Payne Effekt

Der Payne-Effekt beschreibt die Abnahme des komplexen Moduls eines gefüllten, vernetzten Elastomer-Systems mit zunehmender Deformationsamplitude. Wird die Probe sinusförmig verformt, folgt die Dehnung der Spannung mit einer Zeitverzögerung. Die Abnahme im Schermodul weist ein nichtlineares Verhalten auf und ist im Wesentlichen auf die sogenannte Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkung (siehe Abbildung 1) zurückzuführen. Nach Payne tragen unterschiedliche Effekte zur Gesamtsteifigkeit bei:

 

Figure 1: Schematic presentation of the Payne effect according to André Wehmeier, VKRT, February 2008

Modul des Kautschuknetzwerkes (ungefüllt)

Der Beitrag der Kautschukmatrix (ungefüllt) zur Gesamtsteifigkeit des (gefüllten) Kautschuknetzwerks ist unabhängig von der Amplitude.

Hydrodynamischer Effekt von Füllstoffteilchen

Diese nichtelastischen Füllstoffteilchen sind nicht an der Dehnung beteiligt. Sie verursachen eine höhere intrinsische Polymerdehnung im Vergleich zur aufgebrachten makroskopischen Dehnung. Dieser Effekt hängt vom Volumenfüllgrad ab, ist jedoch unabhängig von der Amplitude.

Füllstoff/Matrix-Wechselwirkungen

Teile des Kautschuks sind in der Füllstoffstruktur immobilisiert. Diese Immobilisierung trägt auch unabhängig von der Amplitude zur Gesamtsteifigkeit bei.

Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkungen

Die Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkung ist im Wesentlichen verantwortlich für die Abnahme des Moduls. Aufgrund mechanischer Belastung brechen die Rußagglomerate (Cluster) auf, was eine Abnahme der Steifigkeit zur Folge hat. Aktiver Ruß oder Kieselsäure können ein Füllstoff-Füllstoff-Netzwerk innerhalb der Polymermatrix bilden, was einen hohen Widerstand gegen die kleinen Amplituden erzeugt. Wird die Amplitude zu groß, bricht dieses Netzwerk zusammen und als Folge davon nimmt der Modul drastisch ab. Bei großen Verformungen wird der Beitrag des Füllstoff-Füllstoff-Netzwerks zum komplexen Modul so gut wie eliminiert.
Die Abnahme des Moduls ist nichtlinear. Diese Nichtlinearität ist auf Hysterese-Verluste zurückzuführen, die beim Abbau des Füllstoffnetzwerks sowie bei der Freisetzung des im Füllstoffnetzwerks eingeschlossenen Polymers auftreten, was dann wiederum zur Dehnung beitragen kann.


Verwandte Methoden

DMA