مقدمة
واليوم، أصبحت طريقة التحليل الحراري الديناميكي الميكانيكي الديناميكي (DMTA) راسخة جدًا في مختبرات أبحاث المواد والتطوير ومراقبة الجودة. وتسمح تقنية DMTA بمراقبة التردد والخصائص الميكانيكية المعتمدة على الاستطالة (الخطية وغير الخطية) لمركبات المطاط المملوءة وغير المملوءة على سبيل المثال. الجهاز المفضل هنا هو جهاز Eplexor® 500 N الناجح من شركة NETZSCH GABO Instruments.
التطبيق
تُظهر عمليات مسح درجة الحرارة في وضع الضغط أو الشد أو القص بوضوح الاعتماد على درجة حرارة الخواص الميكانيكية للمطاط ومخاليط المطاط. في معظم الحالات، يتم تبريد العينات إلى درجة حرارة أولية أقل من Tg (درجة حرارة التحول الزجاجي) ثم يتم تسخينها إلى درجة الحرارة النهائية باستخدام معدل تسخين ثابت منخفض (1 إلى 3 كلفن/الدقيقة)، من أجل تحقيق توزيعات متجانسة لدرجات الحرارة داخل العينات.
تم إجراء التحقيقات التالية في هندسة القص: في جهاز القص المزدوج (انظر الشكل 1)، يتم وضع عينتين أسطوانيتين من المطاط (السُمك: 2 مم، القطر: 10 مم) ولصقهما بين دعامتين معدنيتين متصلتين بإحكام بحامل العينة من نوع القص. يمكن تطبيق وضعين مختلفين للتحميل:
- الحمل الديناميكي المتحكم في القوة (وهذا يعني تحت قوة ثابتة)
- الحمل الديناميكي المتحكم في الإجهاد (وهذا يعني تحت إجهاد ثابت)
في الحالة الأولى، تخضع العينة لقوة ديناميكية ثابتة. عند درجات حرارة أقل من Tg، يكون تشوه العينة صغيراً بسبب الصلابة العالية للمطاط وخلائط المطاط في الحالة الزجاجية. مع زيادة درجة الحرارة، تلين العينة ويزداد تشوهها تحت قوة ثابتة.
في الحالة الثانية، تتعرض العينة لإجهاد ثابت على مدى القياس بأكمله. ويتطلب تطبيق إجهاد ثابت تطبيق مستويات عالية من القوة عند درجات حرارة أقل من الانتقال الزجاجي. ومع زيادة درجة الحرارة، تنخفض القوة المطبقة بسبب تليين العينة. يعرض الشكل 2 الاختلافات بين عمليات التشغيل التي يتم التحكم فيها بالإجهاد والقوة. يتوافق الإجهاد المفروض بنسبة 0.25% المرتبط بسُمك العينة مع تشوه حقيقي يبلغ حوالي 5 ميكرومتر. عند هذا التشوه الصغير نسبيًا، يجب تطبيق 25 نيوتن تقريبًا عند درجات حرارة منخفضة. يوضح هذا الاختبار بوضوح أنه حتى بالنسبة لاختبار القص بدون تحميل مسبق، يجب أن يتوفر احتياطي قوة كافٍ. ينحرف تطور المنحنى في وضع التحكم في القوة بشكل كبير عن نتائج وضع التحكم في الإجهاد. يولد الوضعان ظروف اختبار فيزيائية مختلفة ويستحثان استجابة مادية مختلفة. يعكس الإجهاد العالي الناتج عن وضع القوة الثابتة بشكل واضح اعتماد السعة على الخواص الميكانيكية لعينات المطاط. في الوضع المتحكم في القوة، تكون الإجهادات الناتجة أعلى مما هي عليه في الوضع المتحكم في الإجهاد بمعامل 10.
النتائج
من أجل التحقق من الخواص الميكانيكية المعتمدة على الإجهاد بالدقة والدقة اللازمة، يلزم وجود أجهزة تحليل ذات احتياطي قوة كافية مثل Eplexor® 500 N من NETZSCH GABO Instruments. بالإضافة إلى ذلك، تُعد أنظمة التحكم المناسبة التي تولد وتتحكم في الإجهاد بدقة عالية في نطاق الميكرومتر ذات أهمية عالية. في حين أن نتائج القياسات التي يتم التحكم فيها بالقوة تُظهر بنية إضافية فوق Tg، فإن القياسات التي يتم التحكم فيها بالإجهاد تكاد تكون خالية منها. هنا، من الضروري أن نضع في الاعتبار أنه في حالة القوة الثابتة، يمكن أن يصبح التشوه أكبر مما هو عليه في حالة الانفعال الثابت. تتدخل آليات التشوه الأخرى والتأثيرات الحرارية التي تعقد تفسير سلوك المادة. تكون حالة الانفعال الثابت أكثر وضوحًا، حيث يتم الحفاظ على التشوه دائمًا بنفس السعة خلال التجربة بأكملها. من الواضح أن وضع القياس المتحكم في الإجهاد مفيد لدراسة خواص المطاط ومخاليط المطاط. وللحصول على معلومات موثوقة حول معامل القص (و tanδ) فوق الانتقال الزجاجي، يجب أن يكون التشوه ثابتًا أثناء عمليات مسح درجة الحرارة.