. Dış yüzeyde kalan fazla yapıştırıcı ince taneli zımpara kağıdı ile taşlanarak temizlenmelidir. Bu, hiçbir yapışkan kalıntısının kesme deneyi sırasında elastomer numune parçasının sertliğini etkilemeyeceğini garanti eder.

c) Sertlik düzeltme ölçümü için numune tutucunun hazırlanması

I. Hizalama aleti, çelik silindir ile sertlik düzeltme ölçümü için numune tutucuyu harici olarak hazırlamak için kullanılabilir (bkz. Şekil 3).

II. Sertlik düzeltmesi için kullanılan çelik silindiri yerleştirin ve vidaları bir sabitleme torku tornavidası ile en az 1,5 Nm sıkın.

III. Tüm numune tutucu kurulumunu statik ve dinamik kuvvet eksenlerine yerleştirin ve bağlayın.

d) Numune tutucunun numune ölçümü için hazırlanması

İlk olarak, çelik silindiri yerinde tutan ön parçaları sökün ve dışarı çıkarın. Daha sonra, hazırlanan çift kesme numunesini mümkün olduğunca merkezi olarak yerleştirin ve ön parçaları tekrar vidalayarak sabitleyin.

e) Eplexor^® 9 yazılımı ile numune ölçüm tanımı

Payne etkisi statik/dinamik taramada ölçüldüğünden, bu durumda örnek tutucu düzeltme ölçümü için kullanılan aynı pan şablon dosyası seçilir. Bu nedenle, şekil 4'te gösterildiği gibi aşağıdaki ayar uygundur. Burada, dinamik salınımlara yönelik parametreler genellikle kuvvet kontrollü olmaktan ziyade gerinim kontrollüdür. Ölçüm noktaları dağılımı logaritmik olarak seçilmiştir, çünkü ölçüm veri grafikleri geleneksel olarak logaritmik bir x ekseni ile gösterilir.

Maksimum dinamik gerinim ne kadar yüksek olursa, elastomer ve çelik arasındaki arayüzdeki yapıştırıcının kırılma olasılığının o kadar yüksek olacağını ve böylece daha fazla çalışmanın geçersiz olacağını unutmayın. Numuneye uygulanan mümkün olan maksimum dinamik kesme, karbon fiber takviyeli polimer bıçak yayının maksimum deformasyonu ile sınırlıdır.

Ölçümü Eplexor^® 9 yazılımındaki "Load & Go" paneli aracılığıyla başlatın.

Sonuçlar

Aşağıda, bir EPDM70 elastomer bileşiği üzerinde gerçekleştirilen ölçüm sonuçları sunulmaktadır. Hem Payne hem de Mullins etkileri araştırılmıştır.

a) Payne etkisi

Mullins etkisinin ölçümü için kullanılan ölçüm parametreleri tablo 1'de özetlenmiştir.

Şekil 5'te, viskoelastik miktarların kayma depolama modülü, G' ve kayıp faktörü, tan δ, %0,04 ila %100 arasındaki dinamik kayma genliğinin bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir.

Testler farklı tarama tipleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Süpürme tipi "yukarı", dinamik genliğin ±%0,04'ten ±%100'e kadar süpürüleceği anlamına gelir; "aşağı" ise ±%100'den ±%0,04'e geri dönüleceği anlamına gelir.

İlk eğri, işlenmemiş numune için ölçülen verileri temsil eder. Düşük kayma değerlerinde, yani hasar görmemiş elastomer bileşiği için doğrusal viskoelastik rejimde, 30°C'de kayma depolama modülü yaklaşık 6 MPa'dır. Doğrusal viskoelastik rejimin sonu halihazırda %0,1'lik bir dinamik kayma noktasındadır. Bu noktadan itibaren, dolgu maddesi-dolgu maddesi ağının parçalanması nedeniyle malzeme yumuşamaya başlar. 100'lük bir kesme genliğinde, G' yaklaşık 2 MPa'ya düşer - bu değer işlenmemiş halin sadece 1/3'üdür. Benzer şekilde, işlenmemiş durumdaki tan δ yaklaşık 0,1'dir ve %100'lük bir dinamik kesme için yaklaşık 0,135'tir. Arada, tan δ'da yaklaşık %4'lük bir maksimum gözlemlenebilir, bu da bu kauçuk bileşiği için ısı yayılımında veya sönümlemede bir maksimuma karşılık gelir.

Tablo 1: High-Force DMA ile Payne etkisi ölçümleri için kullanılan parametrelere genel bakış

Sonraki aşağı taramalar sırasında, ilk yukarı taramadan net histerezis davranışı gözlemlenebilir. Depolama modülü ve kayıp faktörü sırasıyla daha düşük ve daha yüksek değerlere kaymaktadır. Ayrıca, tan δ'daki tepe değeri hafifçe daha düşük dinamik kayma genliklerine kayar. Bu değişim, test sırasında numuneye uygulanan yüksek dinamik kaymaların dolgu ağına verdiği hasardan kaynaklanmaktadır.

Daha da önemlisi, bu hasar ve sonuçları kalan yukarı ve aşağı taramalar sırasında da tespit edilmiştir. Depolama modülü ve kayıp faktörü, numune ilk kez %100 kaymaya kadar dinamik olarak yüklendikten sonra ilk aşağı taramadan itibaren aynı seviyede kalır.

b) Mullins etkisi

Mullins etkisinin ölçümü için kullanılan ölçüm parametreleri Tablo 2'de özetlenmiştir.

Şekil 6'da, iki farklı EPDM70 numunesinin beş yükleme ve boşaltma döngüsünün tamamına ait gerilme-gerinim diyagramları gösterilmektedir. Bu döngüler sırasında, dolgulu elastomerin doğrusal olmayan viskoelastik ve gerinim yumuşatma davranışı belirgindir.

Numune ilk kez belirli bir maksimum gerinim değerine yüklendiğinde, başlangıç eğrisini takip eder. Boşaltma sonrasında, önceki aynı gerinim için gerilme seviyesinde önemli bir azalma olur ve bu da gerilme-gerinim diyagramında histerezise yol açar. Bu noktada, karbon bazlı bir aerojel için önceki bir Uygulama Notunda [3] gösterildiği gibi tamamen viskoelastik bir fenomen ile Mullins etkisi gibi ek zarar verici etkiler arasında ayrım yapmak mümkün değildir. Fark sadece ikinci yük döngüsünde, bir önceki döngüde olduğu gibi aynı maksimum gerilme değerine kadar belirginleşir. İkinci döngüde gerilme seviyeleri ilk döngüden daha düşükse hasar meydana gelmiş demektir. Önceki döngüdeki maksimum gerinim aşıldığında, gerilme-gerinim eğrisi mevcut döngünün yeni maksimum gerinimine kadar tekrar başlangıç eğrisini takip eder.

Tablo 2: Yüksek güçlü DMA ile Mullins etkisi ölçümleri için kullanılan parametrelere genel bakış.

Payne ve Mullins Etkilerinin Türkiye'deki ÖnemiKauçuk Endüstrisi

Dolgulu elastomerler, ister karbon siyahı ister silika ile olsun, kauçuk endüstrisinde temel bir rol oynamaktadır. Payne ve Mullins etkileri, dolgulu elastomer malzemelerin (dinamik) mekanik özelliklerinde bir değişiklik olarak kendini gösterdiğinden, hizmet sırasında ürünün özellikleri üzerindeki etkilerini anlamak çok önemlidir.

Gerçek hayattaki birçok uygulamada, bir ürünün kullanım ömrü boyunca yüksek dinamik deformasyonlar veya çoklu yükleme ve boşaltma döngüleri meydana gelir - örneğin, birkaç döngüden sonra ön cam silecekleri, birkaç virajdan sonra lastikler veya kauçuk damperler için durum böyledir. Dolayısıyla bunlar Payne ve Mullins etkilerinin sonuçlarına tabidir. Viskoelastik özelliklerdeki bu değişim, kayıp faktöründeki bir değişiklik yoluyla lastiklerin Yuvarlanma DirenciYuvarlanma direnci, bir cisim bir yüzey üzerinde yuvarlanırken harekete direnen bir kuvvettir. Bu, örneğin araba veya kamyon lastiklerinin kayma direncini belirler.yuvarlanma direnci veya burçların sönümleme kapasitesi gibi farklı ilgili özelliklerle ilgilidir.

NETZSCH High-Force DMA'lar, malzemenizdeki Payne ve Mullins etkilerinin boyutunu doğru bir şekilde ölçmenize ve böylece daha yüksek kaliteli kauçuklar üretmenize ve nihai ürünlerinizin performansını daha iyi tahmin etmenize olanak tanır.