Physical Test Methods for Elastomers

381 Pages·2018·5.934 MB·English

by  Roger Brown (auth.)

Roger Brown
Physical
Test Methods
for Elastomers
Physical Test Methods for Elastomers
Roger Brown
Physical Test Methods
for Elastomers
RogerBrown
Shrewsbury,UK
ISBN978-3-319-66726-3 ISBN978-3-319-66727-0 (eBook)
DOI10.1007/978-3-319-66727-0
LibraryofCongressControlNumber:2017950162
©SpringerInternationalPublishingAG2018
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ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature
TheregisteredcompanyisSpringerInternationalPublishingAG
Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Preface
Determination of the physical properties of materials is essential for design,
specification and quality control purposes. However, the particular nature of rub-
bers and rubber-like materials demands that specific test procedures, rather than
methods for materials in general, are used to measure almost all their properties.
Onestrongindicationoftheimportanceofrubbertestingtoindustryandresearchis
thelargenumberofnationalandinternationalstandardswhichhavebeenproduced
tocoverthefullspectrumofproperties.
AtextdevotedtothePhysicalTestingofRubbersbasedonexperienceatRapra
firstappearedin1965withthepublicationoftheworkofthelateDr.JRScott,who
was widely regarded as the ‘father of rubber testing.’ The first edition of my own
book of the same title came in 1979 with the second, third, and fourth editions
reflectingthecontinuingtechnicaldevelopmentsoverthenextfourdecades.More
than50yearsafterthatfirsttext,anewvolumewasneededtogiveanaccountofthe
present-daymethodsfortestingelastomers.
There have been many changes in the methods used over that time and new
procedureshavebeenintroduced.Specifically,therehavebeenvastimprovements
to much of the instrumentation as more modern technologies are adopted by
instrumentmanufacturersandtherequirementsofindustrybecomemoresophisti-
cated. The International (ISO) and ASTM test method standards are subject to a
continuousprocessofreviewandrevision,withmosthavingundergonechangesin
thelastfewyears.
This book collates the many standard methods, comments on their virtues and
defects, and considers procedures needed for both quality control and the genera-
tion of design data. The literature relating to the development and application of
rubber test methods has also been reviewed. The content owes much to the
experience gained over many decades in an internationally recognised test house
with a history of developingtest proceduresand making avery significant contri-
butiontonationalandinternationalstandardisation.
v
vi Preface
Physical Test Methods for Elastomers is primarily intended as a reference for
thosedirectlyconcernedwithtestingelastomers,whetheritbeforqualitycontrol,
evaluation of products, production of design data or research, and for students of
rubbertechnology.However,itisbelievedthatitwillalsobeofconsiderablevalue
to those indirectly involved in testing such as design engineers and technical
specifiers.
Shrewsbury,UK RogerBrown
Contents
PartI BeforeYouTest
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 ScopeandContent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 GeneralConsiderations. . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. 9
2.1 Philosophy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 TestPieceHistory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 TestConditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Statistics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Sampling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 LimitationsofResults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7 QualitySystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8 TestEquipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.9 ThermoplasticElastomers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.10 ProductTesting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 TypesofStandard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 TestMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 OrganisationsProducingStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 SourcesofStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 InternationalStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 NationalStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.4 CompanyStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vii
viii Contents
4 ConditioningandTestAtmospheres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Storage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3 Conditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 TestConditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 ApparatusforConditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5.1 AirConditionedRooms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5.2 Enclosures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.3 Hygrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.4 Thermometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5.5 ApparatusforElevatedandSubnormal
Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.6 MechanicalConditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
PartII ProcessingandPreparationforTest
5 Processability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2 StandardMethodsforParticularPolymers. . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 SamplePreparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 ViscoelasticFlowBehaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4.2 CompressionPlastimeters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.3 PlasticityRetentionIndex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.4 RotationPlastimeters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.5 ExtrusionRheometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4.6 MixingMachines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.7 OtherProcessabilityTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4.8 CorrelationBetweenPlastimeters. . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.5 ScorchandCureRate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5.2 TypesofCuremeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5.3 ExtendedUseofCuremeterTypeInstruments. . . . . . . 77
5.5.4 AlternativeMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.6 Tack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.7 OtherTests. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 79
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6 PreparationofTestPieces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2 MixingandMoulding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 CuttingfromSheet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4 TestPiecesfromFinishedProducts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Contents ix
7 Mass,DensityandDimensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.2 Mass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3 Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.4 Dimensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.1 DimensionsNeeded. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.2 StandardMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.3 Non-standardMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4.4 SurfaceRoughness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4.5 Extensometry. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 100
7.4.6 DimensionalStability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4.7 Dispersion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
PartIII ShortTermMechanicalProperties
8 StressandStrainData. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2 Stress/StrainRelationships. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.3 Poisson’sRatio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.4 DataforFiniteElementAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9 Hardness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.1 WhatIsHardness?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.2 IntroductiontoRubberHardnessTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.3 DeadLoadTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.3.1 IRHDMethod,NormalScale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.3.2 HighandLowScales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.3.3 MicroTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.3.4 ApparentHardness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3.5 BritishandASTMstandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
9.4 DurometerTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.5 NanoandDynamicMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.6 AccuracyandComparisonofHardnessTests. . . . . . . . . . . . . . 131
9.7 UseofHardnessTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 134
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10 Tension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
10.2 FormofTestPiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.3 MeasurementofTestPieces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.4 Apparatus. . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 142
10.4.1 TensileMachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.4.2 Grips. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.4.3 ApplicationofForce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
x Contents
10.4.4 ForceMeasurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.4.5 ElongationMeasurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.5 CalculationandExpressionofResults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.6 RelaxedModulus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.7 BiaxialExtension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
11 Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2 TestMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.3 BulkCompression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
12 ShearandFlexure. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 161
12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
12.2 SimpleShear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
12.3 PureShear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
12.4 Torsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
12.5 Flexure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
13 Tear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
13.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
13.2 FormsofTestPiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
13.3 PreparationofTestPieces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
13.4 MeasurementofTearingForce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
13.5 ExpressionofResults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
13.6 FractureMechanicsApproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
13.7 CuttingResistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
PartIV TimeDependentProperties
14 DynamicStressandStrain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
14.1 PrinciplesofDynamicTests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
14.2 ReboundResilience. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
14.2.1 Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
14.2.2 PendulumMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
14.2.3 FallingWeightMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
14.3 FreeVibrationMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
14.3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
14.3.2 YerzleyOscillograph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
14.3.3 TorsionPendulum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
14.4 ForcedVibrationMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14.4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14.4.2 BriefReviewofForcedVibrationApparatus. . . . . . . . 196
14.4.3 StandardMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200