Wstęp
Kompozyty na bazie żywic fenolowychsą formułowane z utwardzonej matrycy fenolowej wraz z włóknami, wypełniaczami lub innymi składnikami. Ich zmierzona odpowiedź lepkosprężysta zależy od całego układu materiałowego i warunków testowych.
Inżynierom i formulatorom oceniającym kompozyty fenolowe dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) może zapewnić wgląd w reakcję związaną ze sztywnością, rozpraszanie energii mechanicznej i zachowanie przejściowe. Wyniki te należy interpretować ze zrozumieniem modułu zachowawczego, modułu stratności, współczynnika stratności oraz wpływu składu chemicznego żywicy, wzmocnienia, temperatury, częstotliwości i konfiguracji testu.
W artykule przedstawiono praktyczne ramy oceny właściwości lepkosprężystych kompozytów na bazie żywicy fenolowej bez traktowania pomiarów DMA na poziomie materiału jako bezpośredniego dowodu właściwości użytkowych gotowego komponentu.
Co oznacza lepkosprężystość w utwardzonym kompozycie fenolowym
Lepkosprężystość opisuje zależną od czasu reakcję mechaniczną materiału na odkształcenie. W wyleczonymżywica fenolowausieciowana sieć może wykazywać zarówno składnik elastyczny, jak i składnik rozpraszający pod przyłożonym obciążeniem.
Podczas oscylacyjnego testu mechanicznego reakcja może wykazywać opóźnienie fazowe między przyłożonym naprężeniem a wynikającym z niego odkształceniem. W ramach liniowego układu lepkosprężystego reakcję tę można rozłożyć na składową zgodną w fazie związaną ze sztywnością i składową pozafazową związaną z rozpraszaniem.
Utwardzona sieć fenolowa nie ulega płynięciu w stanie stopionym jak nieusieciowany termoplast. Niemniej jednak, w zależności od temperatury, obciążenia, czasu trwania, środowiska i stanu materiału, może wystąpić pełzanie, relaksacja naprężeń, odkształcenie zależne od czasu i uszkodzenia.
Możliwe źródła rozpraszania mogą obejmować relaksację molekularną w matrycy i interakcje w obszarach międzyfazowych. Ich względny udział zależy od systemu materiałowego i warunków testowych.
Zmierzona reakcja kompozytu fenolowego odzwierciedla zatem połączone zachowanie matrycy polimerowej, wzmocnienia, powierzchni międzyfazowych i architektury materiału.
Interpretacja E′, E″ i tan δ
DMA często podaje moduł przechowywania, moduł strat i współczynnik strat.
Moduł zachowawczy (E′) jest składową fazową modułu zespolonego i jest powiązany z reakcją materiału związaną ze sprężystością lub sztywnością w określonych warunkach testowych. Wyższe E′ wskazuje na większą odporność na odkształcenia w tym teście, ale nie oznacza lepszych wyników w każdym zastosowaniu dynamicznym.
Moduł stratności (E″) jest składową pozafazową modułu zespolonego i jest związany z rozpraszaniem energii mechanicznej w wyniku cyklicznego odkształcenia. Wyższe E″ samo w sobie nie oznacza niższego poziomu hałasu systemu, lepszej izolacji wibracji ani dłuższej żywotności komponentów.
Współczynnik strat (tang δ = E″/E′) wyraża względną równowagę pomiędzy odpowiedzią rozpraszającą i elastyczną w określonych warunkach. Często jest wrażliwy na zachowania relaksacyjne i przejściowe, ale nie jest bezpośrednią miarą skuteczności tłumienia na poziomie systemu.
E′, E″ i tan δ zależą od temperatury, częstotliwości, amplitudy odkształcenia, geometrii próbki, trybu odkształcenia, orientacji włókien, kondycjonowania i innych zmiennych proceduralnych. Dlatego należy je porównywać tylko wtedy, gdy odpowiedni materiał i warunki badania są wystarczająco dopasowane.
Zależność od temperatury i przypisanie przejść
Zależność temperaturowa E′, E″ i tan δ jest specyficzna dla układu materiałowego i warunków badania.
W wielu układach usieciowanych polimerów E′ może zasadniczo zmieniać się w obszarze przejścia szklistego w miarę zmiany mobilności molekularnej. Położenie i kształt tej reakcji zależą od receptury, rozwoju sieci, wzmocnienia, wilgoci, historii termicznej i warunków testowych.
Zmiany w E′ i pikach lub innych cechach w E″ i tan δ mogą dawać różne przypisane temperatury przejścia. Układy wielofazowe lub heterogeniczne mogą wykazywać szerokie cechy, ramiona lub więcej niż jedną reakcję relaksacyjną.
Każda podana temperatura przejścia powinna zatem określać zastosowane kryterium pomiaru i warunki badania. Temperatura przejściowa obliczona na podstawie DMA nie jest wymienna z temperaturą rozkładu termicznego, temperaturą ugięcia pod wpływem ciepła, wartością przewodności cieplnej, wynikiem próby ogniowej lub oceną ciągłego użytkowania.
Krótkoterminowych pomiarów DMA nie należy stosować samodzielnie do przewidywania długoterminowego starzenia termicznego, pełzania lub żywotności.
Częstotliwość, skala czasowa i amplituda odkształcenia
Pomiary lepkosprężyste zależą od częstotliwości i czasu obserwacji. W odpowiednim zakresie odpowiedzi zmiana częstotliwości może zmienić E′, E″, tan δ i pozorną pozycję cech przejściowych. Kierunek i wielkość tych zmian zależą od struktury materiału, temperatury i konfiguracji testu.
Amplituda odkształcenia wpływa również na zmierzoną odpowiedź. Dane DMA są powszechnie interpretowane w zakresie, w którym odpowiedź jest w przybliżeniu liniowa w określonych warunkach. Zakres ten może się różnić w zależności od temperatury, częstotliwości, trybu odkształcenia, geometrii próbki i kondycjonowania. Zakres określony w ramach jednego warunku nie powinien być automatycznie stosowany do całego programu testowego.
Tryb badania, wymiary próbki, mocowania, mocowanie i kierunek materiału również wpływają na wyniki. Nie należy porównywać danych wygenerowanych przy użyciu różnych konfiguracji bez uprzedniego ustalenia odpowiedniej zgodności metodologicznej.
Chemia żywicy, stan utwardzenia i architektura kompozytowa
Na lepkosprężyste zachowanie kompozytu fenolowego mogą wpływać:chemia żywicy, stan utwardzania, formuła, przetwarzanie i historia środowiska.
Odpowiednie zmienne mogą obejmować skład chemiczny utwardzacza lub katalizatora, harmonogram utwardzania, obróbkę po utwardzeniu, rozwój sieci, resztkową zawartość substancji lotnych, porowatość, kondycjonowanie wilgocią i historię starzenia termicznego. Zmiany w strukturze sieci mogą wpływać na moduł, zachowanie przejściowe, wytrzymałość i rozpraszanie, ale kierunek i wielkość zależą od konkretnego preparatu i warunków testowych.
Zmodyfikowane systemy żywic mogą dawać różne widma lepkosprężyste w zależności od składu chemicznego modyfikatora, kompatybilności, morfologii, dyspersji i interakcji z utwardzoną siecią. Nie należy zakładać, że modyfikacja maksymalizuje jednocześnie sztywność, rozpraszanie, wytrzymałość i wydajność cieplną.
Reakcja kompozytu zależy również od rodzaju zbrojenia, frakcji, długości, architektury, orientacji, dyspersji, obróbki powierzchni, jakości styku, zawartości pustych przestrzeni, konfiguracji laminatu, kierunku testu i przenoszenia obciążenia.
Gdy całkowity skład jest ograniczony, zmiana zawartości żywicy może również zmienić frakcję zbrojenia, impregnację, tworzenie pustych przestrzeni, obszary bogate w żywicę i jakość granicy faz. Jego wpływu na E′, E″ lub tan δ nie można wywnioskować na podstawie samej zawartości żywicy.
Systemów z włóknami ciągłymi, krótkimi, tkanymi i wypełnionymi cząstkami nie należy opisywać za pomocą jednego uogólnionego trendu. W kompozytach anizotropowych wyniki uzyskane w różnych kierunkach materiału mogą się znacznie różnić.
Co DMA może, a czego nie może ustalić
DMA może pomóc w przesiewaniu materiałów, porównaniu receptur, ocenie zachowania sztywności i charakteryzacji zachowań rozpraszających i przejściowych w testowanych warunkach.
Samo DMA nie określa poziomu hałasu na poziomie systemu, izolacji drgań, odporności na uderzenia, trwałości zmęczeniowej, trwałości konstrukcji, odporności ogniowej, długoterminowej żywotności ani ostatecznej przydatności komponentów. Wyniki te zależą również od geometrii, warunków brzegowych, połączeń, widm obciążenia, narażenia środowiska, mechanizmów uszkodzeń i interakcji z innymi materiałami lub podsystemami.
Wyższe E″ lub tan δ zmierzone na próbce laboratoryjnej nie gwarantuje cichszego lub lepiej izolowanego komponentu. Podobnie krzywa modułu DMA nie potwierdza ochrony przed uderzeniami ani długoterminowej wydajności konstrukcji.
Praktyczne ramy porównawcze
Sensowne porównanie danych DMA wymaga czterech grup informacji.
A. Definicja materiału
Określ gatunek żywicy i skład chemiczny, system utwardzania, wzmocnienie lub wypełniacz, architekturę i orientację, skład, przygotowanie próbki, historię utwardzania, kondycjonowanie oraz odpowiednią porowatość lub defekty.
B. Definicja testu
Podać tryb odkształcenia, geometrię próbki, zakres temperatur, częstotliwość, amplitudę odkształcenia, szybkość nagrzewania i atmosferę, jeśli ma to zastosowanie, oraz podstawę zastosowaną do ustalenia odpowiedniego zakresu odpowiedzi.
C. Zgłoszone wyniki
Podaj E′, E″ i tan δ w określonych warunkach. Jeżeli przypisano temperaturę przejścia, należy określić zastosowane kryterium, takie jak początek E′ lub cecha E″ lub tan δ. Jeżeli są dostępne, należy uwzględnić informacje dotyczące powtarzalności lub zmienności próbek.
D. Interpretacja aplikacji
Powiązać pomiary z zamierzonym zakresem temperatur i częstotliwości, wymaganiami dotyczącymi sztywności, odpowiedzią związaną z rozpraszaniem i innymi istotnymi kryteriami materiałowymi. Walidacja na poziomie komponentu pozostaje oddzielona od interpretacji DMA na poziomie materiału.
Ramy te mają charakter informacyjny, a nie uniwersalny protokół testowy. Metody, warunki i kryteria akceptacji należy dobrać do konkretnego materiału i zamierzonego zastosowania.
Informacje dotyczące wstępnej selekcji materiału
Wartości TDS i opublikowane dane DMA należy traktować jako wstępne informacje kontrolne, a nie gwarancję działania.
Zgłaszane dane mogą nie odzwierciedlać każdej partii produkcyjnej, kierunku próbki, stanu utwardzenia, historii kondycjonowania lub ostatecznej konfiguracji kompozytu. Wyniki uzyskane przy użyciu różnych laboratoriów, instrumentów, sposobów odkształcenia, geometrii lub kryteriów redukcji danych nie powinny być porównywane bez potwierdzenia zgodności metodologicznej.
Klienci przemysłowi poszukujący wstępnej dyskusji technicznej mogą podać zamierzoną funkcję żywicy, architekturę kompozytu, rodzaj wzmocnienia, odpowiednie warunki utwardzania, docelową temperaturę i zakres częstotliwości, wymaganą dokumentację i kryteria wydajności specyficzne dla zastosowania.
Dostawca może udostępnić dostępną dokumentację produktu i opublikowane informacje o klasie. Ostateczny wybór materiału i walidacja komponentów powinny opierać się na reprezentatywnych testach przeprowadzonych lub ocenionych przez wykwalifikowany personel klienta. Same dane DMA na poziomie materiału nie pozwalają na ustalenie ostatecznej przydatności komponentu.
Wniosek
Odpowiedź lepkosprężysta kompozytu na bazie żywicy fenolowej odzwierciedla interakcję składu chemicznego żywicy, stanu utwardzenia, wzmocnienia, powierzchni międzyfazowych, architektury kompozytu, historii środowiska i warunków testowych.
DMA dostarcza informacji o module przechowywania, module strat, współczynniku strat i zachowaniu przejściowym w ramach zdefiniowanych ram testowych. Pomiary te zależą od warunków i nie należy ich traktować jako uniwersalnych stałych ani bezpośrednich prognostyków wydajności gotowego komponentu.
Znaczące porównanie wymaga łącznego rozważenia definicji materiału, historii próbki, warunków badania, kryteriów raportowania i wymagań dotyczących zamierzonego zastosowania.
Kontakt
Klienci przemysłowi mogą skontaktować się z dostawcą w celu zażądania dostępnej dokumentacji produktu i opublikowanych informacji o gatunkach w celu wstępnej oceny.
Klienci mogą podać zamierzoną funkcję żywicy, strukturę kompozytu, rodzaj zbrojenia, odpowiednie warunki utwardzania, docelową temperaturę i zakres częstotliwości, wymaganą dokumentację i obowiązujące kryteria wydajności. Wstępna informacja techniczna nie stanowi gwarancji tłumienia, właściwości konstrukcyjnych, żywotności, bezpieczeństwa ani zgodności z przepisami.
Referencje
[1] Agarwal, BD i Broutman, LJ (1990). Analiza i wydajność kompozytów włóknistych (wyd. 2). Johna Wileya i synów. ISBN: 978-0-471-51152-6.
[2] Smażone, JR (2014). Nauka i technologia polimerów (wyd. 3). Pearsona. ISBN: 978-0-13-703955-5.
[3] Menard, KP (2008). Dynamiczna analiza mechaniczna: praktyczne wprowadzenie (wyd. 2). CRC Prasa. Drukuj ISBN: 978-1-4200-5312-8. https://doi.org/10.1201/9781420053135
[4] Międzynarodowa ASTM. (2020). ASTM D4065-20: Standardowa praktyka dla tworzyw sztucznych: Dynamiczne właściwości mechaniczne: oznaczanie i raport procedur. Międzynarodowy ASTM. https://doi.org/10.1520/D4065-20