ES2219645T3 - Metodo e instrumento para medidas viscoelasticas. - Google Patents

Abstract

SE PRESENTA UN APARATO PARA MEDIR LAS PROPIEDADES VISCOELASTICAS DE MATERIALES ELASTICOS. EL INSTRUMENTO CONSTA DE DOS MATRICES OPUESTAS QUE TIENEN UNOS ELEMENTOS DE CONTROL DE LA TEMPERATURA Y LA PRESION, ELEMENTOS PARA INICIAR LA ROTACION OSCILANTE DE UNA DE LAS MATRICES CON LO QUE LA MUESTRA SE REFRIGERA MIENTRAS SE ENCUENTRA ENTRE LAS DOS MATRICES Y SE RECALIENTA CON LO QUE SE PUEDEN LLEVAR A CABO MEDIDAS SOBRE LA TORSION DURANTE EL PERIODO DE REFRIGERACION. TAMBIEN SE PRESENTA UN METODO PARA ACCIONAR EL APARATO REIVINDICADO.

Description

Método e instrumento para medidas viscoelásticas.

Esta invención se refiere a un método y a un instrumento para medir las propiedades viscoelásticas del caucho y materiales similares. Más en particular, la invención se refiere a un instrumento que tiene dos matrices opuestas adaptadas para contener entre sí bajo presión una muestra de material para su evaluación, a medios para aplicar un par giratorio oscilatorio a una de dichas matrices, a medios para medir dicho par o el par inducido en la otra matriz, y a medios para transmitir la información sobre las propiedades del material a partir de estas mediciones. Ejemplos de este tipo instrumentos están descritos en GB-A-1247371, US-A-4552025 y US-A-4584882.

Si se usa un par oscilatorio esencialmente sinusoidal, los parámetros útiles de caracterización de materiales viscoelásticos que pueden derivarse de estas medidas son el módulo S' elástico o de almacenamiento, el módulo S'' viscoso o de pérdida y la tangente del ángulo de pérdida (delta), que es la proporción S''/S'. S' puede ser calculado a partir del par determinado en su desplazamiento máximo, mientras que S'' puede ser calculado a partir del par en su desplazamiento cero, o de forma alternativa tomando múltiples muestras del par durante cada ciclo y extrayendo S' y S'' mediante los cálculos de la transformación de Fourier, tal y como se describe en la Patente Europea EP-B 0313540.

Este tipo de instrumentos se ha desarrollado principalmente para controlar el cambio en las propiedades de los compuestos de caucho vulcanizables durante su vulcanización. En una prueba típica, una muestra del compuesto de caucho es mantenida bajo presión entre las matrices a una temperatura fija apropiada para el caucho sometido a la prueba. Durante la vulcanización se produce la reticulación del caucho, es normal que la muestra se contraiga. Esta contracción puede llevar a un deslizamiento entre la muestra y las matrices y por lo tanto a valores incorrectos en las medidas del par. Es más probable que el problema ocurra hacia el final de la vulcanización y una vez acabada la misma, y por lo tanto puede ser grave si es necesaria la información sobre el comportamiento del caucho en este periodo. El problema puede ser solventado mediante un diseño adecuado de las matrices. Por ejemplo, el sistema de la matriz descrito en US-A-4552025 tiene protuberancias anulares discontinuas, mientras que las matrices en un instrumento comercial tienen hendiduras radiales. Una propuesta para acabar con el problema del deslizamiento se encuentra en CA-A-833240 en referencia a un reómetro en el que se aplica una cizalladura a una muestra de material de prueba mediante un rotor de oscilación incorporado a la muestra en una cavidad bajo presión. Se señala que además del deslizamiento debido a la reticulación, también se puede producir un deslizamiento al disminuir la temperatura de la muestra. La propuesta de CA-A-833240 es el suministro de un sistema matricial en el que al menos parte de una matriz está compuesta por un material con la resistencia y la elasticidad apropiadas para expandirse bajo la presión de la carga de la muestra y para contraerse una vez cargada la muestra. No obstante, no se ha considerado la posibilidad de aplicar la idea del denominado "diafragma de matriz" al tipo de instrumento descrito en el primer párrafo anterior.

Según se ha indicado anteriormente, en una prueba típica que usa un instrumento según el campo de la invención, una muestra de un compuesto de caucho es mantenida bajo presión entre las matrices a una temperatura fija. No obstante, en US-A-4552025 se describe una prueba en la que las lecturas del par se toman sometiendo la muestra a una temperatura predeterminada y siendo sometida a dos o más frecuencias oscilatorias, y a otra temperatura predeterminada más elevada, sometiendo la muestra a una o más frecuencias oscilatorias. No parece que el enfriamiento de las matrices tenga especial importancia en el método y aparato de US-A-4552025, sin embargo, se indica que se puede usar una corriente de aire para el enfriamiento y que para un enfriamiento rápido de las matrices se puede situar un chorro de aire para reducir su temperatura según se desee.

La patente US-A-3,535,914 expone un dinamómetro continuo cortado con un mecanismo de enfriamiento y de calentamiento en la matriz superior o fija cuya entrada y cuya salida tienen el mismo diámetro.

La patente US-A-3,538,758 expone un método para la caracterización de materiales viscoelásticos calentados que requiere una temperatura constante en todas partes, con un control de la temperatura pero sin medios de enfriamiento específicos.

Se ha descubierto ahora que se consigue una mejor caracterización de los materiales viscoelásticos gracias a un método en el que una muestra de material es mantenida, bajo presión y temperatura medida, entre dos matrices opuestas de temperatura controlada, dicho método comprendiendo el sometimiento de la muestra a una fuerza de cizalladura giratoria oscilatoria mediante una rotación oscilatoria de una de dichas matrices con respecto a la otra y midiendo un par que indica la respuesta de la muestra a la fuerza de cizalladura; caracterizado por el hecho de que al menos una vez durante su estancia entre las matrices la muestra es (i) enfriada al menos 20ºC y, si es necesario, la caída de presión resultante es limitada para evitar un deslizamiento entre la muestra y las matrices, y (ii) recalentada; la información sobre las características viscoelásticas de la muestra derivándose de las mediciones del par al menos durante el enfriamiento.

En un procedimiento típico, cuando el instrumento tiene una matriz superior y una inferior movibles entre una posición abierta y una posición cerrada, una muestra del material es cargada para la prueba en la matriz inferior, con las matrices en la posición abierta, y cerrándose después. Las matrices son mantenidas a una temperatura suficientemente elevada para ablandar el material lo suficiente para que se adapte fácilmente y con precisión a la forma de las matrices durante el cierre. Esta temperatura puede, por ejemplo, estar en la gama de 70ºC-200ºC. El espacio entre las matrices, es decir, el grosor de la muestra moldeada, es lo suficientemente pequeño para que toda la muestra adquiera rápidamente la temperatura de las matrices. Un poco después, generalmente 60 segundos tras el cierre de las matrices, se inicia el enfriamiento. Una velocidad media de enfriamiento de al menos 0.3ºC por segundo es deseable, preferiblemente al menos 1ºC por segundo, por ejemplo 2ºC por segundo. Aunque se puede obtener información útil mediante las lecturas del par durante una caída en la temperatura de 20ºC, se prefiere continuar el enfriamiento y el muestreo del par hasta que la temperatura de la muestra haya descendido al menos 50ºC. Preferiblemente la muestra es enfriada hasta 30ºC o menos. Una temperatura de la muestra en la gama de 0 a 20ºC al final del periodo de enfriamiento es especialmente preferida. Las lecturas del par, de la presión y de la temperatura obtenidas durante este periodo de enfriamiento pueden traducirse en información sobre las características de procesamiento del
material.

La muestra es luego recalentada, preferiblemente a una velocidad media de al menos 1ºC por segundo, y enfriada de nuevo al menos una vez mientras que se sigue controlando el par, la temperatura y la presión. La secuencia de enfriamiento y recalentamiento puede ser repetida casi indefinidamente si el material es termoplástico, por ejemplo un polímero crudo, siendo probable que cualquier cambio en las propiedades dinámicas del material se produzca sólo de forma lenta. En un procedimiento preferido para la caracterización de una composición elastomérica vulcanizable, hay una fase de enfriamiento inicial y de recalentamiento, según se ha descrito anteriormente, antes del inicio de la vulcanización. El recalentamiento elevará la temperatura de la muestra hasta un nivel apropiado para el elastómero que está siendo probado, normalmente una temperatura dentro de la gama de 150-200ºC. Si se desea, se puede repetir el enfriamiento y recalentamiento una o varias veces durante la vulcanización, pero la caracterización de la composición elastomérica completamente vulcanizada (el final de la vulcanización se indicará cuando el par alcance el máximo a la temperatura de vulcanización), es normalmente la más importante. Esto requiere que el control del par, de la temperatura y de la presión continúe durante el enfriamiento final de la muestra. Durante el enfriamiento de la muestra elastomérica completamente vulcanizada es cuando el deslizamiento entre la muestra y las matrices puede ocurrir con mayor probabilidad, requiriéndose una compensación de la presión. No obstante, el deslizamiento también puede ocurrir durante el enfriamiento antes del inicio de la vulcanización o incluso con un polímero crudo no compuesto. Esto es probable especialmente en procedimientos en los que se coloca una película termorresistente entre la muestra y las matrices. Esto se hace a veces en las pruebas de materiales "pegajosos" que de lo contrario se pegarían a las matrices, aunque también se realiza en el procedimiento para automatizar la prueba de muestras descrito en la solicitud de patente europea número (EP-A-0511189) al utilizar la película como una correa para transportar las muestras hacia y/o desde la posición de prueba de un instrumento de prueba. La presión crítica de la cavidad, que se corresponde con el inicio del deslizamiento, para una configuración de una matriz dada, variará según el compuesto elastomérico en particular, si se usa o no una película y, hasta cierto punto, cuando no hay ninguna película, según el material del que están hechas las matrices. Para compuestos de SBR polimerizados a 170-190ºC, usando matrices de acero endurecido sin película, esta presión crítica se encuentra normalmente en la gama de 689-3447 kPa (100-500 psi).

Cuando la muestra de material viscoelástico es mantenida bajo presión entre las matrices según el método de la invención, los cambios en la presión y el espacio entre las matrices se producirán siguiendo la expansión o contracción de la muestra según varía la temperatura. Conforme aumenta el espacio, la señal del par decrece y viceversa. Se pueden obtener resultados de mayor exactitud corrigiendo este componente del par dependiente del espacio; para este tipo de corrección es preciso conocer el tamaño del espacio que corresponde a cualquier lectura concreta del par. Se puede establecer una correlación entre espacio y presión mediante una técnica de calibración, tal y como se explica a continuación, usando una serie de cuñas de grosores conocidos con precisión. La posición de una matriz (normalmente la matriz inferior) respecto a su alojamiento es ajustada de modo que, cuando se cierran las matrices y los alojamientos con una fuerza de cierre estándar, queda un espacio entre una cuña de referencia, situada en la matriz inferior, y la matriz superior. La posición vertical de la matriz ajustable es luego desplazada hacia la otra matriz, permaneciendo los alojamientos cerrados, hasta que el transductor de presión percibe el contacto entre la matriz superior y la cuña. Esto proporciona un tamaño del espacio de referencia igual al grosor de la cuña de referencia, que se corresponde con una presión esencialmente cero. A continuación se abren las matrices y los alojamientos, la cuña de referencia es reemplazada por la siguiente cuña más gruesa y las matrices y alojamientos se cierran usando la fuerza de cierre estándar y sin un ajuste adicional de la posición de la matriz ajustable. La lectura de la presión es anotada. Esta secuencia es repetida usando cuñas de grosores cada vez mayores. Un gráfico de la presión contra el grosor de la cuña (espacio de la matriz) muestra una relación esencialmente lineal, y un valor V para el cambio en el espacio de la matriz por cambio de unidad en la presión puede obtenerse a partir del gradiente de la línea. Llevando a cabo esta calibración con una serie de temperaturas diferentes de las matrices, se halla que el valor V es esencialmente independiente de la temperatura. El par corregido se obtiene usando el valor V en la ecuación:

T\text{*}_{corr} = T\text{*}[((presión \ x \ V) + espacio \ ref)/ espacio \ ref]

Donde "espacio ref" es el espacio de referencia usado en la calibración del instrumento. La descripción anterior se refiere a una matriz ajustable para la calibración, pero sería posible de hecho que ambas matrices fuesen ajustables respecto a sus alojamientos.

Se requiere una extensión del procedimiento de calibración anterior cuando la caída de la presión es limitada según el método de la invención para prevenir el deslizamiento entre la muestra y las matrices. Cuando una muestra es rápidamente enfriada, la caída de la presión con respecto a la temperatura se halla normalmente según la forma ilustrada en la Fig 1 de los dibujos. En el caso ilustrado, la presión límite ha sido establecida en 350 psi (2412 kPa) y ésta permanece sustancialmente constante por debajo de 50ºC. En consecuencia, no es posible confiar en que la relación presión/espacio anteriormente descrita derive en un valor del par corregido en esta región. En la situación ilustrada en la Fig 1, aunque la presión permanece constante, el espacio de la matriz sigue cerrándose por debajo de 50ºC. Puesto que la relación presión/temperatura es sustancialmente lineal en la gama de aproximadamente 190ºC hasta aproximadamente 75ºC, se puede confiar en que de la extrapolación de la línea por debajo de 75ºC resulte la relación por debajo de esta temperatura. La relación a lo largo de toda la gama de temperatura puede ser expresada en la forma: Presión = a temp + c donde a y c son constantes obtenidas a partir de los datos ilustrados. A partir del procedimiento de calibración, el espacio (gt) a cualquier temperatura y presión (p) dadas se obtiene por gt = pV, que a partir de la relación presión/temperatura anterior se puede escribir como gt = (a temp + c) V. El valor del par corregido se expresa como:

T_{corr} = T \ [(gt + g \ ref)/g \ ref]

Donde T es la lectura del par real complejo en cualquier punto durante el enfriamiento.

En este método preferido el espacio de las matrices se determina a partir de la relación presión/temperatura. De forma alternativa, el espacio de las matrices podría ser obtenido directamente a partir de un transductor o sensor que midiera continuamente el espacio en el centro de las matrices, por ejemplo, en un LVDT o un sensor de capacitancia.

En el método de la invención, una muestra de material viscoelástico es sometida a una fuerza de cizalladura giratoria oscilante mediante la rotación oscilatoria de una de las matrices con respecto a la otra, midiéndose un par indicativo de la respuesta de la muestra a la fuerza de cizalladura. La rotación es preferible y esencialmente sinusoidal a través de un ángulo de 0,01 a 10 y con una frecuencia de 1 a 10,000 ciclos por minuto. Se puede medir el par necesario para oscilar dicha primera matriz, pero preferiblemente y de forma alternativa, se mide el par inducido en la otra matriz.

Los datos en bruto de las mediciones del par, temperatura y presión son preferiblemente transferidos a un equipos de tratamiento de datos electrónicos, que puede expresar cantidades derivadas, por ejemplo,
S' y S'' y presentarlas en una pantalla visual o imprimirlas en un gráfico.

En un aspecto, el aparato de la invención para la realización de una prueba de una muestra de material viscoelástico comprende las características definidas en la reivindicación 6.

En la práctica, las vías de paso son normalmente cilíndricas en corte transversal, y normalmente cada vía de paso tiene una longitud que se extiende desde la entrada que tiene un diámetro uniforme relativamente pequeño, por ejemplo, en la gama de 1 a 1.5 mm y que se expande en una longitud de diámetro uniforme superior, por ejemplo de 1.5 a 3 mm, continuando hasta la salida.

En una forma preferida de las matrices, la matriz de rotación oscilatoria tiene un cuerpo cilíndrico con un extremo cerrado, la cara externa del extremo cerrado estando adaptada para cooperar con una cara correspondiente de la matriz opuesta para moldear y sostener la muestra, y las vías de paso se extienden a través de la pared del cuerpo cilíndrico. Esta matriz es posteriormente mejorada colocando una brida anular integral alrededor de la parte abierta, especialmente alrededor de la extremidad abierta, del cuerpo cilíndrico, y con las vías de paso extendiéndose a través de la brida de la misma manera que por la pared del cilindro.

El fluido de enfriamiento empleado es normalmente un gas, normalmente aire, aunque se podría usar por ejemplo dióxido de carbono o nitrógeno. El enfriamiento previo del gas, por ejemplo a una temperatura dentro de la gama -10º a +10ºC es útil si se requiere una velocidad de enfriamiento de las matrices alta.

En una forma de este aparato, la matriz a través de la cual la fuerza de cizalladura giratoria oscilatoria es aplicada a la muestra se instala en un extremo de un eje de accionamiento coaxial, que es giratorio y deslizable dentro de un alojamiento del eje de accionamiento. El eje de accionamiento y el alojamiento están diseñados para incluir unos medios para prevenir un desplazamiento por deslizamiento del eje de accionamiento más allá de una posición correspondiente al espacio máximo de las matrices. Los medios de compensación también actúan a través del eje de accionamiento en este tipo de aparato. Por ejemplo, el eje de accionamiento puede extenderse más allá de su alojamiento y soportar un vástago de pistón y un pistón que actúan como partes de un cilindro neumático o hidráulico. La presión neumática o hidráulica en el cilindro puede ser establecida a un nivel tal que cuando la presión en la cavidad de la muestra caiga por debajo de un valor predeterminado, el eje de accionamiento, y con éste la matriz colocada sobre el eje de accionamiento, son empujados hacia la otra matriz. En un sistema alternativo, la rotación controlada y parcial de una leva acoplada a un elemento adecuado del eje de accionamiento puede usarse para efectuar el desplazamiento deseado del eje de accionamiento y de la matriz hacia la otra matriz. El valor mínimo predeterminado de la presión de la cavidad, al que responden los medios de compensación, variará según el material particular sometido a prueba, aunque normalmente se situará en la gama de 689-3447 kPa

\hbox{(100-500
psi).}

Además de su utilización en el método de la invención, el aparato que incluye unos medios de compensación puede ser usado para realizar pruebas de compuestos esponjosos. Para este tipo de prueba, una muestra de un compuesto esponjoso que contiene un agente de expansión, con un volumen inferior al de la cavidad de la matriz, es colocada en la posición de prueba y las matrices y alojamientos son cerrados. Las matrices son calentadas hasta la temperatura requerida y los medios de compensación se disponen para que proporcionen en la cavidad una presión de preparación constante, relativamente baja. El transductor de presión registrará esta presión en cuanto se cierren completamente las matrices. Las lecturas del par y de la presión tomadas tras la activación del agente de expansión pueden ser interpretadas para obtener información sobre el comportamiento de la espuma durante su expansión.

La Figura 1 es un gráfico que muestra una relación entre temperatura y presión en la cavidad de las matrices;

La Figura 2 muestra una forma de realización de la invención;

La Figura 3 es una vista transversal desde cerca de la parte superior de la Figura 2 y en particular del ensamblaje de la matriz superior e inferior;

La Figura 4 es un gráfico de presión versus tiempo para una muestra de un compuesto de una mezcla de SBR evaluada según la invención.

Las Figuras 5A y 5B son gráficos de los datos obtenidos durante el enfriamiento posterior a la vulcanización;

Las Figuras 6A y 6B ilustran el efecto de diferentes niveles de un material de carga de negro carbón N330; y

La Figura 7 muestra los resultados de colocar una película de poliéster entre cada matriz y la muestra.

En los dibujos, la Figura 2 muestra los ensamblajes de la matriz superior e inferior, el ensamblaje de la matriz inferior estando parcialmente seccionado, junto con una sección de parte del mecanismo de accionamiento para la matriz inferior. La Figura 3 es una sección en una escala mayor de los ensamblajes de la matriz superior y parte de la matriz inferior.

En referencia a la Figura 2, los ensamblajes de la matriz superior e inferior, generalmente indicados por (1) y (2) respectivamente, están colocados en una estructura generalmente similar a la descrita en referencia a la Figura 1 de US-A-4552025. La carcasa (3) del alojamiento de la matriz inferior está fijada a la parte superior de un elemento horizontal del marco (4). Introducido de forma rígida en el elemento horizontal del marco (4) y extendiéndose hacia abajo está situado un alojamiento de cojinete (5) dentro del cual hay un eje de accionamiento hueco (6) giratorio. Según la disposición mostrada, un cojinete radial (7) está situado entre el eje de accionamiento (6), cerca de su extremo superior, y el alojamiento (5) en su extremo superior, y un cojinete radial (8) está situado entre una parte inferior del eje de accionamiento (6) y una tuerca de seguridad (9). Ésta tiene una rosca externa que se engrana con una rosca interna correspondiente en la cara interior inferior del alojamiento (5), de modo que se puede ajustar su posición con respecto al alojamiento (5). Para asegurar la tuerca de seguridad (9) en una posición ajustada se utiliza un tornillo de seguridad (10). Un soporte que sobresale de la cara interna de la tuerca de seguridad (9) soporta un cojinete de empuje (11), y un separador (12) se extiende entre el cojinete de empuje (11) y la cara inferior del canal de conducción interno del cojinete radial (7). Hacia su extremo superior, el eje de accionamiento (6) está formado por un hombro (13) que se apoya contra la cara superior del canal de conducción interno del cojinete radial (7) y en su extremidad superior abierta con una placa de accionamiento anular integral (14). Ésta a su vez está fijada a una brida de montaje anular (15) que lleva un anillo aislante interno (16). En la disposición descrita, se observará que el interior del eje de accionamiento hueco (6) está abierto, a través de la brida de montaje (15), hacia una cavidad (17) que toma el anillo aislante interno (16) como su pared. Éste y otros componentes dentro del alojamiento de la matriz inferior están descritos más abajo en referencia a la Figura 3 de los dibujos.

Hacia su extremo inferior cerrado, el eje de accionamiento (6) está provisto de un brazo lateral tubular (18) que se abre en el interior del eje de accionamiento hueco. En su extremo cerrado, el eje de accionamiento sostiene un vástago de pistón (19) y un pistón (20), que son componentes de un cilindro de aire (21). El cilindro de aire (21) está colocado sobre una placa (22) fijada a los extremos inferiores de las barras (23) que están fijadas en sus extremos superiores al elemento horizontal del marco (4). El número (24) indica parte de un brazo de accionamiento a través del cual se puede transmitir un movimiento oscilatorio al eje de accionamiento (6) desde un motor de accionamiento, una caja de engranajes y excéntrica (no
mostrados).

En referencia a la Figura 3, el alojamiento de la matriz superior comprende una carcasa (30) (que está fijada a la parte inferior de una carcasa superior (25) también mostrada en la Fig. 2), una placa de estanqueidad (31) y un anillo aislante externo (32) a través del cual están conectadas la placa de estanqueidad (31) y la carcasa (30). La matriz superior (33) tiene la forma de un cilindro embridado, de extremo cerrado, la cara inferior del extremo estando formada como un cono truncado de ángulo amplio con hendiduras radiales (34). Un anillo de seguridad (35) está situado entre la matriz (33) y la placa de estanqueidad (31). La parte de la brida (36) de la matriz superior (33) tiene diferentes vías de paso radiales desde el borde interno hasta el borde externo de la brida (36), cada vía de paso teniendo una longitud de diámetro interno (37) pequeña y una longitud de diámetro externo (38) más grande. Otros componentes del ensamblaje de la matriz superior mostrados en la Fig 3 incluyen un anillo aislante interno (39), a través del cual la matriz se une por la parte de la brida (36) a una brida de montaje de la matriz (40). Un tornillo (41) que tiene un interruptor termoestático (42) en su cabeza, sostiene un dispositivo de retención del muelle (43) y una arandela del muelle (44) en una placa de retención (45), los cuales sostienen junto con un disco aislante (46) un elemento de calentamiento (47) en contacto con las superficies superiores de la parte de la brida (38) de la matriz (33). La brida de montaje de la matriz (40) está fijada a una placa de adaptación (48) que tiene un resalte central que se engrana rígidamente con el extremo inferior de un transductor del par y de la presión (49). En su extremo superior (no mostrado) el transductor del par (49) está acoplado rígidamente a la parte superior de la carcasa superior (25) (también mostrada en la Fig. 2).

La Figura 3 también muestra en sección la parte superior del ensamblaje de la matriz inferior, los componentes prácticamente duplican los de la parte inferior del ensamblaje de la matriz superior, y comprenden una placa de estanqueidad inferior (50), la matriz (51) con vías de paso (52), un anillo aislante externo (53) y un elemento de calentamiento (54). Un anillo de estanqueidad (35') está situado entre la matriz (51) y la placa de estanqueidad (50). La parte de la brida (36') de la matriz inferior (51) tiene diferentes vías de paso radiales desde el borde interno hasta el borde externo de la brida (36'), donde cada vía de paso tiene una longitud de diámetro interno (37') pequeña y una longitud de diámetro externo (38') más grande.

Otras características importantes del ensamblaje de la matriz superior ilustrado en la Fig. 3 son el conducto (55) que está conectado y unido herméticamente en su extremo interno al anillo aislante interno (39), y que proporciona los medios para introducir un fluido de enfriamiento, normalmente aire, en la cavidad (56); la provisión en la superficie superior de la placa de retención (45) de unos canales (57) que terminan en orificios (58) que permiten el acceso desde la cavidad (56), a través de una cámara anular (59), hasta las aberturas internas de las vías de paso (37, 38); y la provisión de unas aberturas (60) y (61) en el anillo aislante externo (32) y en la carcasa (30)respectivamente, a través las cuales puede ser descargado el fluido de enfriamiento. La dirección del flujo del fluido de enfriamiento a través del sistema está indicada por flechas en el dibujo. De forma similar, en referencia al ensamblaje de la matriz inferior, el fluido de enfriamiento, introducido a través del brazo lateral (18) del eje de accionamiento hueco (6) (figura 2), entra en la cavidad (17). Su recorrido a través de la matriz y de los otros componentes del ensamblaje de la matriz inferior está nuevamente indicado por flechas en el dibujo de la figura 3.

Antes de usar el instrumento, la posición de la matriz inferior (51) se ajusta con respecto a la placa de estanqueidad (50) mediante la tuerca de seguridad (9), de modo que en la posición cerrada ilustrada en la

\hbox{Fig 3,}

y en ausencia de una muestra, las placas de estanqueidad (31) y (50) están en contacto, pero quedando un espacio (62) de tamaño predeterminado en el centro de las matrices. En una prueba típica de un material de caucho o similar, se coloca una muestra de material en la matriz inferior calentada (51), con las matrices en la posición abierta. El volumen de la muestra es ligeramente superior al de la cavidad formada entre las matrices cerradas, de modo que cuando la matriz superior (33) es forzada hacia la posición cerrada, el material es moldeado para llenar la cavidad de la matriz y el material sobrante es extruido radialmente entre las matrices y las placas de estanqueidad hasta que se forma un sello periférico del material en la región (63) en los bordes internos de las placas de estanqueidad (31) y (50). Inicialmente, el espacio (62) aumentará según se transmite la presión en la cavidad de la matriz a través de los componentes del ensamblaje de la matriz inferior, el hombro (13) el eje de accionamiento (6), la vía de paso interna del cojinete radial (7), el separador (12), el cojinete de empuje (11) y el soporte de la tuerca de seguridad (9), hasta alcanzar una posición de desplazamiento máxima. El desplazamiento real durante este tiempo es muy pequeño, y representa la eliminación del "huelgo" entre los componentes, y una pequeña cantidad de compresión elástica del cojinete de empuje (11). En cualquier ejemplo concreto, el desplazamiento real también dependerá de la rigidez de la muestra y de la fuerza usada para cerrar las matrices. Cualquier reducción de la presión en la cavidad de la matriz, por ejemplo durante el enfriamiento o provocada por la contracción de la muestra durante la vulcanización, dará como resultado en principio la recuperación elástica del cojinete de empuje (11). Después, sin embargo, una reducción continua de la presión podría resultar (en la técnica precedente un instrumento en el que el espacio predeterminado representa la separación mínima de las matrices) en una pérdida del contacto totalmente eficaz entre las matrices y la muestra (es decir, deslizamiento). En el aparato de la presente invención mostrado en la Fig 2, se aplica presión de aire a la parte inferior del pistón (20) con una presión de compensación por encima de la presión de la cavidad crítica, con la que de lo contrario se produciría el deslizamiento. En el momento en que la presión en la cavidad cae por debajo de la presión de compensación, el eje de accionamiento (6) y sus componentes asociados incluyendo la matriz inferior (51) son elevados, de forma que se mantiene el contacto efectivo entre las matrices y la muestra.

Las curvas típicas de par y presión versus tiempo para una muestra de un compuesto de una mezcla de SBR evaluada según el método de la invención, pero sin compensación de presión para la contracción de la muestra, se muestran en la Fig. 4 de los dibujos. Cada caída de la presión corresponde a una bajada de la temperatura de las matrices y de la muestra de 170ºC hasta aproximadamente 30ºC, y cada aumento de la presión va asociado a un nuevo calentamiento hasta 170ºC. Se observará que el valor S' durante los sucesivos períodos de enfriamiento aumenta progresivamente hasta el cuarto periodo. Los valores erráticos de S' durante el periodo de enfriamiento y de recalentamiento entre 16 y 17 minutos indican un deslizamiento entre las matrices y la muestra. Curvas como las mostradas en la Fig. 4 son características del elastómero sometido a la prueba, y pueden utilizarse para hacer distinciones entre distintas mezclas.

Las Fig. 5A y 5B muestran los datos obtenidos durante el enfriamiento final (posterior a la vulcanización) en una prueba de enfriamiento/recalentamiento múltiple similar a la ilustrada por la Fig. 4, pero con una temperatura máxima (de vulcanización) de 190ºC. El procedimiento de la prueba que generó los datos de la Fig.5A no incluía la compensación de la presión de la matriz por la contracción, de modo que tras el inicio del enfriamiento justo después de 7.3 minutos, se produce un desplome continuo de la
presión.

El valor de S' aumenta hasta un máximo y luego decrece. Este comportamiento indica un deslizamiento entre la muestra y las matrices, y debe ser contrastado con el que se muestra en la Fig. 5B. En este caso, el procedimiento de la prueba incluía la utilización del dispositivo de compensación de la presión para evitar que la presión en la cavidad de la matriz cayera por debajo de un mínimo predeterminado. El resultado fue un aumento continuo en el valor de S', en línea con las expectativas.

Las Fig. 6A y 6B muestran los datos obtenidos en un estudio sobre el efecto de distintos niveles de un material de carga de negro carbón N330, 50,90 y 130 phr, en una mezcla de SBR vulcanizable. El procedimiento de la prueba implicó la carga de la muestra y el cierre de las matrices (temperatura de la matriz 190ºC), el inicio del enfriamiento y el control del par y de la temperatura durante el enfriamiento hasta aproximadamente 12ºC. Los resultados se muestran en la Fig. 6A. Después, el calentamiento fue iniciado nuevamente hasta recalentar la muestra a 190ºC. Esta temperatura fue mantenida hasta que la muestra fue completamente polimerizada, lo que indicó el

\hbox{valor S'}

estable, con el dispositivo de compensación de la presión operativo para detener el desplome de la presión hasta 330 psi. Las matrices y la muestra fueron luego enfriadas, y el par y la temperatura controlados. Los resultados en estas tres mezclas de SBR se muestran en la Fig. 6B. Las curvas de S'/temperatura de las Fig. 6A y 6B muestran que antes y después de la polimerización, el valor S' es significativamente más sensible al nivel de negro carbón a baja temperatura. Por lo tanto, resulta evidente el valor del método de la invención para proporcionar una diferenciación de este tipo.

La Figura 7 muestra los resultados obtenidos en pruebas en las que se colocó una película de poliéster de 0.023 mm de espesor entre cada matriz y la muestra. La muestra era un compuesto de caucho natural polimerizado a 190ºC y que fue rápidamente enfriado después de la polimerización. La serie de gráficos (A) indica el efecto en el par (S' y S'') provocado por el deslizamiento cuando la presión de la cavidad cae por debajo de un umbral crítico durante el enfriamiento. La serie (B) indica cómo el sistema de compensación de la presión evita el deslizamiento y permite que los valores del par (S' y S'') aumenten de forma continua, como se espera que hagan en ausencia de deslizamiento.

Claims (9)

1. Método para la caracterización de materiales viscoelásticos, en el que una muestra de material es mantenida, bajo presión y temperatura, entre dos matrices opuestas (33, 51) de temperatura controlada, donde la muestra es sometida a una fuerza de cizalladura giratoria oscilatoria, mediante la rotación oscilatoria de una de dichas matrices (33, 51) con respecto a la otra, midiéndose un par que es indicativo de la respuesta de la muestra a la fuerza de cizalladura, caracterizado por el hecho de que al menos una vez durante su estancia entre las matrices (33, 51) la muestra es (i) enfriada al menos 20ºC, si es necesario limitando la caída resultante de la presión para evitar el deslizamiento entre las matrices y la muestra

\hbox{(33,  51),}

y (ii) recalentada; la información sobre las características viscoelásticas de la muestra derivándose de las mediciones del par al menos durante el enfriamiento.

2. Método según la reivindicación 1 en el que la muestra es enfriada hasta 30ºC o menos.

3. Método según la reivindicación 1 en el que la velocidad media de recalentamiento es al menos de 1ºC por segundo.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el material es una composición elastomérica vulcanizable, y la muestra es inicialmente enfriada y recalentada al menos una vez antes de la vulcanización, y las mediciones del par continúan durante el enfriamiento final de la muestra una vez completada la vulcanización.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que los valores del par están corregidos como respuesta a los cambios en el espacio (62) entre las matrices (33, 51).

6. Aparato para evaluar una muestra de material viscoelástico que comprende dos matrices opuestas (33, 51) relativamente giratorias que son movibles entre una posición abierta y una posición cerrada y que, cuando se encuentran en una posición cerrada, están adaptadas para estar separadas por un espacio (62) y para sostener entre ellas una muestra bajo presión en una cavidad definida por las caras opuestas de las matrices (33, 51) y un sello periférico (35, 35'); medios para calentar las matrices (47, 54); medios para controlar la temperatura de las matrices; medios para detectar la temperatura de las matrices; medios para detectar la presión en la cavidad; medios para efectuar una rotación oscilatoria de una de las matrices para aplicar una fuerza de cizalladura giratoria oscilatoria a una muestra de material en la cavidad; medios para medir el par que es indicativo de la respuesta de la muestra a la fuerza de cizalladura; y medios para limitar el tamaño máximo de dicho espacio (62), caracterizado por el hecho de que las matrices (33, 51) tienen la forma de un cilindro embridado de extremo cerrado en al menos una de las matrices, la parte embridada incluyendo diferentes vías de paso radiales (52) desde el borde interno hasta el borde externo de la brida y permitiendo el paso de un fluido de enfriamiento desde un extremo de entrada en el borde interno hasta un extremo de salida en el borde externo de la brida, el corte transversal del extremo de salida siendo más grande que el corte transversal del extremo de entrada de cada vía de paso.

7. Aparato según la reivindicación 6 en el que la matriz de rotación oscilatoria (51) tiene una cara exterior adaptada para cooperar con una cara correspondiente de la matriz opuesta (33) con el fin de moldear y sostener la muestra, y las vías de paso (52) son vías de paso a través del cuerpo cilíndrico.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7 en el que la matriz de rotación oscilatoria (51) tiene una brida anular integral (36') que rodea la extremidad abierta del cuerpo cilíndrico, y las vías de paso (52) se extienden a través del cuerpo del cilindro y a través de la brida (36').

9. Aparato según la reivindicación 6, en el que la matriz (51), a través de la cual se aplica la fuerza de cizalladura giratoria oscilatoria sobre la muestra, se instala en un extremo de un eje de accionamiento (6), los medios de compensación actuando a través de dicho eje de accionamiento (6).