Бехбуд Абеді та Ендрю Дженіс (TA Instruments)
Переклад і підготовка: ЛЕМ Україна
Оглянемо деякі веселі та, можливо, несподівані заняття навколо нас, які пов’язані з реологією!
При святкуванні Нового Року за місячним календарем люди запускають небесні ліхтарики, чим символічно відпускають минулорічні проблеми та вітають нові починання. Традиція небесних ліхтариків налічує тисячі років – від буддистських монахів, що жили в другому сторіччі, до сучасних фестивалів в Китаї, Південній Кореї, Японії та Тайвані. Протягом років ліхтарики самі по собі еволюціонували від традиційних, виготовлених з бамбуку та рисового паперу, до сучасних виробів, що містять синтетичні матеріали. Нерідко сучасні матеріали вважаються міцнішими, але, оскільки традиційні ліхтарики все ще використовуються, ми захотіли перевірити ці припущення через вимірювання характеристик матеріалів і подивитися, чи насправді сучасні ліхтарики кращі за традиційні.
Ми замовили традиційні екологічно чисті матеріали для ліхтариків і серійний сучасний ліхтарик, а потім задіяли реологічний та термічний аналіз, щоб швидко вивчити обидва види небесних ліхтариків.
Реологічний та термічний аналіз: Динамічний дует
Коли реологія, наука по текучість і деформацію, об’єднується з термічним аналізом, наприклад, з термогравіметричним аналізом, вони утворюють досконалий дует для розв’язання задач. Разом вони здатні:
- діагностувати поведінку матеріалів, тобто показати, як саме матеріали поводяться в різних умовах;
- оптимізувати технологічні процеси, а саме покращити процеси виробництва за рахунок прогнозування поведінки матеріалів;
- забезпечити якість, гарантуючи, що матеріали будуть здатні витримати реальні умови цільового застосування.
По суті, вони поєднують свої суперздатності, щоб ми могли бути впевненими, що матеріали впораються зі своєю задачею, незважаючи на будь-які труднощі!
ДМА: Фітнес-тест для матеріалів
Динамічний механічний аналіз (ДМА), що є свого роду фітнес-тестом для матеріалів, вимірює, як саме вони розтягуються, згинаються та повертаються в початковий стан під дією різних температур і сил. Тут йдеться про гнучкість та міцність матеріалу. При проведенні ДМА до матеріалу прикладається хвилеподібне (синусоїдальне) навантаження та ведеться спостереження за тим, наскільки сильно він деформується. Це дозволяє визначати модуль зберігання та спостерігати пружну поведінку матеріалу. Більш високий модуль відповідає жорсткішому матеріалу, тоді як пружність показує, наскільки добре матеріал може повертатися до його початкової форми.
ТГА: Найкращий вагоспостерігач для матеріалів
Термогравіметричний аналіз (ТГА) відстежує зміни ваги з часом, зазвичай як функцію температури. Цей інструмент може повідомити багато важливих характеристик матеріалу, як от термостійкість, вологовміст і відносна стабільність у різних атмосферних умовах. ТГА визначає температуру розкладання матеріалів шляхом безперервної реєстрації ваги зразка по мірі його нагрівання. Будь-які втрати ваги свідчать про вивільнення летких компонентів або розкладання матеріалу. На основі отриманих даних будується ТГА-крива, що показує втрати ваги як функцію температури. Точка, в якій має місце значна втрата ваги, може бути ідентифікована як температура розкладання.
Порівняння рисового та синтетичного паперів
Ми виконали ТГА-випробування традиційного рисового та сучасного синтетичного паперів за допомогою Discovery™ TGA 5500. Випробування проводились в атмосфері повітря при швидкості 50 °C/хв. для того, щоб імітувати реальну ситуацію, коли запалена свічка швидко нагріває навколишнє повітря, а потім папір. Помічено, що у рисового паперу температура початку процесу розкладання приблизно на 100 °C вища ніж у синтетичного (див. Рисунок 1), що є перевагою традиційного ліхтарика! Це означає кращу термостійкість, а також те, що наш небесний ліхтарик бажань може злетіти вище.
Рисунок 1. Результати ТГА щодо початку деградації рисового та синтетичного паперів
За допомогою Discovery™ DMA 850 ми провели циклічні випробування з розгорткою по частоті при розтягненні. Для того, щоб переконатися, що матеріал знаходився в області лінійної в’язкопружності (англ. Linear Viscoelastic Region, LVR), проводились випробування з розгорткою по деформації. Це дозволяє визначити критичну деформацію, при перевищенні якої відгук матеріалу стає нелінійним. В межах LVR структура матеріалу залишається неушкодженою, а вимірювання відображають істинні в’язкопружні властивості і не призводять до виникнення будь-якої залишкової деформації. До матеріалу прикладалося синусоїдальне навантаження з постійною амплітудою, а його частота поступово змінювалась від низьких до високих значень. Був розрахований модуль зберігання (G’). Помічено, що порівняно з синтетичним папером рисовий папір демонструє більш високу жорсткість, тобто при прикладеному ззовні напруженні (розтягнення) цей матеріал є більш стійким до деформації (див. Рисунок 2). Це означає, що традиційні ліхтарики з більшою ймовірністю залишатимуться неушкодженими під напруженням.
Рисунок 2. Випробування з розгорткою по частоті рисового та синтетичного паперів – режим розтягнення
Можна сказати, що діаграма деформування – це сюжетна лінія матеріалу, яка розповідає його історію при напруженні. Тому ми побудували такі криві для обох видів паперу (Рисунок 3). У типової діаграми на початковій стадії напруження пропорційне деформації. Матеріал поводиться пружно, як гумова стрічка. Після цього він сягає своєї границі пружності, а згодом границі плинності, яка визначає максимальне значенням напруження, якого можна досягнути перш ніж деформація стане постійною, а повернення до первинної форми стане неможливим. Далі йде границя міцності: матеріал досягає своєї максимальної міцності. Нарешті, в точці руйнування, матеріал розламується. Це кінець сюжетної лінії.
Рисунок 3. Діаграми деформування рисового та синтетичного паперів при кімнатній температурі
При кімнатній температурі границя плинності для рисового паперу трохи вища, ніж для синтетичного. Цей результат показує, що рисовий папір може витримувати більш високе напруження, перш ніж розпочнеться його пластичне деформування. Після переходу через границю плинності величина напруження зменшується для обох видів паперу, але, що цікаво, навіть при деформації у 8 % відсутні чіткі ознаки досягнення точки руйнування або розривання. Волокна в цих видах паперу утримують його частини разом, витримуючи значні деформації та суттєво розтягуючись.
Після цього ми захотіли подивитися, як полум’я свічки буде впливати на різні види паперу впродовж польоту ліхтарика. Температура полум’я може сягати 1000 °C. В межах (10 … 25) см від полум’я, де тепло буде впливати на рисовий папір та бамбуковий каркас, температура при запалюванні свічки може бути в діапазоні (50 … 100) °C. Через декілька хвилин вона може зрости до (200 … 250) °C. Це критичний час, необхідний для того, щоб ліхтарик піднявся якомога вище, а температура є трохи нижчою за температури розкладання. Тому ми повторно виміряли діаграму деформування при постійній температурі 200 °C для того, щоб відстежити поведінку паперу в умовах, коли ліхтарики світяться, нагріваються та піднімаються вище.
Рисунок 4, аналогічно Рисунку 3, демонструє, що рисовий папір має трохи вищу границю плинності. Ще більш цікавим є те, що навіть при 200 °C натуральні волокна рисового паперу запобігають його повному розділенню на частини, а очевидна точка розривання відсутня. Проте для синтетичного паперу, на відміну від випадку кімнатної температури, при 200 °C є чітко виражена точка розривання при деформації меншій 0,5 %. Ці ліхтарики можуть ніколи не піддаватися впливу деформацій такої величини при нормальних умовах, але отримані результати переконують, що якщо серійний ліхтарик може виконувати роботу при 200 °C, то традиційний ліхтарик працюватиме ще краще, без ризику завершення його подорожі.
Рисунок 4. Діаграми деформування рисового та синтетичного паперів при 200 °C
Каркаси ліхтариків
Хоча папір і є ключовою складовою небесного ліхтарика, але не можна забувати про каркас, який утримує все разом! Ми придбали бамбук для каркасів, обравши при цьому варіант, тонший за сучасний каркас, для того, щоб ліхтарик був легшим. До того ж, ми не впевнені, що точно знаємо, який саме матеріал використовується для товщого сучасного каркасу. Але чи буде цей тонший бамбук демонструвати такі ж хороші механічні властивості як сучасний каркас? Ми знову використали наш вірний Discovery™ DMA 850 для проведення деяких випробувань. Були виконані циклічні випробування на згинання для того, щоб виміряти та порівняти модулі зберігання для тонкого бамбукового каркасу та сучасного каркасу.
Спочатку було проведено схоже на описане вище швидке ТГА-випробування для визначення температури розкладання. Обидва каркаси продемонстрували близькі значення, виші за 250 °C, що заспокоює, оскільки вони витримують тепло від полум’я (див. Рисунок 5).
Рисунок 5. Результати ТГА щодо початку деградації тоншої бамбукової смужки та товщого каркасу
Як видно з Рисунку 6, обидва зразки каркасів, незважаючи на їхню різну товщину, мають дуже близькі модулі згину (модулі пружності по згину), що свідчить про близьку жорсткість при згинанні.
Рисунок 6. Випробування з розгорткою по частоті двох видів каркасів – режим згинання
Для перевірки того, що тонший каркас буде працювати так само добре, як і товщий каркас сучасного ліхтарика, для них обох були проведені випробування на повзучість-відновлення.
Випробування на повзучість-відновлення має схожість із задачею визначення границі витривалості матеріалу. Це працює наступним чином. До матеріалу прикладається постійне навантаження або напруження. Матеріал деформується з часом, і ця деформація записується у вигляді кривої повзучості. Після цього напруження знімається і реєструється крива відновлення, що описує здатність матеріалу повертатися до своєї початкової форми.
Таке випробування є корисним з точки зору прогнозування поведінки матеріалів при довготривалих навантаженнях в реальних застосуваннях. Як і очікувалось, тонший бамбук показав сильнішу деформацію при випробуваннях на повзучість. Однак крива відновлення вразила, оскільки бамбук відновлювався майже так само добре, як і товщий каркас. Це означає, що традиційний ліхтарик витримає подорож в небо, навіть маючи тонший бамбуковий каркас (див. Рисунок 7).
Рисунок 7. Випробування на повзучість-відновлення для обох видів каркасів при напруженні нижче границі плинності
Подорож надії та єдності
Для створення небесного ліхтарика необхідно виготовити папір, каркас, приєднати джерело тепла, а також гарантувати безпечність його запуску. Ми з’ясували, що традиційні матеріали ліхтариків безумовно придатні для цієї задачі! Навіть після тисяч років інновацій в матеріалознавстві традиційні ліхтарики, виготовлені з рисового паперу і тонкого бамбуку, можуть літати так само довго та високо, як і сучасні. З часів появлення в древньому Китаї й до використання в сучасних святкуваннях, небесні ліхтарики полонять серця та надихають на роздуми. Пливучі в небі вони нагадують нам про силу спільного досвіду людства і загальне прагнення до миру, процвітання та нових починань, що робить їх улюбленою традицією під час святкування Місячного Нового року та після цього. А Ви коли-небудь брали участь у фестивалі небесних ліхтариків чи запускали їх самостійно?
