Bestämning av dynamiska moduler hos fluorgummi FKM 70–1. : En motodbeskrivning för dynamiska modulvärden.

Postadress: Besöksadress: Telefon:

Box 1026 Gjuterigatan 5 036-10 10 00 (vx)

551 11 Jönköping

Bestämning av dynamiska moduler hos

fluorgummi FKM 70–1.

En metodbeskrivning för dynamiska modulvärden.

HUVUDOMRÅDE: Maskinteknik

FÖRFATTARE: Elvira Hellgren & Emil Johnsson

HANDLEDARE:Stefan Carlsson, Rohollah Ghasemi, Jonny Tran

2 Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik, samt vid företaget Husqvarna AB i Huskvarna. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Muhammad Irfan Qadeer

Handledare: Stefan Carlsson, Rohollah Ghasemi, Jonny Tran Omfattning: 15 HP

iii

Abstract

In order to quality assure and investigate material compositions in materials for components, safe methods need to be used to obtain correct results. When starting up a new analysis tool, a basic investigation is needed of how the tool is prepared, operated and how analysis data is interpreted. This is to maneuver the analysis tool correctly in the future work. Misuse of the analysis tool could potentially lead to the wrong material being selected for components and failure to respond to accident investigations.

This thesis has been written at Husqvarna AB and its department Specialist Lab´s Material Laboratory. This study would lay the groundwork for how their new dynamic mechanical analysis tool should be used and operated to obtain correct material data for future analyzed materials.

Dynamic mechanical analysis is a tool that has a wide range of application and Husqvarna's main purpose is to be able to analyze the dynamic mechanical properties of different polymers and rubber types.

This study will primarily address an analysis of the dynamic properties of polyethylene FKM 70-1 in a DMA instrument. This is to carry out a successful analysis that can be used as a basis for future work in Husqvarna's DMA instrument.

Keywords: Dynamic mechanical analysis (DMA), glass transition, elasticity, viscosity,

iv

Sammanfattning

För att kvalitetssäkra och utreda materialsammansättningar i material till komponenter behöver säkra metoder användas för att uppnå korrekta resultat. Vid uppstart och igångsättning av ett nytt analysverktyg behövs en grundläggande utredning av hur verktyget förbereds, manövreras och hur analysdata tolkas. Detta för att kunna manövrera analysverktyget på ett korrekt sätt i det fortsatta arbetet. Felanvändning av analysverktyget skulle potentiellt kunna leda till att fel material väljs till komponenter och att haveriutredningar besvaras fel.

Detta examensarbete har utförts vid Husqvarna AB och dess avdelningen Specialist Lab´s Material Laboratory. Denna studie lägger en grund för hur deras nya dynamisk mekanisk analys-verktyg bör användas och manövreras för att få korrekt materialdata för det analyserade materialet.

Dynamisk mekanisk analys är ett verktyg som har ett brett användningsområde och Husqvarnas huvudsakliga syfte är att kunna analysera de dynamiska mekaniska egenskaperna hos olika polymerer och gummisorter som de använder till sina produkter.

Denna studie kommer framför allt att behandla en analys av dynamiska egenskaperna av fluorgummi FKM 70-1 i ett DMA-instrument. Detta med syftet att utföra en lyckad analys som kan läggas till grund för framtida arbete i Husqvarnas DMA-instrument.

Nyckelord: Dynamisk mekanisk analys (DMA), glasövergång, elasticitet, viskositet,

v

Innehållsförteckning

1

Introduktion ... 7

1.4 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR... 9

1.5 AVGRÄNSNINGAR ... 10

1.6 DISPOSITION ... 10

2

Teoretiskt ramverk ... 11

2.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 11

2.2 POLYMERER ... 11

2.3 MÄTSYSTEMSVARIATIONER ... 14

2.4 DIFFERENTIALSÖKNINGSKALORIMETRI (DSC) ... 15

2.5 THERMOGRAVIMETRIC ANALYSIS (TGA) ... 16

2.6 DYNAMISK MEKANISK ANALYS (DMA) ... 17

2.7 ISO-STANDARDER ... 28

2.8 PROVFÖRBEREDELSER ... 30

3

Metod och Genomförande... 31

3.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD ... 31

3.2 FÖRSTUDIE ... 31

3.3 DSC ... 32

3.4 TGA ... 32

3.5 DMA ... 34

4

Resultat och Diskussion ... 37

vi

4.2 RESULTAT TGA ... 38

4.3 RESULTAT FÖRSKJUTNINGSKRAFT ... 39

4.4 RESULTAT KRAFTAMPLITUD/ FÖRSKJUTNINGSAMPLITUD ... 41

4.5 SLUTLIGT RESULTAT ... 43

5

Slutsatser och vidare arbete... 47

5.1 FRÅGESTÄLLNING 1 ... 47

5.2 FRÅGESTÄLLNING 2 ... 47

5.3 FRÅGESTÄLLNING 3 ... 47

5.4 FRÅGESTÄLLNING 4 ... 47

5.5 SAMMANFATTNING OCH IMPLIKATIONER ... 48

5.6 VIDARE ARBETE OCH FORSKNING ... 48

Referenser ... 49

7

1

Introduktion

Examensarbetet har skett i samverkan med Husqvarna AB och deras avdelning Specialist Lab´s Material Laboratory. Arbetet behandlar och ger en grund för en metodutveckling för ett dynamisk mekaniskt analys-instrument, med infästning i tension, som ska användas för att säkerställa materialsammansättningar hos polymerer. Detta för att garantera kvalité och hållfasthet från leverantören. Senare i rapporten kommer dynamisk mekanisk analys att benämnas DMA eller DMA-instrument.

1.1 Inledning

DMA är en teknik som använder sig av en oscillerande kraft, vilket betyder att kraften skickas i vågor genom provet. Genom att analysera provets svarförmåga för kraften, kan sedan materialegenskaper erhållas ur analysen [10, p.2]. Husqvarna AB är i behov av att upprätta en standardiserad arbetsmetod för att kunna ge en bra grund av hur mätverktyget ska användas. Detta för att Husqvarna ska genomföra modulbestämningar på gummimaterial som de använder i sina komponenter.

Tillförlitligheten hos ett analysinstrument är en mycket viktig del för att ett tillverkande företag i dagens industri ska kunna bibehålla kvalité hos sina produkter, samt upprätthålla sin konkurrenskraft gentemot andra företag. Att ta fram en standardiserad Husqvarna-metod för DMA-verktyget, skulle hjälpa företaget att få tillförlitliga provresultat.

1.2 Bakgrund

Husqvarna AB är ett multinationellt företag som idag är verksamma i stora delar av världen. Företaget grundades 1689, och var från början en vapentillverkare. Fram tills idag har företaget haft hundratals produkter ur olika kategorier i sin produktkatalog [8].

Idag är företaget ett självständigt börsnoterat bolag inriktat på utomhusartiklar som till exempel automowers, motorsågar och grästrimmers. Förutom varumärket Husqvarna har företaget även bland annat varumärken som Jonsered och Gardena, med flera i koncernen [9]. Då företagets produkter säljs över hela världen, och är avsedda att användas utomhus, måste de klara många olika klimatförhållanden. För att säkerställa denna extra utmaning, väljs komponentmaterial med omsorg. Det utförs också mycket fälttester, hållfasthetstester och kvalitetstester. Både av hela produkter och varje komponent för sig.

En stor del av denna materialsäkring står avdelningen Husqvarna Specialist Lab´s Material Laboratory för. Hit kommer inte bara ankomsttester och vanliga rutintester, utan avdelningen tillhandahåller även haveriutredningar, samt sitter med i projektgrupper för framtida material i

8 komponenter. För att kunna utföra nödvändiga tester av produkter och material behövs, förutom kunskap och erfarenhet, tillförlitliga instrument som kan ta fram materialdata för de produkter och material som testas.

Laboratoriets analysverktyg DMA 1 Stare

System är tänkt att i första hand undersöka de dynamiska och mekaniska egenskaperna hos olika polymerer och gummin, samt för att säkerställa om materialet har de egenskaper som leverantören lovar.

Då ett material kan uppvisa olika glasövergångar vid olika temperaturer och frekvenser, finns det ett intresse av att kunna identifiera dessa övergångar hos Husqvarna. Många av Husqvarnas produkter används i

olika klimat och vissa av deras produkter har olika motorfrekvenser. Dessa glasövergångar kan ett DMA-instrument analysera genom att utsätta ett prov för en viss kraft och amplitud under en funktion av temperatur, tid och frekvens [10, p.2–3].

Att införa en standardiserad Husqvarna-metod för analysverktyget skulle hjälpa företaget att på ett enkelt sätt undersöka om materialet har de önskade materialegenskaperna.

1.3 Problembeskrivning

Som nämnts ovan har ett DMA-instrument ett stort användningsområde, bland annat polymerer och därmed elastomerer. Elastomerer är ett material som används i många av Husqvarnas olika produkter, och är ett material som flitigt undersöks av avdelningen Specialist Lab´s Material Laboratory.

Vid analys i DMA-instrumentet av elastomerer krävs att rätt värden på flertalet parametrar ställs in korrekt för att ett tillförlitligt provresultat ska erhållas. Mest kritiskt för analysens resultat är den oscillerande kraftens amplitud. Denna amplitud kan hållas konstant i antingen mikrometer eller Newton. Om denna amplitud inte ställs in rätt, kan det leda till att analysens resultat inte går att lita på, då glasövergångar visas vid fel temperatur, eller att instrumentet inte hittar balans och får fram ett instabilt resultat [10, p.2–3]. Andra viktiga parametrar att ta hänsyn till är i vilken takt som temperaturer ändras över tid, samt vald frekvens som den oscillerande kraften utsätter provet för. Detta för att få en stabil och jämnare kurva. Frekvensen är dock en parameter Figur 1 DMA 1 Stare _{System från tillverkaren Mettler Toledo}

9 som är högst beroende på provets tänkta användningsområde. Samma material kan alltså köras i olika frekvenser beroende på användningsområde [10, p.2–3].

För att kunna verifiera att rätta amplituder valts, och att övriga parametrar är rätt inställda, måste materialens glasövergångar och smälttemperaturer fastställas med redan standardiserade metoder.

1.4 Syfte och frågeställningar

Syftet med studien är att ta fram data för att på ett korrekt sätt utföra en analys av elastomerer i DMA-instrumentet, och för att ge underlag till en framtida Husqvarna-standard. Detta görs genom att ta fram en fungerande metod och utföra en lyckad analys för ett valt referensmaterial. För att uppnå detta syfte behövs en studie över vilka glasövergångar som ska påträffas i det valda referensmaterialet, och vid vilka temperaturer dessa ligger. Samt vilken amplitud de oscillerande krafterna bör hållas till för att säkerställa att materialet utsätts för rätt påfrestning för att ge tolkningsbara resultat. Det bör även undersökas i vilken takt temperatur-höjningen kan ske, och mellan vilka frekvenser materialet kan analyseras under.

För att besvara studiens syfte har fyra frågeställningar tagits fram:

i. Vilka transformationsövergångar kan påträffas i det valda materialet? Detta är relevant för att hitta vart materialet har en glasövergång och för få en starttemperatur till den slutliga DMA-studien

ii. Vilken smältpunkt har valt material?

För att avvärja att materialet smälter i kammaren under analys i DMA-instrumentet så hittas materialets smälttemperatur.

iii. Till vilken storlek bör den oscillerande kraften samt förskjutningen sättas för det valda materialet?

Den oscillerande kraften bestäms för att de amplituder som provbiten utsätts för inte ska bli för små, eller stora nog att utsätta materialet för en påfrestning över dess sträckgräns. För att kompensera om materialet expanderar eller krymper vid temperaturskillnader så väljs storlek på förskjutningskraften.

iv. I vilken takt kan temperaturhöjningen ske och vilka frekvenser är applicerbara för valt material?

För att få en stabil och säker slutlig analys behöver värden på temperatur-höjning samt frekvenser konfirmeras.

10

1.5 Avgränsningar

Ett DMA-instrument har som tidigare nämnt möjlighet att testa ett stort urval av olika material. Dessa material kräver alla olika tillvägagångsätt för att säkerställa att analysen blir rätt gjord. Därför kommer denna studie att endast fokusera på att ta fram ett tillvägagångssätt för att analysera materialet AnVa FKM 70-1 i DMA-instrumentet, under infästning tension.

Vidare studier inom ämnet kan vidga omfånget av material samt infästningar.

1.6 Disposition

Denna rapport består av 5 kapitel med tillhörande underkategorier.

• Kapitel 1 Introduktion – Detta är en kort bakgrund om studien och om Husqvarnas situation idag.

• Kapital 2 Teoretiskt ramverk – Den relevanta teorin som har använts för att besvara studiens frågeställningar.

• Kapitel 3 Metod och genomförande – De olika tillvägagångssätten studien använt sig av för att besvara de olika frågeställningarna.

• Kapitel 4 Resultat och diskussion – Studiens resultat med tillhörande tolkning av dessa. • Kapitel 5 Slutsatser och vidare arbete – Slutliga svar på frågeställningar samt genomgång av studiens implikationer.

11

2

Teoretiskt ramverk

I detta avsnitt presenteras de teorier som anses relevanta för att besvara studiens frågeställningar. Alla teorier som presenteras är inte direkt nödvändiga för att besvara studiens frågeställningar, men anses vara viktiga för att skapa ett djup och bättre förståelse för studiens problemområden.

2.1 Koppling mellan frågeställningar och teori

Figur 2, visar kopplingar mellan studiens frågeställningar och de teorier som presenteras nedan.

2.2 Polymerer

Polymerer, i vardagligt tal ofta kallat plast, är kemiska föreningar som är uppbyggda av långa kedjor av monomerer [1, s.5].

Polymerer delas oftast upp i tre olika kategorier:

- Termoplaster: Uppbyggda av långa kedjor som i sin tur är förenade med intermolekylära bindningar. Vid uppvärmning blir termoplaster mjukare, och till slut smälter de, och vid nedkylning stelnar de igen [2, s.134–135].

- Härdplaster: Till skillnad från termoplaster går härdplaster inte att smälta. Detta på grund av dess kemiska uppbyggnad som består av tvärbundna molekyler i ett tredimensionellt nätverk. Detta gör att de sitter sammanflätade i varandra, och kan därför inte frigöras vid uppvärmning [2, s.134–135].

- Elastomerer: Ibland även kallat elaster, urskiljer sig från de två andra kategorierna genom att vara väldigt lättrörliga och kunna töjas mycket utan att materialet brister. De långa kemiska kedjorna i en elastomer ligger i oordning i vila, och vid töjning kommer dessa kedjor att sträckas ut i den riktning som kraften appliceras [30, s.22–23]. Vilka

transformationsövergångar kan påträffas i det valda

materialet? Litteraturstudie av material Glasövergångar i valt material Viscositet i material

Vilken smältpunkt har valt material?

Litteraturstudie av material Förbränningspunkter i valt

material

Till vilken storlek bör den oscillerande kraften och förskjutningen sättas för det

valda materialet? Litteraturstudie av material DMA – Kraftamplitud DMA – Förskjutningsamplitud

I vilken takt kan temperaturhöjningen ske och vilka frekvenser är applicerbara

för valt material?

Litteraturstudie av material

DMA

12 2.2.1 Elasticitet

Elasticitet är hur ett material ändrar form i förhållande till yttre krafter. Elasticitetsmodulen av ett visst material visar hur relationen mellan mekanisk stress förhåller sig till elastisk deformationen i materialet. När ett material deformeras elastiskt övergår den energi som används för att deformera materialet till lagrad potentiell energi i materialet. Detta pågår fram till en viss gräns, sträckgränsen [3, 3:36-6.28]. Efter detta börjar istället materialet deformeras plastiskt [3, 6.28-18.22], och energin övergår då till värme.

2.2.2 Viskoelasticitet

Viskoelasticitet kan beskrivas som ett materials förmåga att deformera både elastiskt och plastiskt på samma gång. Detta är ett fenomen som är vanligt i polymerer [3, 30:23–47:16]. De viskoelastiska materialen kan delas upp i två extremkategorier, där ett viskoelastiskt material placerar sig någonstans mellan dessa -de rent elastiska materialen och de rent viskösa materialen.

- Rent elastiska material: De flesta material uppvisar elastiskt beteende under låg stress och återfår helt sin form efter deformation. Relationen mellan stress och belastning är proportionerlig och svaret från det ena orsakat av det andra kan avläsas omedelbart [11, s.31].

- Rent viskösa material: Permanent deformation i förhållande till kraft. Innehåller amorf (amorphous) kristallstruktur som gör det möjligt för materialet att deformeras plastiskt [11, s.31].

- Viskoelastiska material: De viskoelastiska materialen såsom polymerer uppvisar beteende någonstans mitt emellan dessa två typer av tillstånd med olika andelar elastiska och viskösa egenskaper [11, s.31].

Figur 3-A: Omedelbar elastisk respons då kraft tillsätts. Elasticiteten ligger kvar så länge

stressen är pålagd och återgår omedelbart då belastningen tas bort [11, s.30–31].

Figur 3-B: Om spänningen överskrider den elastiska gränsen blir förhållandet mellan stress och

belastning inte längre proportionell. I ögonblicket materialet utsätts för stress deformerar det elastiskt, men då en kraft som är större än materialets sträckgräns tillförs under en längre period kommer materialet även att plastiskt deformera. När stressen senare släpps kommer det som har plastiskt deformerats inte att återhämta sig, medan utsträckningen i den elastiska komponenten kommer att släppa direkt [11, s.30–31].

13

Figur 3-C: Vid belastning i viskoelastiska material kan en viss likhet som i Figur 3-B noteras.

Vid krafter över sträckgränsen kommer materialet först att deformera elastiskt, och samtidigt att deformera viskoelastiskt. Beroende på den tid som materialet utsätts för stress kommer alltså materialet att deformeras mer och mer viskoelastiskt. Tack vare spänningar inom materialet kommer även den viskoelastiska deformationen, till viss del beroende på tid, att återgå till sin föregående form. Detta betyder alltså att viskoelasticitet är högst beroende av tiden som materialet utsätts för stress [11, s. 30–31].

2.2.3 Fluorgummi

Fluorgummi är en sorts gummi med hög motståndskraft mot att absorbera olja, bränslen samt andra kemikalier [30, s.40]. Därför används ofta fluorgummi i komponenter kring och i motorer, där väta och olja ofta är förekommande. Vanliga komponenter är motorfästen, o-ringar, bränsleslangar med mera. Det negativa med fluorgummi är att materialet är relativt dyrt och har hög densitet [30, s.53].

[−𝐶𝐹2− 𝐶𝐻2−][−𝐶𝐹2− 𝐶𝐹 −][−𝐶𝐹2− 𝐶𝐹2−]

Kemisk hopsättning (1) [30, s.53].

Fluorgummi består av kolväten som innehåller fluor. Fluor gör kolkedjorna stabila och får därav sin låga absorberingsförmåga. Fluorgummi har även typiskt bra hållfasthetsegenskaper i höga temperaturer, och är fortfarande brukbart upp till 200°C, och i kortare perioder ända upp till 300°C [30, s. 40].

A B C

14

2.3 Mätsystemsvariationer

Alla analyser och mätmetoder innehåller variationer. Detta är självklart inget som är önskvärt, men ändå viktigt att veta om att de finns. När data insamlas och analyseras utan att ta hänsyn till detta kan allvarliga brister ske. Det är därför viktigt att vara medveten om sitt systems variationer [4].

2.3.1

Mätsystemsanalys, förkortat MSA, är en metod för att säkerställa ett mätsystems duglighet. Det är inte endast själva instrumentets variation som mäts, utan hela systemets variation inkluderas, till exempel systemets operatör och miljö [5].

Genom att använda mätsystemsanalys kan ett instruments tillförlitlighet granskas genom att utvärdera dess repeterbarhet, noggrannhet, reproducerbarhet och stabilitet [5]. Där repeterbarhet är ett systems förmåga att mäta ett och samma objekt gång på gång med liten variation. Noggrannhet är ett systems förmåga att mäta flera olika objekt riktigt och så nära verkligheten som möjligt. Reproducerbarhet är då ett mätresultat kan återskapas av en annan operatör eller av ett annat mätinstrument. Slutligen är stabilitet ett systems förmåga att återskapa ett resultat vid olika tidpunkter [5].

Då DMA-kurvor inte går att mäta med hjälp av mätsystemsanalys, har den teoretiska kunskap om möjliga variationer och vikten av ett repeterbart, noggrant utfört och reproducerbar provförberedning använts till studien.

15

2.4 Differentialsökningskalorimetri (DSC)

DSC är en metod som kan appliceras för att finna fusioner, kristallisationer, olika oxidationer, kemiska reaktioner och glastransaktioner i många olika material såsom metaller och polymerer [14]. Olika materials Tg (glasövergång), Tc (kristallövergång) och Tm (smältpunkt) kan utvinnas under analys.

För att detektera vilka olika glastransformationer ett material erhåller kan metoden DSC användas. Då ett material genomgår olika fastransformationer absorberar materialet olika mycket energi för att gå från en fas till en annan [14, s.2]. Beroende på hur mycket energi det krävs att värma upp eller kyla ner är processen exoterm eller endoterm se Figur 4. Metoden kan både användas som en rutinkontroll av material eller en del av en utredning vid okänt material.

Varje material har olika glastransaktionstemperaturer, kristallisationstemperaturer och smälttemperaturer. Genom att finna dessa och jämföra mot olika material, kan okända material bli kända genom DSC analys.

Under analys av DSC kan olika provkoppar användas av olika storlek och material. I Figur 5 visas provkoppar ME-26763 AL-CRUSIBLES 40µl.

Vid förslutning av provkopparna till analys i DSC behövs en provkoppspress användas, se Figur 6. Provkoppen med det tillhörande locket placeras vid tryckplattan och armen skruvas ett varv för att försluta provkoppen [28].

Figur 4 (Tg) Glasövergång, (Tc) Kristallisering, (Tm) Smältpunkt [14].

Figur 5 ME-26763 AL-CRUSIBLES 40µl

16

2.5 Thermogravimetric analysis (TGA)

TGA är en metod där ett provs massa mäts som funktion av temperatur och tid. Analysmetoden används för att bestämma sammansättningen i olika polymerer genom att studera när materialets olika ämnen förbränns eller avdunstar [6, s.6].

Analysen görs med hjälp av ett TGA-system. Materialet som ska analyseras mäts upp och placeras i provkoppar som förs in i instrumentet. Ett TGA-instrument har oftast möjlighet att analysera proverna under olika förhållanden, till exempel kan instrumentet omge provet i en atmosfär av vanlig luft, syre eller kväve [7, s.5].

Efter avslutad analys erhålls en graf. Denna är typiskt uppbyggd med vikt, eller procentuell vikt, som funktion av temperatur eller tid. Ett exempel visas i Figur 7, där procentuell vikt visas på y-axeln och temperatur som provet utsatts för visas i x-led [7].

Under analys av TGA kan olika deglar användas av olika storlek och material. I Figur 8 visas degel ME-24123 Alu oxide crucibles 70µl.

Figur 7 Ett exempel på ett provs minskning av massa vid en ökad temperatur

17

2.6 Dynamisk mekanisk analys (DMA)

Dynamisk mekanisk analys (DMA) blev först introducerad under mitten av 1900-talet som en analysmetod för viskoelastiska material, framför allt polymerer. Metoden användes då för att undersöka egenskaperna av plast över flera temperaturvidder [11, s.1].

Idag används DMA för att analysera och kategorisera olika typer av dynamiska och mekaniska egenskaper hos material såsom polymerer, men även lättmetaller och keramer.

DMA-instrumentet utsätter provbiten för en oscillerande kraft och mäter hur mycket energi som materialet absorberar, Tan delta δ, se Figur 9, Phase angle δ. Det är dessa kurvor som kan avläsas under instrumentets analys.

Provbiten kan spännas fast på sex olika sätt för att mäta olika material med olika materialegenskaper. De sex olika infästningarna är drag-, skjuv-, kompressions-spänning, enkel och dubbel hävstångsböjning samt trepunktsböjning, mer om detta i kapitel 2.6.2 [12].

18

DMA kan utföras som en funktion av temperatur, frekvens samt amplitud. Dessa olika parametrar har olika användningsområden beroende på vilken typ av analys som ska genomföras. Figur 10 visar vilka olika applikationer som är associerade med varje parameter [29, 11.05-11.45].

2.6.1 DMA 1 Stare _System

DMA 1 Stare _{System består av en rörlig arm som kan vridas 180° för enkel infästning av} provbiten som ska analyseras [10, s.2–3].

Figur 10 Applikationer och associerade parametrar för DMA

19 Som kan ses i Figur 12 har analyskammaren tre lösa

kammare där första kammaren är där provmaterialet fästs in, toppen är både en ugn och en kylkammare och botten är till för att testa materialet i olika vätskor. Ugnen/kylkammaren har ett temperaturspann på -190 ᵒC till 600ᵒC. För att nå ner till -190ᵒC krävs att flytande kväve, LN2, kopplas till ugnen/kylkammaren [10, s.8].

2.6.2 Infästningar i DMA

För att mäta olika material med olika egenskaper kan provbiten fästas in på sex olika sätt. Trots detta så behöver DMA 1 Stare System inte kalibreras eller justeras vid byte mellan de olika

analysmetoderna [10, s.7].

2.6.2.1 Tre-punkts böjning

Materialet vilar på två fasta konsoler medan den pålagda kraften kommer uppifrån. Denna infästning är effektiv för styva material och används i första hand för att undersöka glasövergångstemperaturen [10, s.7].

Figur 12 Genomskärning DMA 1 Stare _System

20 2.6.2.2 Enkel hävstångsböjning

Provbiten spänns fast med ena änden i en fast konsol och med andra änden i den rörliga delen. Denna infästning är effektiv för styva material

samt för tester under

glasövergångstemperaturen [10, s.7].

2.6.2.3 Dubbel hävstångsböjning Provmaterialets båda ändar spänns fast i två fasta konsoler medan den rörliga delen spänns in i mitten av provmaterialet. Denna infästning passar mjukare och tunnare material [10, s.7].

2.6.2.4 Dragspänning

Provmaterialet spänns fast i den övre fasta konsolen och i den rörliga motorn nedtill. Testet utsätts för en dragande kraft och används ofta för mjukare material [10, s.7].

Figur 14 Enkel hävstångsinfästning

Figur 15 Dubbel hävstångsinfästning

21 2.6.2.5 Kompressionsspänning

Testet utsätter provet för att tryckande kraft, och används ofta för att mäta egenskaper hos skum, geler och liknande material [10, s.7].

2.6.2.6 Skjuvspänning

Utsätter provbiten för skjuvkraft. Denna infästning är effektiv för mjukare testbitar, som elastomerer och tryckkänsliga material [10, s.7].

Figur 17 Kompressionsinfästning

22 2.6.3 Teori bakom DMA

Vid analys av DMA deformeras provbiten genom periodisk påfrestning med en oscillerande kraft, se Figur 9, och mätning av provbitens svarsförmåga görs enligt ekvationerna nedan. Beroende på leverantör av DMA verktyg förekommer olika benämningar, men E' = G' = M' och E'' = G'' = M''. Samtliga ekvationer till teori är hämtade ur SS-ISO 4664–1:2011 [21, s. 4-5, 11-12].

Vid mätning av stress i materialet:

𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜎 = 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒

𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠 𝑑𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑟𝑒𝑎= 𝐹 𝐴𝑜

Ekvation (2)

Vid mätning av sträckning i materialet:

𝑆𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝜀 =𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑜𝑓 𝑙𝑒𝑛𝑔ℎ𝑡 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑙𝑒𝑛𝑔ℎ𝑡 = ∆𝐿 𝐿 Ekvation (3) Komplexa Modulen

Mäter ett materials motståndskraft mot deformation.

𝐸∗_{= (}𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜎 𝑆𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝜀)

Ekvation (3)

Lagringsmodulen E’ (lagringskapaciteten i materialet)

Mäter hur elastiska materialet uppför sig, med andra ord hur mycket energi som materialet kan lagra innan de kemiska bindningarna går sönder.

𝐸′ _{= (}𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜎

𝑆𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝜀) ∙ cos 𝛿 = 𝐸

23 Viskositetsmodulen E’’ (förlustfaktorn i materialet)

Mäter hur mycket spridningsenergin i materialet är. Det vill säga energin som förloras i form av värme.

𝐸′_{′ = (}𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜎

𝑆𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝜀) ∙ sin 𝛿 = 𝐸

∗_{∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿} Ekvation (5)

Tan delta δ

Mäter dämpning i materialet.

𝑡𝑎𝑛𝛿 = 𝐸′ 𝐸′′

Ekvation (6)

2.6.4 Tolkning av resultat

Eftersom modulerna förändras vid olika temperaturer undersöks materialet mot en funktion av temperatur. Förändringarna genom temperatur kan ses genom E′ eller Tan delta δ [16, s.5].

I material som har en amorf atomstruktur eller material som har amorfa regioner i sin atomstruktur uppkommer en gradvis reversibel övergång mellan ett glasliknande “sprött” tillstånd till ett visköst eller gummiaktigt tillstånd då temperaturen höjs. Om ett amorft material

24 går från ett glas till ett visköst tillstånd kallas övergången glas. Den omvända övergången som uppnås under superkylning, från visköst till ett glastillstånd kallas förglasning [17].

Ett materials Tg är den temperatur då glasövergången sker och är alltid lägre än materialets smältpunkt, Tm. Glastransaktionen Tg kan under analys ses som större dipp i kurvan i lagringsmodulen om modulen är proportionerlig mot temperatur. Under detta fenomen toppar också Tan delta δ [15, s.6].

Glas Platå (Glassy plateau)

Materialet är fast men kan vara något fjädrande. De kemiska bindningarna har en liten böjning eller sträckning mellan sig. Tan delta δ är under 0,01 och materialet befinner sig under Tg [16, s.12].

Glasövergången (Glass transition region)

Materialet är mindre hårt under denna del då lagringsmodulen sänks. Tan delta δ toppar under denna fas. Toppen på Tan delta δ uppnås ofta mellan 0,1 och 1,2. Början på denna dipp kan ses som materialets Tg [16, s.12].

Läderregionen (Leathery region)

Materialet befinner sig mellan fast och flytande och är hårt men ändå flexibelt. Tan delta δ är under 1,0 och över Tg [16, s.12].

Gummiplatån (Rubbery plateau)

Materialet är här fjädrande. Tan delta δ är nära 1,0 och materialet befinner sig över Tg Viskösa regionen (Viscous region)

Materialet är trögflytande och de kemiska bindningarna är uppluckrade. Tan delta δ är över 1,0 och materialet är mycket över Tg [16, s.12].

Flytande form (Fluid region)

Materialet är helt flytande och de kemiska bindningarna är delvis upplösta. Tan delta δ är högre än 1,0 [16, s.12].

25 Vid analys i DMA verktyget fås resultat i form av kurvor. E' ger den elastiska och E'' visar den viskösa komponenten i materialet. Med hjälp av differensen mellan E′/E′′ visas då Tan delta δ. Tan delta δ åskådliggör sedan i vilket stadie som materialet befinner sig under analysen [10, s.9]. Applikationsområdet för DMA-teknik sträcker sig över glasplatån, glasövergången och läderregionen, då respons i materialet inte går att mäta när materialet går över gummiplatån, den viskösa regionen och över till flytande form [18].

26 2.6.5 Förskjutningskraft

När ett material hettas upp expanderar det, detta är något som de flesta material gör, men beroende på dess atomstruktur expanderar olika material olika mycket [2, s. 739–740]. Då DMA verkar under ett stort intervall av temperaturer är detta något som har stor inverkan på analysen, och måste därför kompenseras för. Detta görs genom att lägga på en konstant kraft, utöver de pulserande krafterna, som ser till att materialet alltid är sträckt. Då olika material expanderar olika mycket är kraften som läggs på anpassat för varje prov, och måste alltid tas fram i samband med ett nytt prov görs [Appendix 2].

Denna kraft tas fram genom att göra en förberedande analys i DMA-instrumentet. Denna analys går ut på att instrumentet utsätter provbiten för ett antal konstanta krafter. Instrumentet tar då fram olika tryck i MPa, som läggs på provbiten för varje konstant kraft. Här väljs då det största tryck som provbiten utsätts för. Ett exempel visas i Figur 21, där kraften 2N väljs eftersom att det är den kraft som resulterat i störst tryck [Appendix 2].

27 2.6.6 DMA amplitud

När DMA-instrumentet deformerar provbiten med en pulserande kraft i from av sinuskurvor sker detta antingen med en konstant kraft, eller en konstant sträcka.

Används konstant kraft kallas det kraftamplitud, och används konstant sträcka kallas det förskjutningsamplitud [Appendix 2].

Vad som är gemensamt för dessa är att storleken eller sträckan på dem är beroende av materialet som analyseras. För att få en stabil process och undvika att utsätta materialet för en för liten eller för stor stress, måste amplituden som DMA-instrumentet ska använda sig av under analysen tas fram innan analysen påbörjas [Appendix 2].

Analysen görs med hjälp av framtaget värde från förskjutningskraften, och ett kraft-svep mellan den framtagna kraften, och en mindre kraft. Denna mindre kraft väljs efter material och bör vara minst 50 gånger mindre än den större kraften [Appendix 2]. Resultatet i denna analys tolkas genom att leta efter en linjär tangent. Där denna bryts och trycket börjar minska, sätts förskjutningsamplituden, se Bild 22-B. Med resultat från förskjutningsamplitud tas kraftamplitud fram. Genom att ta den sträcka som valts i förskjutningsamplitud, hittas även rätt kraftamplitud, Bild 22-A.

A

B

28

2.7 ISO-standarder

Nedan kommer följande SS-ISO-standarder som anses relevanta för studien att kort presenteras. SS står för Svensk Standard och är en gemensam standardisering över metoder och mått av olika branscher och yrkesområden [25]. International Standardization Organization (ISO) kommer från grekiskans Isos som syftar på ”likhet” och är en standardiserad global organisation som arbetar på samma sätt som Svensk Standard. Deras huvudsakliga mål är att ta fram olika standardiserade plattformar för att lika arbete, ska bli likadant utfört, och därmed uppnå samma resultat [26]. Dessa standarder har använts för att skapa en säker och repeterbar grund för analys i rapporten.

SS-ISO 4664-1:2011 Vulkat Gummi och termoelast- Bestämning av dynamiska egenskaper- Del 1: Allmänna riktlinjer

Denna standard tar upp riktlinjer och underlag för att bestämma dynamiska mekaniska egenskaper av framför allt vulkaniserat gummi och termoplaster. Här har information om de basala teoretiska bitarna för DMA hämtats [21, s.4-5], se Teori bakom DMA 2.6.3. Denna ISO-standard tar även upp användningsområden för DMA [21, s.10], provförberedelser [21, s.16] med information om vilka dimensioner av prov och vilka frekvenser som ska undersökas av valt material [21, s.18].

SS-ISO 9924-3:2009 Gummi och gummiprodukter - Bestämning av sammansättning hos vulkaniserat och ovulkade blandningar med termogravimitri

Denna standard innehåller bestämning av materialegenskaper. Då alla material har en speciell samansättning kan olika samansättningar identifieras med hjälp av bland annat TGA. Denna standard har använts under TGA för att ge underlag för säkerställning av rätta temperaturer för analys i DMA [7].

SS-ISO 9924-2 Gummi och gummiprodukter- Bestämning av sammansättningen hos vulkaniserat och ovulkade blandningar med termogravimetri- Del 2: Gummi av akrylnitrilbutadien och halobutyl

Vid bestämning av ett materials samansättningar i TGA har även SS-ISO 9924-2 använts för att använda rätt metoder och vilka relevanta temperaturspann som bör användas för det valda materialet [20].

29 SS-ISO 22768:2006 Ovulkat gummi - Bestämning av glastemperatur genom differentiellt skannande kalorimetri (DSC)”

För att finna olika glastemperaturer i ovulkat gummi har SS-ISO 22768:2006 använts vid provförberedning, metod och analys i DSC. Laborationsmiljö, hantering och mängden av provmaterial för analys har härifrån hämtats. Relevanta temperatursvep för det valda materialet är bestämt ur denna standardisering [19].

SS-ISO 23529:2011 Gummi-Allmänna metoder för beredning och konditionering av provstycken för fysikaliska provtagningsmetoder

Denna standard går igenom förberedelser, mätmetoder, märkning och hur olika gummisorter ska förvaras. Här har underlag till provförberedning hämtats med laborationstemperaturer och hantering av provmaterial [22, s.2]. Information vid hantering av flytande kväve och hur detta kopplas till analysinstrumentet på korrekt sätta har använts [22, s.11].

SS-ISO 37:2012Vulkat Gummi och Termoplast - Bestämning av draghållfasthet

Ur SS-ISO 37:2012 hämtades måttangivelser över det standardiserade stansverktyget som har använts vid provförberedning av samtliga DMA-undersökningar. Detta för att få så identiska provbitar som möjligt under analys av både förskjutningskraft, förskjutningsamplituden och i den slutliga DMA:n. Måttet som samtliga provbitar har utgått ifrån är bredden 6mm, se Figur

23 [23].

30

2.8 Provförberedelser

Genom studiens gång kommer ett antal olika metoder och verktyg att användas för att göra de större metoderna och analyserna möjliga. Nedan presenteras ett antal verktyg och tillvägagångssätt som anses vara relevanta för en lyckad studie.

2.8.1 Stansning av provkropp

En stansmaskin kan användas för att få lika formade provkroppar. En stanskniv fungerar genom att den monteras på en hävstång, som sen trycks mot materialet i en 90° vinkel, för att få så raka och fina kanter som möjligt.

2.8.2 Gauge tjockleksmätare

En Gauge tjockleksmätare är ett verktyg som används för att mäta tjocklek på mjukare polymerer, som elaster. Den har en arm som pumpas upp och ner, där nollpunkten är på den platta ytan. Armen förs upp och på ytan placeras provbiten. Därefter förs armen ned mot ytan och materialet.

Metoden är säkrare vid tjockleksmätning av mjuka material då trycket mot provet är kalibrerat. Detta gör att det är svårare att göra handhavandefel vid användning av denna utrustning. 2.8.3 Vägningsinstrument

Ovannämnda analyser kräver provförberedelser med hög precision. Ett exempel visas i Figur 25. Då vågen är mycket känslig och kan mäta med en noggrannhet av 0,00001g har den även en kammare som kan slutas vid avläsning. Denna kammare avvärjer mätfel vid förorening i luften och förhindrar även osäkra resultat vid vinddrag [27].

Figur 24 Gauge EV01B tjockleksmätare

31

3

Metod och Genomförande

I detta kapitel kopplas teori ihop med praktik för att besvara studiens frågeställningar. Här presenteras de metoder som har använts att beskrivas.

3.1 Koppling mellan frågeställningar och Metod

3.2 Förstudie

En litteraturstudie har bedrivits löpande under arbetets gång för att få en djupare förståelse av det valda materialets kemiska uppbyggnad och mekaniska egenskaper i olika temperaturintervall. Även studier av de apparaturer som har använts har gjorts för att handhavandet av maskinerna ska bli så bra som möjligt. Där har både teori bakom givna resultat och tolkning av analysmaterial hämtats.

Material för litteraturstudien har tillhandhållits av Husqvarna AB och genom eget sökningsarbete efter relevanta artiklar och tekniska rapporter genom Jönköping Universitys sökmotor Primo.

Arbete har lagts på att hitta vetenskapligt underlag med goda källor. Ofta har flera källor valts för att se vinklingar och perspektiv från tidigare författare.

Även en utbildning inom området har anordnats av Husqvarna AB, med support och information från leverantören av instrumenten, Mettler Toledo. Utbildningen varade i två dagar och gick igenom grunderna i DMA-instrumentets mjukvara och uppstart av analys.

Figur 26 Studiens kopplingar mellan frågeställningar och Metod Vilka

transformationsövergång ar kan påträffas i det

valda materialet?

Förstudie

DSC

Vilken smältpunkt har valt material?

Förstudie

TGA

Till vilken storlek bör den oscillerande kraften och förskjutningen sättas för det valda materialet?

Förstudie

DMA – Kraftamplitud

DMA – Förskjutningsamplitud

I vilken takt kan temperaturhöjningen ske

och vilka frekvenser är applicerbara för valt

material?

Förstudie

32

3.3 DSC

För att bestämma vilka glasövergångar som finns i materialet fordras en analys av materialet i DSC. Denna analys har utförts efter den standardiserade metoden SS-ISO 22768:2006 [19]. Instrumentet som används under analyserna är Mettler Toledo DSC 3+, serienummer: B530216053. Instrumentet är installerat och kalibrerat av Mettler Toledo Service 2019-11-27. 3.3.1 Provförberedning

Det valda referensmaterialet från Husqvarna, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], ankom i ark av 135x170x2mm.

Provkopparna som används är ME-26763 AL-CRUSIBLES 40µl. Nya provkoppar vägdes tomma utan provmaterialet i. Materialarket klipptes ned till ca 1x1mm bitar med hjälp av en ren stansmaskin och vägdes upp till 0,015 gram med hjälp av Mettler Toledo XS105 Dual Range. Plasthandskar användes och provbitarna placerades direkt ner i provkropparna för att säkerställa att de ej kontamineras av andra material. Detta för att ge ett så goda förutsättningar som möjligt under analys [19, s.2]. Provkoppen förslöts med lock i provkoppspressen och den förslutna provkoppen med materialet placerades med pincett i DSC-verktyget.

3.3.2 Temperatursvep

Enligt SS-ISO 22768:2006 [19] bör starttemperatur ligga minst 30 till 40 grader under den förväntade glasövergången. Provmaterialet, AnVa FKM 70–1 (67317), förväntas inte ha en glastemperatur under -40°C, och därför sätts en starttemperatur på -80 °C [19, s.3].

Enligt samma standard sätts uppvärmningshastigheten till 20 °C/min, luftflöde till 50ml/min, och en sluttemperatur som med säkerhet är över glastemperaturen [19, s.3].

3.4 TGA

För att bekräfta materialets smältpunkt har materialet analyserats under TGA. Detta för att hitta materialets smältpunkt och kunna fastställa en maxtemperatur för att förhindra smälta under analys i DMA-instrumentet. Denna analys har utförts efter den standardiserade metoden SS-ISO 9924–2 [20]. Instrumentet som används under analyserna är Mettler Toledo TGA/DSC 3+, serienummer: B608112381. Instrumentet är installerat och kalibrerat av Mettler Toledo Service 2019-11-27.

3.4.1 Provförberedning

Det valda referensmaterialet från Husqvarna, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], ankom i ark av 135x170x2mm.

33 Deglarna som används är ME-24123 Alu oxide crucibles 70µl. Innan analys bränns deglarna ur för att bli sterila och inte ha kvar restprodukter från föregående analyser. Detta görs med standardprogram som finns förinstallerat i instrumentets mjukvara.

Deglarna vägdes tomma utan provmaterialet i. Materialarket klipptes ned till ca 1x1mm bitar med hjälp av en ren stansmaskin, och vägdes upp till 0,015 gram, med en felmarginal på 0,001 gram. Våg som användes var Mettler Toledo XS105 Dual Range. Deglarna med materialet placeras med pincett i TGA-instrumentet.

3.4.2 Värmeanalys

Detta moment görs enligt kapitel 7 i SS-ISO 9924–2 [20, s.4–5].

Analysen är uppdelad i tre steg. Första steget; analysens starttemperatur sätts till 40°C i en atmosfär av kväve. Detta med en temperaturhöjning av 20°C/min, upp till 600°C. I steg två hålls provet fortsatt i en atmosfär av kväve, samtidigt som temperaturen sänks till 400°C, där temperaturen sedan hålls konstant i fem minuter. I det sista steget byts kväveatmosfären ut mot vanlig luft, och temperaturen höjs med en hastighet av 10°C/min, upp till 800°C. Vid 800°C hålls temperaturen konstant i fem minuter, och sedan avslutas analysen.

34

3.5 DMA

Nedan beskrivna undersökningar genomförs med DMA-instrumentet Mettler Toledo DMA 1 Stare _{System, enligt Standard SS-ISO 4664–1:2011 [21], SS-ISO 23529:2011 [22] samt}

[Appendix 2]. Infästning i DMA-verktyget har valts till tension enligt SS-ISO 4664–1:2011 [21, s.18], beroende på provmaterialets mjuka egenskaper. Enligt standarder SS-ISO 4664– 1:2011 [21], SS-ISO 23529:2011 [22] samt [Appendix 2], har följande moment tagits fram för en lyckad analys:

• Hitta förskjutningskraft

• Fastställa kraftamplitud/förskjutningsamplitud

• Slutlig DMA

3.5.1 Provförberedning

I de två förberedande analyserna, förskjutningskraft och kraftamplitud/förskjutningsamplitud, används samma infästning som i den slutliga analysen. Därför görs samma provförberedelser till “förskjutningskraft”, “kraftamplitud/förskjutningsamplitud” och “slutlig DMA”.

Det valda referensmaterialet från Husqvarna, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], ankom i ark av 135x170x2mm.

Materialen stansades ut med stanskniv, med standard ISO 37–1 [23]. Provbitens längd anpassas till vald infästning och den exakta tjockleken på materialet mäts innan

stansning med en Gauge EV01B,

serienummer: 2015109, kalibrerad 2015-12-17, med kalibreringsnummer

1678-k154140.

Provbiten fixeras i DMA-instrumentet med en momentfixerad skruvmejsel, se Figur 27. Längden på distanserna valdes till 5mm enligt SS-ISO 4664–1:2011 [21]. Provet skruvades fast med lätt hand för att inte deformera plasten. Plasthandskar användes, och ytor hölls rena och fria från

kontaminering.

35 3.5.2 Förskjutningskraft

För att kompensera expansionen av materialet vid upphettning söks lämplig förskjutningskraft genom en spänninsgssvep-analys. Provmaterialet förbereds enligt kapitel 3.5.1. Under spänningssvepet hålls nedan redovisade parametrar konstanta, medan spänningsintervallet är den parameter som ändras. De konstanta parametrarna väljs efter [Appendix 2].

Konstanta värden:

Temperatur: 25 °C, isotermisk

Kraftamplitud: 0,1N

Förskjutningsamplituden: 0,1µm

Förskjutningskraft: 0,1N, Constant current mode

Frekvens: 10Hz Scan: Slow Spänningsintervall: Analys 1: 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 8N Analys 2: 0.1, 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 8, 12N Analys 3: 0005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 8N

36 3.5.3 Kraftamplitud / Förskjutningsamplitud

För att få en stabil kurva, och inte utsätta materialet för en för liten, eller för stor stress, måste amplituden anpassas. Detta för att uppnå en korrekt analys i DMA-instrumentet.

Provmaterialet förbereds enligt kapitel 3.5.1. Under kraftsvepet hålls nedan parametrar konstanta medan kraftintervallet är den parameter som ändras, detta enligt [Appendix 2]. Konstanta parametrar:

Temperatur: 25 grader, isotermisk Förskjutningskraft: Auto tension

Frekvens: 10Hz

Antal steg: 8 logaritmiskt

Scan: Slow Kraftintrevall: Analys 1: 0,005-2N Analys 2: 0,05-2N Analys 3: 0,05-2N Analys 4: 0,01-1N 3.5.4 Slutlig DMA

Enligt SS-ISO 4664–1:2011 [21, s.18] bör vald frekvens ligga mellan 1-200Hz. Med dessa erhållna kurvor verifieras att ovan valda kraft- och förskjutningsamplituder, samt förskjutningskraft givit rätt förutsättningar. Detta för att undersöka vilken eller vilka frekvenser i spannet på 1-200Hz som fungerar för valt material. Nedan parametrar hålls därför konstanta, medan frekvensen är den variabel som ändras, detta enligt SS-ISO 4664–1:2011 [21, s.18]. Konstanta parametrar:

Temperatur: -60°C till 140°C Temperaturhastighet: 1°C/min

förskjutningskraft: Auto tension Förskjutningsamplituden: 5µm Scan: Slow Frekvens: Analys 1: 1Hz Analys 2: 5Hz Analys 3: 10Hz Analys 4: 100Hz Analys 5: 200Hz

37

4

Resultat och Diskussion

Under detta kapitel presenteras och analyseras de resultat som erhållits under samtliga analyser och undersökningar.

4.1 Resultat DSC

Figur 29 visar det erhållna resultatet ur DSC-analysen. För material AnVa FKM 70–1 (67317)

[Appendix 1] sker glasövergången vid -29,93°C. I grafen visas energi som en funktion av temperatur. Topparna i början och slutet av analysen bortses ifrån då temperaturen hållits konstant innan och efter avslutad analys.

Vid omkring 20°C kan en svacka antydas, men då glasövergång redan skett, och detta är långt ifrån möjlig smältpunkt, är detta något som antas vara något slags mätfel, och därför bortses ifrån.

Resultat från denna analys anses ligga nära verklig glasövergång, då det vid erhållet resultat är få moment som kunnat bli fel. Genom hela genomförandet har det alltid varit två personer som kontrollerat alla värden. Handhavandefel kan dock alltid ske, och med en konfirmerande analys skulle risken för detta kunna minskas.

Analysen ses ändå som relativ säker, och resultatet som användbart. Figur 29 Lokalisering glastransformation DSC

38

4.2 Resultat TGA

Resultat ur TGA-analysen, se Figur 30, visar att en del av materialet börjar smälta runt 350°C. Detta medför att det vid behov är möjligt att analysera detta material, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], i DMA-instrumentet, med marginal, upp till 320°C. Detta för att undvika risken att materialet smälter eller förbränns och därmed förstör den övre kammaren.

I denna analys kunde en andra analys vara befogad, för att konfirmera erhållet resultat. Men även här anses det finnas små risker till att erhållet resultat inte är korrekt då alla moment har kontrollerats av två personer. Därför anses resultat som erhållits ur TGA-analysen vara relevant och användbart.

39

4.3 Resultat Förskjutningskraft

Figur 32 Analys 1: 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 8N

Figur 31 Analys 1: 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 1, 2, 4, 8N

40 Vid analys av förskjutningskraft erhölls resultat som kan ses i Figur 31, Figur 32 och Figur 33. I dessa resultat söks den högsta platån i grafen, det vill säga det högsta uppmätta stabila trycket i materialet. Dessa analyser har alla olika kraft-intervall, men det som gör de lika är att under 0,4N ligger alla tre analyser i samma tryck, även när kraften sänks till mycket låga nivåer (0,005N).

Då ingen ensam kraft kunde identifieras kopplades Mettler Toledo in för att analysera och verifiera resultaten, samt för att ge vägledning om vilken förskjutningskraft som skall väljas. Med stöd av Mettler Toledo har därför resultatet tolkats till följande:

På grund av materialets, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], egenskaper bör förskjutningskraft ställas in till ”Auto tension”. Vilket betyder att mjukvaran själv bestämmer, samt reglerar kraften som läggs på materialet. Detta på grund av att det valda materialet är så pass mjukt att en konstant kraft i stort sett är försumbar vid rumstemperatur.

41 4.3.1 Diskussion om möjliga orsaker till osäkra resultat

De resultat som erhållits är alltså inte tillräckliga för att kunna dra några direkta slutsatser. Som nämnts ovan är en orsak till detta att det valda materialet är för mjukt för att kunna ge tydliga utslag i analysverktyget. En annan möjlig faktor till felanalys är att det krävs en viss praktisk erfarenhet av handhavarna för att få ut optimala resultat ur verktyget. I denna analys ska inte enbart rätt krafter väljas, provkroppen ska även placeras i verktyget på rätt sätt, vilket är något som tar lång tid att bemästra på en professionell nivå.

Det är därför möjligt att en kombination av materialet, och en oerfarenhet av operatörerna, resulterat i att denna analys inte gett rätt resultat. Därför blir resultatet av denna analys att följa Mettler Toledos hänvisning till ”Auto Tension”.

4.4 Resultat Kraftamplitud/ Förskjutningsamplitud

42 I den övre Figur 34, visas de fyra olika analyserna som är gjorda för att ta fram förskjutningsamplituden och kraftamplituden, där de olika analyserna har färgerna:

Analys 1: Lila Analys 2: Röd Analys 3: Blå Analys 4: Svart

Här söks en linjär platå, som följs av att trycket minskar. Precis där trycket börjar falla, markeras då förskjutningsamplituden med ett lodrätt sträck. På grund av materialets, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], mjuka egenskaper blir även här övergångarna otydliga och stöd vid tolkning var nödvändigt av Mettler Toledo. Brytningspunkten blev runt 4,7 och därför sattes förskjutningsamplituden för materialet till 5μm.

Nästa steg är att tolka kraftamplituden. Detta görs med vald förskjutningsamplitud enligt Figur

34 undre, och här sätts kraftamplituden till 0,2N med hjälp av en horisontell linje.

4.4.1 Diskussion om möjliga orsaker till osäkra resultat

Osäkerheten och den oregelbundna formen på kurvorna i början av analysen förklaras möjligen av de små krafterna som valdes vid start se Figur 34 övre. Då verktyget har svårt för att mäta dessa små krafter blir mätningen ostabil fram till det att kraften tilltar och ger bättre utslag i instrumentet.

En andra faktor, som kan spela in i de osäkra och oregelbundna resultaten i början av analyserna, är infästningen av provmaterialet i verktyget, då detta inte är något som maskinen gör själv, utan behöver utföras av operatören. Detta är något som kräver övning i form av upprepade analyser innan resultaten blir mer pålitliga.

Resultaten anses ändå vara tillämpbara, då verktyget hittar en stabilitet omkring 3-4μm, se

43

4.5 Slutligt resultat

Resultaten från den slutliga analysen visar på liknande glasövergång vid ca -30°C, vid olika frekvenser men glasövergångsområdet blir förskjutet, vilket är väntat när frekvensen höjs, se

Figur 35 och 36.

Den oregelbundna höjden på de olika topparna i Tan delta-kurvorna är inget ovanligt. Det intressanta i Tan delta-kurvorna är att toppen kommer senare i takt med att frekvensen ökar. Figur 35 Resultat DMA

44 Topparna blir även mer utdragna desto mer frekvensen ökar. Detta är då ett resultat av att glasövergången blir utdragen i takt med att frekvensen ökar. Det följer även teorin enligt [Ekvation (6)].

Från 2.6.4 kan de olika glasövergångarna läsas av. Tan delta δ ligger till en början under 0,01 vid glas-platån. Glasövergången sker då Tan delta δ toppar och uppnås mellan 0,1-1,2 och följs av läderregionen där Tan delta δ är under 1,0.

Materialet går inte genom faserna gummiregion, viskösa regionen och över till flytande form då Tan delta δ går mot en utfasning efter sin topp. Detta sker då temperaturspannet valts efter TGA då smälta av provmaterial i DMA-verktyget ej är önskvärt. Verktyget har också en maxtemperatur på 600°C och dessa regioner skulle ej vara möjliga då DMA:s applikationsområde endast innefattar analyser på fasta material.

4.5.1 Diskussion om möjliga orsaker till osäkra resultat

Även om alla kurvor följer det förväntade och önskade mönstret med förskjutning av glasövergång finns det flertalet nämnvärda iakttagelser på kurvorna. Bland annat finns en osäkerhet i alla kurvor fram till ca -30°C, detta är något som ännu en gång tros bero på att det krävs en viss erfarenhet av operatörerna. Men då instrumentet hittar stabilitet innan glasövergången anses detta inte störa resultatet.

Kurvan 50Hz hittar dock aldrig denna stabilitet, och denna kurva anses inte som ett tillförlitligt resultat.

Även kurvan 200Hz har en fas mellan 25°C och 45°C som är ostabil, se Figur 37 röd kurva, men hittar dock tillbaka till stabiliteten. Orsaken till detta är svårt att förklara, men bör vara mätfel.

Då analyserna av kurvorna 50Hz och 200Hz, ej ansågs vara pålitliga togs ett beslut om att göra om dessa. De nya analyserna gjordes med samma inställningar, och i syftet att utesluta handhavandefel. Nedan i Figur 37 och 38 följer resultat och jämförelse av kurvor från dessa analyser.

45 Resultat från analys två med frekvens 50Hz visas i Figur 37. De två analyserna är väldigt lika varandra, och den andra körningen uppvisar samma ”hackiga” osäkerhet som den första gör.

Den andra analysen, se Figur 38, med frekvens 200Hz uppvisar liknande tendenser som den första analysen gjorde. Även denna gång kan ett mycket osäkert område urskiljas i temperaturspannet 25-45°C efter avslutad glasövergång.

I andra analysen sjunker även trycket i inledningen av provtagningen, och även om glasövergången erhålls vid samma temperaturer är det minskade trycket urskiljbart hela vägen fram till avslutad glasövergång. Resultaten av dessa avslutande analyser anses därför vara tvetydiga.

Figur 37 jämförelse av 50Hz

46 4.5.2 Sammanfattning DMA

De tre analyserna med lägre frekvenser, 1Hz, 5Hz och 10Hz, anses pålitliga och därmed utförda på ett godtagbart sätt. Däremot kan ej de två analyserna med högre frekvens, 50Hz och 200Hz, anses tillförlitliga och bör därmed bortses från.

Det är uppenbart att analyserna med högre frekvenser inte når upp till den önskade stabiliteten och säkerheten. Därför anses dessa inte vara rätt utförda, och vidare efterforskningar krävs för att kunna använda DMA-instrumentet vid dessa frekvenser.

Möjliga moment som kan ses som en orsak till de misslyckade analyserna är den oerfarenhet som finns hos operatörerna. I takt med att frekvensen ökar, ökar även svårigheten i att få en säker infästning i verktyget. De större frekvenserna kan mycket väl bidra till att denna precision som saknas av operatörerna blir mer och mer märkbar, och får ett större utfall på resultatet.

47

5

Slutsatser och vidare arbete

Här presenteras slutsatser och slutliga svar på studiens frågeställningar. Rapporten avslutas med en diskussion kring studiens implikationer och möjliga påföljande arbeten.

5.1 Frågeställning 1

i. Vilka transformationsövergångar kan påträffas i det valda materialet?

Glasövergången som påträffas i material AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1] inträffar enligt DSC:n vid temperaturen -29,93°C. Detta medför att resultat i DMA bör ge en liknande glasövergång, och att starttemperatur i DMA bör sättas till cirka -60°C, eller lägre.

5.2 Frågeställning 2

ii. Vilken smältpunkt har valt material?

Enligt analys i TGA börjar materialet att smälta vid 350°C, och därmed kan det valda materialet, AnVa FKM 70–1 (67317) [Appendix 1], analyseras i DMA-instrumentet med marginal upp till en temperatur på 320°C.

5.3 Frågeställning 3

iii. Till vilken storlek bör den oscillerande kraften och förskjutningen sättas för det valda materialet?

För att besvara denna frågeställning togs först förskjutningskraften fram, som valdes till inställningen “Auto tension”.

Med denna förskjutningskraft inställd, kunde den oscillerande kraften och förskjutningen bestämmas och fastställas till 5µm samt 0,2N.

5.4 Frågeställning 4

iv. I vilken takt kan temperaturhöjningen ske och vilka frekvenser är applicerbara för valt material?

Utifrån ISO-standarden SS-ISO 4664–1:2011 sattes temperaturhöjningen till 1°C/minut. Från den slutliga analysen i DMA fastställdes även att med valda parametrar att det är möjligt att analysera det valda materialet i 1-10Hz. Över 10Hz behövs vidare forskning för att ta fram en lyckad analys.

48

5.5 Sammanfattning och implikationer

Sammanfattningsvis går det att utför analyser av det valda materialet i DMA-instrumentet i frekvenser mellan 1-10Hz, samt med en temperaturökning på 1°C/min, mellan temperaturerna -190°C till 320°C.

Detta medför då att Husqvarna kan börja framtagandet av en standardiserad metod för analys av elastomerer i DMA-instrument, som grundar sig på de antaganden och tillvägagångssätt som har används under denna studie.

5.6 Vidare arbete och forskning

Efterföljande arbete kan delas upp i två delar. Den första delen innefattar utvecklingen av Husqvarnas standardiserade metod för hur verktyget ska användas under tension, och den andra delen är fortsatt forskning med utgångspunkt från de resultat som framkommit av denna rapport. Bland annat kan det vara nödvändigt med fler tester för många av de analyser som gjorts under denna studie. Detta för att verifiera de tillvägagångssätt som använts.

Tanken från början var att fler tester och analyser skulle utföras för att få ett bredare underlag och för att direkt få ett säkrare resultat i denna studie. Men på grund av vissa förseningar, en begränsad åtkomst till laboratoriet där analyserna utfördes, samt en deadline från Tekniska Högskolan i Jönköping, fick studien begränsas.

Även fortsatt arbete med att förbättra de tillvägagångssätt som användes vid frekvenser över 10Hz är nödvändigt då denna studie ej lyckades få ett tillförlitligt resultat vid utförda analyser bland annat på grund av materialets beskaffenhet.

Ytterligare analyser av andra infästningsmetoder för DMA-verktyget skulle också ge Husqvarna AB ett bredare användningsområde för fler polymerer och plaster. Även andra material, såsom lättmetaller skulle kunna vara av intresse att göra vidare studier på.

Det provmaterial som har analyserats under studien har haft en begränsad geometrisk form då testmaterialet ankom i tjocklek av ca 2mm ark, som sedan har stansades ner till så lika testbitar som möjligt. Testning av andra dimensioner och former av provmaterial skulle vara intressanta studier för att undersöka om detta har inverkat på resultatet. Husqvarna skulle då även kunna utföra tester av komponentdelar för att se materialegenskaper i sina egna komponenter; både de nya komponenterna direkt från underleverantör men även de komponenter som har varit ute på fält.

49

Referenser

[1] Ulf Bruder, “Värt att veta om plaster”, upl. 1. Karlskrona: Bruder Consulting AB, 2011. [2] William D. Callister Jr. David G. Rethwisch, “Materials Science and Engineering”, upl. 9. Asia: John Wiley & sons Pte Ltd, 2015.

[3] Darren Lipomi, "Ep22 Mechanical properties of polymers & viscoelastic models NANO 134

UCSD Darren Lipomi" Youtube, Maj. 31, 2017. [Videofil]. Tillgänglig: https://youtu.be/vneTd1eAkE4. [Hämtad: Apr. 23, 2020].

[4] B. B. &. B. Klefsjö, “Kvalitet från behov till användning”, Lund: Studentlitteratur, 2007. [5] "What is a gage repeatability and reproducibility (R&R) study?" minitab.com, [Online]. Tillgänglig: https://support.minitab.com/en-us/minitab/18/help-and-how-to/quality-and-

process-improvement/measurement-system-analysis/supporting-topics/gage-r-r-analyses/what-is-a-gage-r-r-study/. [Hämtad: Maj. 14, 2020].

[6] Mettler Toledo, “Thermal analysis of polymers. Part 5: DCS and TGA of elastomers”, Sep 2012, Mettler Toledo AG. [Hämtad: Apr. 23, 2020] Tillgänglig:

https://www.mt.com/se/sv/home/supportive_content/matchar_apps/MatChar_UC351.html

[7] Svenska Institutet för Standarder, “Gummi och gummiprodukter - Bestämning av

sammansättning hos vulkanisat och ovulkade blandningar med termogravimitri”, Apr. 23,

2009, Svensk standard SS-ISO 9924-3:2009

[8] Husqvarna Historia [Online]. Tillgänglig: http://husqvarnamuseum.se/se/historia/

[9] Husqvarna Brands [Online]. Tillgänglig: https://www.husqvarnagroup.com/en/our-brands

[10] Mettler Toledo, “Dynamic Mechanical Analysis, Comprehensive Materials

Characterization”, Feb 2014, Mettler Toledo AG. [Hämtad: Mar. 22, 2020] Tillgänglig:

https://www.mt.com/se/sv/home/library/product-brochures/lab-analytical-instruments/DMA_1_brochure.html

[11] Gedney Richard, “An introduction To Viscoelasticity Dynamic Mechanical Analysis”, Feb

2019, Vol. 58, Iss 2 [Hämtad: Mar, 18, 2020].

[12] Mettler Toledo, “Dynamisk Mekanisk Analys (DMA)” [Hämtad: Mar, 19, 2020] Tillgänglig:

https://www.mt.com/se/sv/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Brows