Úvod
Kompozity na báze fenolovej živicesú formulované z vytvrdenej fenolovej matrice spolu s vláknami, plnivami alebo inými zložkami. Ich nameraná viskoelastická odozva závisí od celého materiálového systému a testovacích podmienok.
Pre inžinierov a formulátorov, ktorí hodnotia fenolové kompozity, môže dynamická mechanická analýza (DMA) poskytnúť pohľad na odozvu súvisiacu s tuhosťou, rozptyl mechanickej energie a prechodové správanie. Tieto výsledky musia byť interpretované s pochopením skladovacieho modulu, stratového modulu, stratového faktora a účinkov živicovej chémie, výstuže, teploty, frekvencie a konfigurácie testu.
Tento článok predstavuje praktický rámec na hodnotenie viskoelastického správania kompozitov na báze fenolovej živice bez toho, aby sa merania DMA na úrovni materiálu považovali za priamy dôkaz výkonnosti hotového komponentu.
Čo znamená viskoelasticita vo vytvrdenom fenolickom kompozite
Viskoelasticita popisuje časovo závislú mechanickú odozvu materiálu na deformáciu. Vo vyliečenomfenolová živicaZosieťovaná sieť môže pri aplikovanom zaťažení vykazovať ako elastickú zložku, tak aj disipatívnu zložku.
Počas oscilačnej mechanickej skúšky môže odozva vykazovať fázové oneskorenie medzi aplikovaným namáhaním a výsledným namáhaním. V rámci lineárnej viskoelastickej štruktúry môže byť táto odozva rozložená na komponent súvisiaci s tuhosťou vo fáze a komponent mimo fázy súvisiaci s rozptylom.
Vytvrdená fenolová sieť nepodlieha toku taveniny na spôsob nezosietovaného termoplastu. Napriek tomu sa môže vyskytnúť dotvarovanie, uvoľnenie napätia, časovo závislá deformácia a poškodenie v závislosti od teploty, zaťaženia, trvania, prostredia a stavu materiálu.
Možné zdroje disipácie môžu zahŕňať molekulárnu relaxáciu v matrici a interakcie v medzifázových oblastiach. Ich relatívne príspevky závisia od materiálového systému a skúšobných podmienok.
Nameraná odozva fenolového kompozitu preto odráža kombinované správanie polymérnej matrice, výstuže, rozhraní a architektúry materiálu.
Interpretácia E′, E″ a tan δ
DMA bežne hlási úložný modul, stratový modul a stratový faktor.
Skladovací modul (E') je súčasnou zložkou komplexného modulu a je spojený s pružnosťou materiálu alebo odozvou súvisiacou s tuhosťou za uvedených skúšobných podmienok. Vyššie E′ indikuje väčšiu odolnosť voči deformácii v tomto teste, ale nezabezpečuje lepší výkon v každej dynamickej aplikácii.
Stratový modul (E″) je mimofázová zložka komplexného modulu a je spojená s rozptylom mechanickej energie pri cyklickej deformácii. Vyššie E″ samo o sebe nevykazuje nižšiu hlučnosť systému, lepšiu izoláciu vibrácií alebo dlhšiu životnosť komponentov.
Stratový faktor (tan δ = E″/E′) vyjadruje relatívnu rovnováhu medzi disipatívnou a elastickou odozvou za špecifikovaných podmienok. Často je citlivý na uvoľnenie a prechodové správanie, ale nie je priamym meradlom účinnosti tlmenia na úrovni systému.
E′, E″ a tan δ závisia od teploty, frekvencie, amplitúdy deformácie, geometrie vzorky, režimu deformácie, orientácie vlákna, kondicionovania a iných procedurálnych premenných. Preto by sa mali porovnávať len vtedy, keď sú príslušné materiálové a skúšobné podmienky dostatočne zosúladené.
Teplotná závislosť a priradenie prechodu
Teplotná závislosť E′, E″ a tan δ je špecifická pre materiálový systém a skúšobné podmienky.
V mnohých systémoch zosieťovaných polymérov sa E' môže podstatne meniť cez oblasť skleného prechodu so zmenou molekulárnej mobility. Poloha a tvar tejto odozvy závisí od formulácie, rozvoja siete, vystuženia, vlhkosti, tepelnej histórie a testovacích podmienok.
Zmeny v E′ a píky alebo iné znaky v E″ a tan δ môžu poskytnúť rôzne priradené teploty prechodu. Viacfázové alebo heterogénne systémy môžu vykazovať široké znaky, ramená alebo viac ako jednu relaxačnú odpoveď.
Každá hlásená teplota prechodu by preto mala identifikovať kritérium merania a použité skúšobné podmienky. Teplota prechodu odvodená z DMA nie je zameniteľná s teplotou tepelného rozkladu, teplotou ohybu tepla, hodnotou tepelnej vodivosti, výsledkom požiarnej skúšky alebo hodnotením nepretržitého používania.
Krátkodobé merania DMA by sa nemali používať samostatne na predpovedanie dlhodobého tepelného starnutia, tečenia alebo životnosti.
Frekvencia, časová mierka a amplitúda napätia
Viskoelastické merania závisia od frekvencie a času pozorovania. V rámci vhodného rozsahu odozvy môže meniaca sa frekvencia zmeniť E′, E″, tan δ a zdanlivú polohu prechodových prvkov. Smer a veľkosť týchto zmien závisí od štruktúry materiálu, teploty a konfigurácie testu.
Amplitúda deformácie tiež ovplyvňuje nameranú odozvu. Údaje DMA sa bežne interpretujú v rozsahu, v ktorom je odozva za uvedených podmienok približne lineárna. Tento rozsah sa môže meniť v závislosti od teploty, frekvencie, režimu deformácie, geometrie vzorky a kondicionovania. Rozsah identifikovaný za jednej podmienky by sa nemal automaticky aplikovať na celý testovací program.
Skúšobný režim, rozmery vzorky, upínacie prostriedky, upnutie a smer materiálu tiež ovplyvňujú výsledky. Údaje generované pomocou rôznych konfigurácií by sa nemali porovnávať bez toho, aby sa najprv zistila primeraná metodologická kompatibilita.
Chémia živíc, stav vytvrdzovania a kompozitná architektúra
Viskoelastické správanie fenolového kompozitu môže byť ovplyvnenéživicová chémia, stav vytvrdnutia, formulácia, spracovanie a environmentálna história.
Relevantné premenné môžu zahŕňať chémiu vytvrdzovacieho činidla alebo katalyzátora, harmonogram vytvrdzovania, úpravu po vytvrdnutí, vývoj siete, zvyškový obsah prchavých látok, pórovitosť, úpravu vlhkosti a históriu tepelného starnutia. Zmeny v štruktúre siete môžu ovplyvniť modul, prechodové správanie, húževnatosť a rozptyl, ale smer a veľkosť závisia od špecifického zloženia a testovacích podmienok.
Modifikované živicové systémy môžu produkovať rôzne viskoelastické spektrá v závislosti od chémie modifikátora, kompatibility, morfológie, disperzie a interakcie s vytvrdenou sieťou. Nemalo by sa predpokladať, že modifikácia maximalizuje súčasne tuhosť, rozptyl, húževnatosť a tepelný výkon.
Odozva kompozitu tiež závisí od typu výstuže, frakcie, dĺžky, architektúry, orientácie, disperzie, povrchovej úpravy, kvality rozhrania, obsahu dutín, konfigurácie laminátu, smeru testu a prenosu zaťaženia.
Keď je celkové zloženie obmedzené, zmena obsahu živice môže tiež zmeniť frakciu vystuženia, impregnáciu, tvorbu dutín, oblasti bohaté na živicu a kvalitu rozhrania. Jeho účinok na E′, E″ alebo tan δ nemožno odvodiť zo samotného obsahu živice.
Systémy s nekonečnými vláknami, krátkymi vláknami, tkané systémy a systémy plnené časticami by sa nemali popisovať pomocou jedného zovšeobecneného trendu. V anizotropných kompozitoch sa výsledky získané v rôznych smeroch materiálu môžu podstatne líšiť.
Čo môže a nemôže zaviesť DMA
DMA môže podporovať skríning materiálu, porovnávanie receptúr, hodnotenie zachovania tuhosti a charakterizáciu disipatívneho a prechodového správania v rámci testovaných podmienok.
Samotné DMA nestanovuje hluk na úrovni systému, izoláciu vibrácií, odolnosť proti nárazu, únavovú životnosť, štrukturálnu odolnosť, požiarnu odolnosť, dlhodobú životnosť alebo vhodnosť finálnych komponentov. Tieto výsledky tiež závisia od geometrie, okrajových podmienok, spojení, zaťažovacích spektier, environmentálnej expozície, mechanizmov poškodenia a interakcií s inými materiálmi alebo subsystémami.
Vyššie E″ alebo tan δ namerané na laboratórnej vzorke nezaručuje tichší alebo lepšie izolovaný komponent. Podobne krivka modulu DMA nepotvrdzuje ochranu proti nárazu ani dlhodobú štrukturálnu výkonnosť.
Praktický rámec porovnania
Zmysluplné porovnanie údajov DMA vyžaduje štyri skupiny informácií.
A. Definícia materiálu
Identifikujte triedu živice a chémiu, systém vytvrdzovania, výstuž alebo plnivo, architektúru a orientáciu, zloženie, prípravu vzorky, históriu vytvrdzovania, úpravu a príslušnú pórovitosť alebo defekty.
B. Definícia testu
Uveďte režim deformácie, geometriu vzorky, teplotný rozsah, frekvenciu, amplitúdu deformácie, rýchlosť ohrevu a atmosféru, ak je to relevantné, a základ použitý na stanovenie vhodného rozsahu odozvy.
C. Hlásené výstupy
Uveďte E′, E″ a tan δ za uvedených podmienok. Ak je priradená teplota prechodu, identifikujte použité kritérium, ako je E′ nástup alebo E″ alebo tan δ. Ak sú k dispozícii, mali by sa uviesť informácie o opakovateľnosti alebo variabilite vzorky.
D. Výklad aplikácie
Prepojte merania so zamýšľaným teplotným a frekvenčným rozsahom, požiadavkami na tuhosť, odozvou súvisiacou so rozptylom a ďalšími relevantnými materiálovými kritériami. Validácia na úrovni komponentov zostáva oddelená od interpretácie DMA na úrovni materiálu.
Tento rámec je skôr informačný ako univerzálny testovací protokol. Metódy, podmienky a akceptačné kritériá by sa mali zvoliť pre špecifický materiál a zamýšľanú aplikáciu.
Informácie pre predbežnú kontrolu materiálu
Hodnoty TDS a zverejnené údaje DMA by sa mali považovať skôr za predbežné skríningové informácie než za záruky výkonu.
Uvedené údaje nemusia predstavovať každú výrobnú dávku, smer vzorky, stav vytvrdzovania, históriu kondicionovania alebo konečnú konfiguráciu kompozitu. Výsledky získané použitím rôznych laboratórií, prístrojov, deformačných režimov, geometrií alebo kritérií na zníženie údajov by sa nemali porovnávať bez potvrdenia metodologickej kompatibility.
Priemyselní zákazníci, ktorí hľadajú predbežnú technickú diskusiu, môžu poskytnúť zamýšľanú funkciu živice, kompozitnú architektúru, typ výstuže, príslušné podmienky vytvrdzovania, cieľovú teplotu a frekvenčný rozsah, požadovanú dokumentáciu a výkonnostné kritériá špecifické pre aplikáciu.
Dodávateľ môže poskytnúť dostupnú dokumentáciu k produktu a zverejnené informácie o triede. Konečný výber materiálu a validácia komponentov by mali byť založené na reprezentatívnom testovaní, ktoré vykonal alebo vyhodnotil kvalifikovaný personál zákazníka. Samotné údaje DMA na úrovni materiálu nestanovujú vhodnosť konečného komponentu.
Záver
Viskoelastická odozva kompozitu na báze fenolovej živice odráža interakciu chémie živice, stavu vytvrdnutia, výstuže, rozhraní, architektúry kompozitu, environmentálnej histórie a testovacích podmienok.
DMA poskytuje informácie o úložnom module, stratovom module, stratovom faktore a prechodovom správaní v rámci definovaného testovacieho rámca. Tieto merania sú závislé od podmienok a nemali by sa považovať za univerzálne konštanty alebo priame predpovede výkonu hotového komponentu.
Zmysluplné porovnanie vyžaduje, aby sa definícia materiálu, história vzorky, testovacie podmienky, kritériá podávania správ a zamýšľané aplikačné požiadavky posudzovali spoločne.
Kontaktovať
Priemyselní zákazníci môžu kontaktovať dodávateľa a vyžiadať si dostupnú produktovú dokumentáciu a zverejnené informácie o triede na predbežné vyhodnotenie.
Zákazníci môžu poskytnúť zamýšľanú funkciu živice, kompozitnú štruktúru, typ výstuže, príslušné podmienky vytvrdzovania, cieľovú teplotu a frekvenčný rozsah, požadovanú dokumentáciu a príslušné výkonnostné kritériá. Predbežná technická komunikácia nepredstavuje záruku tlmenia, konštrukčného výkonu, životnosti, bezpečnosti alebo súladu s predpismi.
Referencie
[1] Agarwal, BD a Broutman, LJ (1990). Analýza a výkonnosť vláknitých kompozitov (2. vydanie). John Wiley & Sons. ISBN: 978-0-471-51152-6.
[2] Fried, JR (2014). Polymer Science and Technology (3. vydanie). Pearson. ISBN: 978-0-13-703955-5.
[3] Menard, KP (2008). Dynamická mechanická analýza: praktický úvod (2. vydanie). CRC Press. Vytlačiť ISBN: 978-1-4200-5312-8. https://doi.org/10.1201/9781420053135
[4] ASTM International. (2020). ASTM D4065-20: Štandardná prax pre plasty: Dynamické mechanické vlastnosti: Stanovenie a správa o postupoch. ASTM International. https://doi.org/10.1520/D4065-20