Giriş
Polimerlerin viskoelastik özelliklerini anlamak, spor malzemeleri de dahil olmak üzere birçok uygulamada kullanılabilmeleri açısından hayati önem taşımaktadır. Yüksek performanslı polimerler ve polimer kompozitler, kullanıcılara dayanıklı, rahat, hassas ve uzun ömürlü ekipmanlar sunarak spor endüstrisinde devrim yaratmıştır [1]). Polimerler ve polimer kompozitler, aktif bir günün temelini oluşturur: iç ve dış mekan spor tesislerinde kullanılan zemin kaplamaları, ayakkabı tabanları, ağ örgüleri, raket telleri vb. bu malzemelerden oluşur. Bu malzemelerin termal özelliklerini ve fiziksel performansını değerlendirebilmek, tasarım, üretim ve nihai kullanım açısından hayati önem taşır.
Dinamik Mekanik Analiz (DMA), öncelikle polimerik malzemelerin viskoelastik özelliklerini analiz etmek için kullanılır; ancak metalleri ve seramikleri ölçmek ya da belirli mekanik koşulları simüle etmek için de kullanılır. NETZSCH 'in DMA 303 Eplexor® modeli, -170°C ile 800°C (-274°F ile 1472°F) arasındaki sıcaklık aralığında ölçüm yapabilen, 1 mN ile 50 N arasında kuvvet uygulayabilen ve 0,001 ile 150 Hz arasındaki frekanslarda çalışabilen çok yönlü bir masaüstü cihazdır. Bu çalışmada, dinamik mekanik analiz (DMA) kullanılarak üç farklı yüksek performanslı badminton ipi test edilmiştir. Modern badminton iplerinin tasarımı, çeşitli malzemeler, katmanlar ve kaplamalardan oluşmaktadır [2]. Test edilen üç numunenin de temel yapısı aynıdır: örgülü naylon liflerle çevrili naylon multifilament çekirdek. Numune 1, titanyum hidrit kaplamaya sahipken, numuneler 2 ve 3, bileşik cup-stack karbon nanotüp kaplamaya sahiptir. Performans açısından, üretici farklı ipleri sınıflandırmaktadır; bu sınıflandırmanın özeti Tablo 1’de gösterilmiştir.
Tablo 1: Üretici tarafından bildirilen üç badminton ipinin özellikleri.
| Değişken | Örnek 1 (10 üzerinden puan) | Örnek 2 (10 üzerinden puan) | Örnek 3 (10 üzerinden puan) |
|---|---|---|---|
| Sıçrama gücü | 7 | 8 | 9 |
| Dayanıklılık | 7 | 10 | 7 |
| Vuruş sesi | 7 | 7 | 8 |
| Darbe emilimi | 6 | 6 | 8 |
| Kontrol | 6 | 6 | 10 |
Bu çalışmanın temel amacı, DMA ile ölçülen viskoelastik özellikleri, üreticinin Tablo 1’de bildirdiği performans kriterleriyle ilişkilendirmektir. Depolama modülü (E’), malzemelerin (bir yay gibi) enerjiyi depolama ve serbest bırakma yeteneğini tanımlar; bu, bildirilen itme gücüyle doğrudan ilişkilendirilebilir. Kayıp modülü (E”), malzemelerin enerjiyi (genellikle iç sürtünme yoluyla) dağıtırken kaybını tanımlar; son olarak sönümleme faktörü (tan δ), E” ile E’ arasındaki orandır (bir malzemenin uygulanan bir kuvveti ne kadar sönümleyeceğini belirtir). Bu nedenle, hem çarpma sesi hem de şok emilimi, doğrudan E” ve tan δ özellikleriyle bağlantılıdır. Ayrıca, dayanıklılık gibi parametreler, sıcaklık yerine artan kuvvetin bir fonksiyonu olarak test edilerek incelenebilir.
Viskoelastik Özelliklerin Belirlenmesi ve Uygulama Simülasyonu için DMA Testi
Üç badminton ipinin viskoelastik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla, her bir numune üzerinde -150 ile 150ºC aralığında, NETZSCH DMA 303 Eplexor® cihazı kullanılarak gerilme koşullarında standart bir sıcaklık taraması gerçekleştirilmiştir (görsel gösterim Şekil 1’de yer almaktadır).
Tablo 2, her bir numunenin farklı geçiş bölgelerini özetlemektedir. Numune 1’in sıcaklığa bağlı viskoelastik profili Şekil 2’de, numune 2’nin Şekil 3’te ve numune 3’ün Şekil 4’te gösterilmiştir; tüm numuneler gerilme altında ölçülmüştür. Şekil 2 ile 4 arasında, hem numune 2 hem de numune 3 çok benzer profillere ve geçiş bölgelerine sahipken, farklı bir kaplamaya sahip olan numune 1 ise bunlardan önemli ölçüde farklıdır. Naylon, genellikle sayısal sınıflandırmalara (6, 66, 11, 12) göre sınıflandırılan bir alifatik poliamiddir ve tüm sınıfların camsı geçiş sıcaklığı 40 ile 95°C arasında gerçekleşir. Bu nedenle, ortam sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda gözlemlenen diğer geçişleri incelemek oldukça ilgi çekicidir.
Tablo 2: E’, E” ve tan δ değerleri açısından raporlanan 1, 2 ve 3 numaralı numunelerin termal geçişleri. Tüm numuneler, 10 μm’lik dinamik deformasyon, 1,3’lük orantı faktörü ve 2 ºC/dk’lık ısıtma hızı kullanılarak gerilme altında ölçülmüştür.
| Geçiş | E' Başlangıcı | E" Tepe | tan δ |
|---|---|---|---|
Numune 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1ß6 |
Örnek 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Örnek 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Şekil 2’den 4’e kadar olan grafikte, sıcaklığın iplerin viskoelastik performansı üzerindeki etkisini de dikkate almak önemlidir. Badminton genellikle kapalı alanda oynanan bir spordur, peki ya açık havada oynanırsa?
Şekil 5, 0 ile 50°C arasındaki sıcaklık aralığında 1 numaralı numunenin termal profilini göstermektedir. 4°C’lik serin bir sonbahar gününde teller, oda sıcaklığında (25°C) olduğundan 2,3 kat daha sert veya 35°C’lik sıcak bir yaz gününe kıyasla 3,0 kat daha sert olur. Ancak sönümleme faktörü tam olarak aynı eğilimi göstermez; 4°C'de 25°C'ye kıyasla sadece 1,1 kat, 35°C'ye kıyasla ise 1,3 kat daha yüksektir. Bu nedenle, teller daha sert olsa ve shuttlecock'a vurulduğunda daha az esneme gösterse de, teller tarafından emilen ve vuruşa aktarılmayan enerji miktarı benzer kalır.
Bu testlerin temel amacı, badminton tellerinin amaçlanan kullanım koşullarında nasıl davranacağını anlamaktır. Bu nedenle, aynı üç numune, eğilme özelliklerini anlamak amacıyla üç noktalı eğilme testine tabi tutuldu (raketin genel ızgara deseninin belirli bir bölümünü analiz etmek için 20 mm'lik bir eğilme mesafesi kullanıldı); bu test, iplerin rakete gerildiğinde ve shuttlecock'a vurmak için kullanıldığında nasıl davranacaklarını simüle etmeyi amaçladı. Kordun eğilme testi sırasında gergin hale getirildiği test düzeneği Şekil 6'da gösterilmiştir.
Üç noktalı eğilme performansını test etmek amacıyla, özellikleri ölçmek için oda sıcaklığında iki farklı yük taraması gerçekleştirilmiştir. Şekil 7, artan dinamik deformasyonun etkisini göstermektedir (0,7 N’nin altında kalınmıştır).
Şekil 8, artan kuvvete bağlı olarak numunelerin uzunluğundaki değişimi göstermektedir.
Şekil 7’den, oda sıcaklığında üç telin mekanik özellikleri arasında belirgin bir ayrım olduğu görülmektedir. 50 μm'lik örnek bir genlikte, numune 1 en düşük modül değerlerine (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa) sahipken, numune 2 en yüksek değerlere (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa) ve numune 3 ise ikisinin arasında yer almaktadır (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Sönümleme faktörünün, Viskoz modülKarmaşık modül (viskoz bileşen), kayıp modülü veya G'', numunelerin genel karmaşık modülünün "hayali" kısmıdır. Bu viskoz bileşen, ölçüm yapılan numunenin sıvı benzeri veya faz dışı tepkisini gösterir. kayıp modülünün depolama modülüne oranı olduğu göz önüne alındığında, bu durum örnek 1’in en yüksek sönümleme özelliklerine (0,14) sahip olduğu, onu örnek 3’ün (0,09) ve örnek 2’nin (0,09) izlediği anlamına gelir. Bu değerler, Tablo 1’de üretici tarafından bildirilen değerlerle doğrudan örtüşmemektedir; ancak Şekil 5’te gösterildiği gibi, üç viskoelastik parametrenin de performansı nasıl etkilediğini ve test edildikleri sıcaklığın ne kadar önemli olduğunu dikkate almak çok önemlidir.
Son olarak, Şekil 8’den dinamik kuvvetin artmasıyla numune uzunluğundaki değişim gözlemlenmektedir. Bu, tek bir tel elemanının önemli bir deformasyona uğramadan ne kadar kuvvete dayanabileceğini belirlemede önemli bir husustur. Örnek 3, en fazla deformasyon göstermiştir; bu da, deformasyona yatkınlığı nedeniyle üç örnek arasında muhtemelen en az dayanıklı olanı olduğunu ima etmektedir (bu sonuç Tablo 1 ile uyumludur). Üç noktalı eğilme testine tabi tutulan bu örneklerin elle gergin hale getirildiğini ve bunun mutlak ölçümler arasındaki varyasyonu artırabileceğini belirtmek önemlidir.
Özet
Yüksek performanslı polimer ve polimer kompozitlerin geliştirilmesi, spor malzemeleri dünyasında devrim niteliğinde bir değişim yaratmıştır. Bu çalışmada, NETZSCH DMA 303 Eplexor® cihazının, üç farklı badminton ipinin performansını çeşitli parametreler kapsamında değerlendirmek, karşılaştırmak ve simüle etmek için nasıl kullanılabileceğini gösterdik. Üç numunenin geçiş sıcaklıklarını belirlemek ve dış ortamda maruz kalabilecekleri çeşitli sıcaklıklardaki performanslarını değerlendirmek amacıyla sıcaklık artış testleri gerçekleştirildi. Oda sıcaklığında iplerin mekanik özelliklerini değerlendirmek ve ayrıca iplerin birdie’ye çarpma yönünde uygulanan bir yüke karşı performanslarını anlamak amacıyla yük taramaları yapıldı.