Podeszwy twoich ulubionych butów do biegania po zaledwie kilku miesiącach użytkowania mogą być frustrujące. Co by było, gdyby był sposób, aby wytrzymać ich dłużej, utrzymując nienaruszone amortyzację i komfort? Ostatnie badanie nurkuje głęboko w drobnych strukturach pianki używanej w tych butach, aby dokładnie zrozumieć, jak i dlaczego się zużywają. Korzystając z najnowocześniejszych technik obrazowania, naukowcy odkryli fascynujące szczegóły dotyczące zmian na poziomie mikro, które prowadzą do degradacji tego materiału, oferując nadzieję na bardziej trwałe obuwie sportowe w przyszłości.
Badacze z Laboratorium 3SR (z Univ. Grenoble AlpesW CNRS I Grenoble INP), kierowany przez dr Laurent Orgéas wraz z kolegami dr Clara Aimar, pr. Sabine Rolland du Roscoat i dr Lucie Bailly wraz z dr Dimitri Ferré Sentis z Decathlon jestzagłębili się w mechanizmy zmęczeniowe pianki elastomerowej zamkniętej komórki używanych w butach do biegania. Ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Polymer Testing, ujawniają znaczący wgląd w sposób, w jaki materiały degradują z czasem i pod wpływem stresu, zapewniając cenne informacje o projektowaniu bardziej trwałego obuwia sportowego.
Badanie koncentrowało się na piankach octanu etylen-winylu (EVA), wspólnym materiałem w środkowych zabieach butów z powodu doskonałych właściwości wchłaniania energii. Pomimo powszechnego stosowania proces degradacji pianek EVA przy powtarzanym naprężeniu nie był dobrze zrozumiany, szczególnie związek między zmęczeniem mechanicznym a zmianami na poziomie komórkowym.
Aby rozwiązać ten problem, zespół stosował ciągłe i przerwane cykliczne testy kompresji na próbkach pianki EVA. Wykorzystali zaawansowaną mikrotomografię rentgenowską, aby uchwycić szczegółowe obrazy 3D struktury komórkowej pianki przed testami zmęczeniowymi. Ta technika pozwoliła badaczom zaobserwować, w jaki sposób mikrostruktura pianki ewoluowała pod stresem, zapewniając wyraźniejszy obraz mechanizmów napędzających zmęczenie.
Naukowcy skrupulatnie przygotowali próbki piany do testowania. Zaczęli od płyt pianki EVA, które następnie zostały pocięte na mniejsze cylindryczne próbki. Próbki te poddano powtarzającym się cykli kompresji w celu symulacji naprężeń doświadczonych przez uruchamianie środkowych podgolów buta podczas użytkowania. Korzystając zarówno z ciągłych, jak i przerwanych testów kompresji, naukowcy mogli porównać, w jaki sposób pianka zachowała się w różnych warunkach i jak odzyskała swój kształt po okresach odpoczynku.
Jednym z kluczowych ustaleń badań była identyfikacja dwóch głównych wad indukowanych zmęczeniem: zginanie z tworzywa sztucznego i tworzenie łez lub otworów w ścianach komórkowych. Zaobserwowano, że wady te znacząco przyczyniają się do mechanicznego zmęczenia pianki, co prowadzi do częściowego odzyskania właściwości materiału po zatrzymaniu roweru. „Przerwanie cyklizacji umożliwia obserwację spłaszczania komórki wzdłuż osi kompresji zarówno z zginaniem z tworzywa sztucznego, jak i wzrost łez/otworów ścian komórkowych”, wyjaśnił dr Orgéas.
Badania wykazały, że właściwości mechaniczne pianki EVA degradowały się w przewidywalny sposób podczas ciągłego cyklu. Nastąpiło postępujące zmiękczenie piany, przy czym znaczące zmiany zachodziły przede wszystkim podczas pierwszych 5000 cykli. Po początkowej szybkiej degradacji nastąpiła wolniejszy, stały spadek. Naukowcy zauważyli, że zmiany te były ściśle powiązane z obserwowanymi defektami mikrostrukturalnymi, które stały się bardziej wyraźne wraz ze wzrostem cykli.
Ponadto badanie podkreśliło znaczenie okresów odpoczynku w testowaniu zmęczeniowym pianki EVA. Próbki poddane przerwanym cyklicznym wykazywały częściowe odzyskiwanie ich właściwości mechanicznych po każdym okresie odpoczynku. Odzyskiwanie to przypisano lepkosprężysty charakter pianki i ciśnieniem gazu uwięzionego w komórkach. „Odkrycia te sugerują, że zdolność pianki do częściowego odzyskiwania między cyklami stresu ma kluczowe znaczenie dla jej długoterminowej wydajności”, powiedział dr Orgéas.
Jeśli chodzi o praktyczne zastosowania, badania te zapewniają cenne informacje na temat projektowania bardziej trwałych butów do biegania. Zrozumienie zmian mikrostrukturalnych występujących w piankach EVA pod stresem może pomóc producentom w opracowaniu materiałów bardziej odpornych na zmęczenie. Może to prowadzić do obuwia sportowego, które utrzymuje właściwości amortyzacji i wchłaniania energii na dłużej, poprawiając wydajność i komfort dla biegaczy.
Zastosowanie mikrotomografii rentgenowskiej było kluczowe w tych badaniach. Ta nieniszcząca technika obrazowania pozwoliła naukowcom stworzyć szczegółowe modele 3D struktury wewnętrznej pianki. Porównując obrazy wykonane przed i po testach zmęczeniowych, naukowcy mogli zobaczyć, jak zmieniła się wewnętrzna architektura pianki w czasie. Zauważyli, w jaki sposób komórki piankowe, które są początkowo okrągłe i równomiernie rozmieszczone, stały się zdeformowane i nieregularne z powtarzającym się kompresją. „Obrazowanie 3D zapewniło nam wyjątkowy wgląd w zmiany strukturalne pianki na poziomie mikroskopowym”, zauważył dr Orgéas.
W badaniu wykorzystano również korelację objętości cyfrowej, metodę porównującą obrazy z różnych stadiów procesu testowania w celu kwantyfikacji pola odkształcenia 3D występującego w piance. Takie podejście umożliwiło naukowcom powiązanie tych pomiarów odkształcenia z zakresem zginania ściany komórkowej i rozwojem łez lub otworów o wysokiej precyzji. Łącząc te zaawansowane techniki obrazowania, zespół może skorelować wydajność mechaniczną pianki z określonymi zmianami strukturalnymi, oferując kompleksowe zrozumienie procesu zmęczenia.
Podsumowując, badania dr Orgéasa i jego współpracowników stanowią znaczący krok naprzód w naszym zrozumieniu mechanizmów zmęczenia w zamkniętych komórkach elastomerowych. Łącząc zmęczenie mechaniczne z określonymi zmianami mikrostrukturalnymi, badania te oferują ścieżkę do rozwoju bardziej trwałych i odpornych materiałów do różnych zastosowań, szczególnie w sporcie i lekkoatletyce.
Referencje dziennika
Aimar, C., Orgéas, L., Rolland du Roscoat, S., Bailly, L., i Ferré Sentis, D. (2023). „Mechanizmy zmęczeniowe pianki elastomerowej zamkniętej komórki: badanie mechaniczne i mikrostrukturalne z wykorzystaniem mikrotomografii rentgenowskiej EX SITU”. Testowanie polimerowe, 128, 108194.
Doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2023.108194
