26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Πώς να μετρήσετε τη διαστολή των υλικών λόγω πρόσληψης νερού
Στα προηγούμενα άρθρα, που επικεντρώθηκαν στη θερμική ανάλυση υπό υγρασία, είδαμε ότι η θερμοβαρυμετρική ανάλυση και η δυναμική μηχανική ανάλυση βοηθούν στον προσδιορισμό της επίδρασης του νερού σε ένα υλικό ή μια ουσία. Η θερμομηχανική ανάλυση συμπληρώνει την ανάλυση υπό υγρασία.
Στα προηγούμενα άρθρα, που επικεντρώθηκαν στη θερμική ανάλυση υπό υγρασία, είδαμε ότι η θερμοβαρυτική ανάλυση είναι μια τυπική μέθοδος για την ταυτοποίηση της απορρόφησης νερού και τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε υγρασία. Επιπλέον, η δυναμική μηχανική ανάλυση βοηθάει επιπλέον στον προσδιορισμό της επίδρασης του νερού και της υγρασίας στις μηχανικές ιδιότητες ενός υλικού και ενός εξαρτήματος.
Η ενδελεχής ανάλυση ενός υλικού ή μιας ουσίας υπό υγρασία ολοκληρώνεται με τη θερμομηχανική ανάλυση.
Πρακτικά: Μετρήσεις TMA σε υγρές ατμόσφαιρες
Τι είναι η θερμομηχανική ανάλυση
Ηθερμομηχανική ανάλυση (ΘΜΑ) προσδιορίζει τις αλλαγές διαστάσεων στερεών, υγρών ή παχύρρευστων υλικών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ή/και του χρόνου υπό καθορισμένη μηχανική δύναμη. Συνδέεται στενά με τη διαστολομετρία, η οποία προσδιορίζει τη μεταβολή του μήκους των δειγμάτων υπό αμελητέο φορτίο.
Ένα παράδειγμα από τον τομέα των πολυμερών
Στόχος της ανάλυσης που ακολουθεί είναι ο προσδιορισμός της μεταβολής του μήκους του υλικού σε υγρή ατμόσφαιρα. Ως εκ τούτου, ένα TMA 402 F1 Hyperion® εξοπλίστηκε με μιαγεννήτρια υγρασίας που παράγει ένα καθορισμένο επίπεδο υγρασίας με την ανάμειξη υγρής και ξηρής ροής αερίου.
Το πείραμα διεξήχθη σε ένα δείγμα φύλλου αλουμινίου 250 μm με μήκος 14,93 mm σε κατάσταση τάσης. Η θερμοκρασία διατηρήθηκε σταθερή στους 40 °C και πραγματοποιήθηκαν βήματα υγρασίας 25 % κατά τη διάρκεια του προγράμματος θερμοκρασίας (μπλε καμπύλη στο σχήμα 1).
Στο σχήμα 1, γίνεται σαφές ότι υπάρχει συνολική αύξηση άνω των 300 μm. Η μεταβολή του μήκους του δείγματος προκλήθηκε από την αύξηση της περιεκτικότητας του υλικού σε νερό ως αποτέλεσμα της απορρόφησης νερού. Αυτή η αλλαγή μήκους ενός υλικού υπό την επίδραση της υγρασίας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την κατασκευή πολυμερών εξαρτημάτων για διάφορες εφαρμογές.
Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων των διαφόρων μεθόδων θερμικής ανάλυσης επιτρέπει την περαιτέρω ερμηνεία
Η καλή συσχέτιση μεταξύ των διαφόρων μεθόδων επιτρέπει περαιτέρω ερμηνεία. Η ανάλυση TGA δείχνει ότι υπάρχει φυσική αλληλεπίδραση του νερού και της υγρασίας με ένα υλικό ή μια ουσία. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρασία και όχι ως συμπεριφορά αποσύνθεσης του δείγματος. Στη συνέχεια, οι αναλύσεις με TMA και DMA δείχνουν την προκύπτουσα αλλαγή των ιδιοτήτων, π.χ. διαδικασία διαστολής ή/και αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες.
Ας ρίξουμε μια ματιά σε άλλες εφαρμογές!
Μια εφαρμογή από τον τομέα των καλλυντικών
Σε αυτό το πείραμα, μια ανθρώπινη τρίχα αναλύθηκε σε σταθερή θερμοκρασία 45°C με διαφορετικά είδη υγρασίας από 30 έως 60% σχετική υγρασία. Η τρίχα μεταβάλλει το μήκος της λόγω της μείωσης της υγρασίας.
Σήμερα, η ανάλυση των ανθρώπινων μαλλιών χρησιμοποιείται κυρίως στον τομέα των καλλυντικών, προκειμένου να διαπιστωθεί πώς αντιδρούν τα ανθρώπινα μαλλιά σε διάφορα είδη κλιματικών συνθηκών και πώς ένα σαμπουάν ή ένα μαλακτικό μπορεί να επηρεάσει την αντίδραση των μαλλιών.
Μια εφαρμογή από τον τομέα των δομικών υλικών
Για τη μέτρηση του ξύλου, τα δείγματα κόπηκαν με διαφορετικούς τρόπους, όπως φαίνεται στην εικόνα.
Το ξύλο παρουσιάζει μεγάλη ανισοτροπία όσον αφορά την αλληλεπίδρασή του με το νερό και την επακόλουθη διαστολή. Η μεταβολή του μήκους λόγω της πρόσληψης νερού εξαρτάται από την κατεύθυνση προς την οποία έχει προετοιμαστεί το δείγμα ξύλου. Κόβοντας κατά τη διαμήκη διεύθυνση, η μεταβολή του μήκους ενός δείγματος ξύλου διαστέλλεται κατά περίπου 0,1%, ενώ κατά την ακτινική διεύθυνση, η διαστολή έφτασε σχεδόν το 1% και κατά την εφαπτομενική διεύθυνση έως και 2%.
Υπάρχει ένας συντελεστής 20 στην αλλαγή μήκους μεταξύ των διαφορετικών κατευθύνσεων. Ως εκ τούτου, το ξύλο επεξεργάζεται με διάφορες ουσίες προκειμένου να γίνει πιο ανθεκτικό στις διάφορες καιρικές συνθήκες.
Τα προηγούμενα παραδείγματα δείχνουν σαφώς ότι η υγρασία είναι μια από τις βασικές παραμέτρους που καθορίζουν τις ιδιότητες των υλικών.
Τα όργανα θερμικής ανάλυσης μπορούν να δώσουν ζωτικής σημασίας πληροφορίες σχετικά με την απορρόφηση νερού από υλικά και ουσίες, καθώς και να βοηθήσουν στον προσδιορισμό της προκύπτουσας διαστολής μήκους ή των αλλαγών στη μηχανική σταθερότητα.
