Hvordan vand påvirker polymerers mekaniske egenskaber

Hvorfor er vand et problem for en del lavet af termoplast? Lærebøger beskriver, at vandoptagelsen for nogle typer polyamid (PA) er virkelig høj i både 50 % relativ luftfugtighed og i vand. Det ville ikke i sig selv være et problem, men optagelsen af vand fører til meget forskellige materialeegenskaber. Hvordan kan dynamisk mekanisk analyse (DMA) hjælpe med dette problem?

Lad os først tage fat på spørgsmålet om, hvorfor vand er et problem for en del lavet af termoplast. Lærebøger beskriver, at vandoptagelsen for nogle typer polyamid (PA) er meget høj i både 50 % relativ luftfugtighed og i vand. Det ville ikke i sig selv være et problem, men vandoptagelsen fører til meget forskellige materialeegenskaber. For eksempel falder modulet i polyamid (PA) med op til 66 % i en fugtig atmosfære. Derfor er det vigtigt at kende tabet af stivhed i et termoplastisk materiale, når man konstruerer polymerdele. Hvordan kan dynamisk mekanisk analyse (DMA) hjælpe med dette spørgsmål?

DMA i teorien

I denne metode påføres prøven en sinusformet kraft (StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress) som input. Det resulterer i en sinusformet deformation (strain) som output. Ud fra begge parametre kan man beregne modulet, som henviser til materialets stivhed. Men vi kan finde ud af endnu mere om materialet ved hjælp af en DMA-måling! Lad os tage et eksempel med en mand, der har en bold i hånden. Han taber bolden på gulvet, men bolden kommer ikke tilbage til den oprindelige højde på mandens hånd. Dette illustrerer, at materialet opfører sig forskelligt. Den lagrede energi, der er tilbage i bolden for at komme op fra jorden igen, er relateret til lagringsmodulet E´. Den manglende højde, som bolden ikke springer op, er relateret til den tabte energi, der er forbundet med tabsmodulet (E"). Til sidst får vi også oplysninger om materialets dæmpningsadfærd.

Illustration, der forklarer lagrings- og tabsmoduli i polymeranalyse og fremhæver energispredning i materialer. — Figur 1: Lagrings- og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul

I de følgende eksempler henvises der for det meste til lagringsmodulet, fordi denne parameter er tættest forbundet med materialets stivhed og dermed vigtigst i konstruktionen af en polymerdel.

Eksempel 1: Polyamid 6 under fugtig atmosfære

Målingen blev udført med en DMA 242 E Artemis kombineret med en fugtighedsgenerator.en relativ fugtighed påføres i ovnen, hvilket gør det muligt at måle de dynamiske mekaniske egenskaber af et materiale under fugtighed. En PA 6-prøve blev målt ved en frekvens på 1 Hz og en temperatur på 40 °C i spændingstilstand. Den relative luftfugtighed blev trinvist øget fra 0 % til 75 % over tid. Materialets stivhed (beskrevet ved lagringsmodulet E') blev målt i disse relative fugtighedstrin. Det er tydeligt, at materialets stivhed falder med stigningen i den relative luftfugtighed. Ved 50 % relativ luftfugtighed faldt lagringsmodulet med ca. 74 %.

DMA-graf, der viser, at polyamid 6's trækstyrke falder med 74 % ved forskellige fugtighedsniveauer, hvilket er afgørende for analyse af materialets ydeevne. — Figur 2: DMA-måling af en PA 6-prøve i spændingstilstand

Eksempel 2: Polyurethan i et nedsænkningsbad

Til dette eksempel var DMA 242 E Artemis udstyret med et nedsænkningsbad, som er en beholder lavet af stål, der kan anvendes på prøveholderen. Det gælder for alle prøveholdere og deformationstilstande på DMA 242 E Artemis. Polyurethan (PU) blev målt ved flere frekvenser, ved en temperatur på 25 °C og i spændingstilstand. Det fremgår tydeligt af figur 3, hvornår der blev tilsat vand i beholderen. Der er et fald i lagringsmodulet i løbet af den tid, vandet var i kontakt med materialet. Faldet er markant og udgør ca. 17 %.

DMA-graf, der illustrerer vandets indvirkning på polyuretanfilmens stivhed over tid, og som viser et markant fald på 17 %. — Figur 3: DMA-måling med et nedsænkningsbad på en PU-prøve

Man skal være opmærksom på effekten af fugt eller væsker på materialer, når man konstruerer polymerdele til forskellige anvendelser. Hvis en del er designet med materialets oprindelige stivhed, vil delen sandsynligvis svigte i anvendelsesmiljøet. Dette kan undgås ved at teste de dynamiske mekaniske egenskaber under driftsforhold ved hjælp af dynamisk mekanisk analyse. Få mere at vide om DMA 242 E Artemisher. Vidste du det? Vandoptagelse fører ofte til en ændring i dimensionerne på en del. TMA udstyret med en fugtighedsgenerator kan hjælpe med at vurdere længdeændringen i en fugtig atmosfære. Følg os på LinkedIn for ikke at gå glip af artiklen!