Introducere
Compozite pe bază de rășini fenolicesunt formulate dintr-o matrice fenolică întărită împreună cu fibre, materiale de umplutură sau alți constituenți. Răspunsul lor vâscoelastic măsurat depinde de sistemul complet de material și de condițiile de testare.
Pentru inginerii și formulatorii care evaluează compozitele fenolice, analiza mecanică dinamică (DMA) poate oferi o perspectivă asupra răspunsului legat de rigiditate, disiparea energiei mecanice și comportamentul de tranziție. Aceste rezultate trebuie interpretate cu o înțelegere a modulului de stocare, a modulului de pierdere, a factorului de pierdere și a efectelor chimiei rășinilor, armăturii, temperaturii, frecvenței și configurației testului.
Acest articol prezintă un cadru practic pentru evaluarea comportamentului vâscoelastic al compozitelor pe bază de rășini fenolice, fără a trata măsurătorile DMA la nivel de material ca dovadă directă a performanței componentelor finite.
Ce înseamnă viscoelasticitatea într-un compozit fenolic întărit
Viscoelasticitatea descrie răspunsul mecanic dependent de timp al unui material la deformare. Într-un vindecatrășină fenolică, rețeaua reticulata poate prezenta atât o componentă elastică, cât și o componentă disipativă sub o sarcină aplicată.
În timpul unui test mecanic oscilator, răspunsul poate prezenta un decalaj de fază între solicitarea aplicată și deformarea rezultată. Într-un cadru vâscoelastic liniar, acest răspuns poate fi rezolvat într-o componentă în fază, legată de rigiditate și o componentă defazată, legată de disipare.
O rețea fenolică întărită nu suferă un flux de topire în maniera unui termoplastic nereticulat. Cu toate acestea, fluajul, relaxarea tensiunii, deformarea dependentă de timp și deteriorarea pot apărea în funcție de temperatură, sarcină, durată, mediu și starea materialului.
Posibilele surse de disipare pot include relaxarea moleculară în cadrul matricei și interacțiunile din regiunile de interfază. Contribuțiile lor relative depind de sistemul material și de condițiile de testare.
Răspunsul măsurat al unui compozit fenolic reflectă, prin urmare, comportamentul combinat al matricei polimerice, armăturii, interfețelor și arhitecturii materialului.
Interpretarea E′, E″ și tan δ
DMA raportează de obicei modulul de stocare, modulul de pierdere și factorul de pierdere.
Modulul de stocare (E′) este componenta în fază a modulului complex și este asociat cu răspunsul elastic sau legat de rigiditate al materialului în condițiile de testare menționate. Un E' mai mare indică o rezistență mai mare la deformare în acel test, dar nu stabilește o performanță superioară în fiecare aplicație dinamică.
Modulul de pierdere (E″) este componenta defazată a modulului complex și este asociat cu disiparea energiei mecanice sub deformare ciclică. Un E″ mai mare nu demonstrează în sine un zgomot mai scăzut al sistemului, o izolare îmbunătățită la vibrații sau o durată de viață mai lungă a componentelor.
Factorul de pierdere (tan δ = E″/E′) exprimă echilibrul relativ dintre răspunsul disipativ și elastic în condițiile specificate. Este adesea sensibil la comportamentul de relaxare și tranziție, dar nu este o măsură directă a eficacității amortizarii la nivel de sistem.
E′, E″ și tan δ depind de temperatură, frecvență, amplitudine de deformare, geometria specimenului, modul de deformare, orientarea fibrei, condiționare și alte variabile procedurale. Prin urmare, acestea ar trebui comparate numai atunci când materialele relevante și condițiile de testare sunt suficient de aliniate.
Dependența de temperatură și atribuirea tranziției
Dependența de temperatură a lui E′, E″ și tan δ este specifică sistemului de material și condițiilor de testare.
În multe sisteme de polimeri reticulați, E′ se poate schimba substanțial printr-o regiune de tranziție sticloasă pe măsură ce mobilitatea moleculară se modifică. Poziția și forma acestui răspuns depind de formulare, dezvoltarea rețelei, armare, umiditate, istoricul termic și condițiile de testare.
Modificările în E′ și vârfurile sau alte caracteristici în E″ și tan δ pot produce diferite temperaturi de tranziție atribuite. Sistemele multifazice sau eterogene pot prezenta caracteristici largi, umeri sau mai mult de un răspuns de relaxare.
Prin urmare, orice temperatură de tranziție raportată ar trebui să identifice criteriul de măsurare și condițiile de testare utilizate. O temperatură de tranziție derivată din DMA nu este interschimbabilă cu o temperatură de descompunere termică, o temperatură de deformare a căldurii, o valoare a conductibilității termice, un rezultat al testului de incendiu sau un rating de utilizare continuă.
Măsurătorile DMA pe termen scurt nu trebuie utilizate singure pentru a prezice îmbătrânirea termică, fluajul sau durata de viață pe termen lung.
Frecvența, scara de timp și amplitudinea deformarii
Măsurătorile viscoelastice depind de frecvență și timpul de observare. Într-un interval de răspuns adecvat, schimbarea frecvenței poate modifica E′, E″, tan δ și poziția aparentă a caracteristicilor de tranziție. Direcția și amploarea acestor modificări depind de structura materialului, temperatură și configurația testului.
Amplitudinea deformarii afectează, de asemenea, răspunsul măsurat. Datele DMA sunt interpretate în mod obișnuit într-un interval în care răspunsul este aproximativ liniar în condițiile menționate. Acest interval poate varia în funcție de temperatură, frecvență, modul de deformare, geometria specimenului și condiționare. Un interval identificat într-o singură condiție nu trebuie aplicat automat unui întreg program de testare.
Modul de testare, dimensiunile probei, dispozitivele de fixare, prindere și direcția materialului influențează, de asemenea, rezultatele. Datele generate folosind diferite configurații nu trebuie comparate fără a se stabili mai întâi compatibilitatea metodologică adecvată.
Chimia rășinilor, starea de vindecare și arhitectura compozită
Comportamentul vâscoelastic al unui compozit fenolic poate fi influențat dechimia rășinilor, starea de vindecare, formularea, procesarea și istoricul mediului.
Variabilele relevante pot include chimia agentului de întărire sau a catalizatorului, programul de întărire, tratamentul post-întărire, dezvoltarea rețelei, conținutul volatil rezidual, porozitatea, condiționarea umidității și istoricul de îmbătrânire termică. Modificările în structura rețelei pot afecta modulul, comportamentul de tranziție, duritatea și disiparea, dar direcția și magnitudinea depind de formularea și condițiile specifice de testare.
Sistemele de rășini modificate pot produce spectre vâscoelastice diferite în funcție de chimia modificatorului, compatibilitate, morfologie, dispersie și interacțiune cu rețeaua întărită. Nu se presupune că o modificare maximizează simultan rigiditatea, disiparea, duritatea și performanța termică.
Răspunsul compozit depinde, de asemenea, de tipul de armătură, fracțiunea, lungimea, arhitectura, orientarea, dispersia, tratarea suprafeței, calitatea interfeței, conținutul de goluri, configurația laminatului, direcția de testare și transferul de sarcină.
Când compoziția totală este constrânsă, o modificare a conținutului de rășină poate modifica, de asemenea, fracția de armare, impregnarea, formarea de goluri, regiunile bogate în rășină și calitatea interfeței. Efectul său asupra E′, E″ sau tan δ nu poate fi dedus numai din conținutul de rășină.
Sistemele cu fibre continue, fibre scurte, țesute și umplute cu particule nu trebuie descrise folosind o tendință generalizată. În compozitele anizotrope, rezultatele obținute în diferite direcții ale materialelor pot diferi substanțial.
Ce poate și ce nu poate stabili DMA
DMA poate sprijini screening-ul materialului, compararea formulării, evaluarea reținerii rigidității și caracterizarea comportamentului disipativ și de tranziție în condițiile testate.
Numai DMA nu stabilește zgomotul la nivel de sistem, izolarea la vibrații, rezistența la impact, durata de viață la oboseală, durabilitatea structurală, performanța la foc, durata de viață pe termen lung sau adecvarea componentelor finale. Aceste rezultate depind, de asemenea, de geometrie, condiții la limită, conexiuni, spectre de încărcare, expunerea la mediu, mecanismele de deteriorare și interacțiunile cu alte materiale sau subsisteme.
Un E″ sau tan δ mai mare măsurat pe o probă de laborator nu garantează o componentă mai silențioasă sau mai bine izolată. În mod similar, o curbă de modul DMA nu validează protecția la impact sau performanța structurală pe termen lung.
Un cadru practic de comparație
Compararea semnificativă a datelor DMA necesită patru grupuri de informații.
A. Definiția materialului
Identificați calitatea și chimia rășinii, sistemul de întărire, armătura sau umplutura, arhitectura și orientarea, compoziția, pregătirea specimenului, istoricul de întărire, condiționarea și porozitatea sau defectele relevante.
B. Definiția testului
Raportați modul de deformare, geometria probei, intervalul de temperatură, frecvența, amplitudinea deformarii, viteza de încălzire și atmosfera, acolo unde este cazul, și baza utilizată pentru a stabili un interval de răspuns adecvat.
C. Rezultate raportate
Raportați E′, E″ și tan δ în condițiile stabilite. Dacă este atribuită o temperatură de tranziție, identificați criteriul utilizat, cum ar fi un debut E′ sau o caracteristică E″ sau tan δ. Informațiile privind repetabilitatea sau variabilitatea specimenului trebuie incluse acolo unde sunt disponibile.
D. Interpretarea aplicației
Relaționați măsurătorile cu intervalul de temperatură și frecvență dorit, cerințele de rigiditate, răspunsul legat de disipare și alte criterii relevante ale materialelor. Validarea la nivel de componentă rămâne separată de interpretarea DMA la nivel de material.
Acest cadru este mai degrabă informațional decât un protocol de testare universal. Metodele, condițiile și criteriile de acceptare ar trebui selectate pentru materialul specific și pentru aplicarea dorită.
Informații pentru verificarea preliminară a materialelor
Valorile TDS și datele DMA publicate ar trebui tratate mai degrabă ca informații preliminare de screening decât ca garanții de performanță.
Este posibil ca datele raportate să nu reprezinte fiecare lot de producție, direcția probei, starea de întărire, istoricul condiționării sau configurația finală a compozitului. Rezultatele produse folosind diferite laboratoare, instrumente, moduri de deformare, geometrii sau criterii de reducere a datelor nu trebuie comparate fără a confirma compatibilitatea metodologică.
Clienții industriali care doresc o discuție tehnică preliminară pot furniza funcția de rășină dorită, arhitectura compozitului, tipul de armătură, condițiile de întărire relevante, temperatura țintă și intervalul de frecvență, documentația necesară și criteriile de performanță specifice aplicației.
Un furnizor poate furniza documentația disponibilă despre produs și informații publicate despre calitate. Selecția finală a materialului și validarea componentelor ar trebui să se bazeze pe teste reprezentative efectuate sau evaluate de personalul calificat al clientului. Numai datele DMA la nivel de material nu stabilesc compatibilitatea finală a componentelor.
Concluzie
Răspunsul vâscoelastic al unui compozit pe bază de rășini fenolice reflectă interacțiunea dintre chimia rășinii, starea de întărire, armarea, interfețele, arhitectura compozitului, istoricul mediului și condițiile de testare.
DMA oferă informații despre modulul de stocare, modulul de pierdere, factorul de pierdere și comportamentul de tranziție într-un cadru de testare definit. Aceste măsurători sunt dependente de condiție și nu trebuie tratate ca constante universale sau predictori direcți ai performanței componentelor finite.
O comparație semnificativă necesită ca definiția materialului, istoricul specimenului, condițiile de testare, criteriile de raportare și cerințele de aplicare preconizate să fie luate în considerare împreună.
Contact
Clienții industriali pot contacta furnizorul pentru a solicita documentația disponibilă a produsului și informațiile publicate despre calitate pentru evaluare preliminară.
Clienții pot furniza funcția de rășină dorită, structura compozită, tipul de armătură, condițiile relevante de întărire, temperatura țintă și intervalul de frecvență, documentația necesară și criteriile de performanță aplicabile. Comunicarea tehnică preliminară nu constituie o garanție a amortizarii, a performanței structurale, a duratei de viață, a siguranței sau a conformității cu reglementările.
Referințe
[1] Agarwal, BD și Broutman, LJ (1990). Analiza și performanța compozitelor cu fibre (ed. a II-a). John Wiley & Sons. ISBN: 978-0-471-51152-6.
[2] Fried, JR (2014). Știința și Tehnologia polimerilor (ed. a treia). Pearson. ISBN: 978-0-13-703955-5.
[3] Menard, KP (2008). Analiza mecanică dinamică: o introducere practică (ed. a 2-a). CRC Press. ISBN tipărit: 978-1-4200-5312-8. https://doi.org/10.1201/9781420053135
[4] ASTM International. (2020). ASTM D4065-20: Practică standard pentru materiale plastice: Proprietăți mecanice dinamice: Determinarea și raportarea procedurilor. ASTM International. https://doi.org/10.1520/D4065-20