Miten vesi vaikuttaa polymeerien mekaanisiin ominaisuuksiin?

Ensin käsitellään kysymystä, miksi vesi on ongelma kestomuovista valmistetuille osille. Oppikirjoissa kerrotaan, että joidenkin polyamidityyppien (PA) vedenottokyky on todella korkea sekä 50 %:n suhteellisessa kosteudessa että vedessä. Pelkästään tämä ei olisi ongelma, mutta vedenottokyky johtaa hyvin erilaisiin materiaaliominaisuuksiin. Esimerkiksi polyamidin (PA) moduuli laskee jopa 66 prosenttia kosteassa ilmakehässä. Näin ollen lämpömuovisen materiaalin jäykkyyshäviön tunteminen on olennaista polymeeriosien rakentamisessa. Miten dynaaminen mekaaninen analyysi (DMA) voi auttaa tässä kysymyksessä?

DMA teoriassa

Tässä menetelmässä näytteeseen kohdistetaan sinimuotoinen voima (jännitys). Tuloksena on sinimuotoinen muodonmuutos (strain). Molemmista parametreista voidaan laskea moduuli, joka viittaa materiaalin jäykkyyteen. DMA-mittauksen avulla voidaan kuitenkin saada vielä enemmän tietoa materiaalista! Otetaan esimerkki miehestä, jolla on pallo kädessään. Hän pudottaa pallon lattialle, mutta pallo ei tule takaisin miehen käden alkuperäiselle korkeudelle. Tämä havainnollistaa, että materiaali käyttäytyy eri tavoin. Varastoitunut energia, joka jää palloon palaamaan takaisin ylös maasta, liittyy varastointimoduuliin E´. Puuttuva korkeus, josta pallo ei hyppää ylös, liittyy häviömoduuliin (E") liittyvään haihtuvaan energiaan. Lopulta saamme myös tietoa materiaalin vaimennuskäyttäytymisestä.

Seuraavissa esimerkeissä viitataan useimmiten varastointimoduuliin, koska tämä parametri liittyy läheisimmin materiaalin jäykkyyteen ja on siten tärkein polymeeriosien rakentamisessa.

Esimerkki 1: Polyamidi 6 kosteassa ilmakehässä

Mittaus suoritettiin DMA 242 E Artemis -laitteella, johon oli yhdistetty kosteusgeneraattori.uunissa käytetään suhteellista kosteutta, mikä mahdollistaa materiaalin dynaamisten mekaanisten ominaisuuksien mittaamisen kosteuden vallitessa. PA 6 -näyte mitattiin 1 Hz:n taajuudella ja 40 °C:n lämpötilassa jännitystilassa. Suhteellista kosteutta nostettiin asteittain 0 %:sta 75 %:iin ajan kuluessa. Materiaalin jäykkyys (jota kuvaa varastointimoduuli E') mitattiin näissä suhteellisen kosteuden vaiheissa. On selvästi nähtävissä, että materiaalin jäykkyys pienenee suhteellisen kosteuden kasvaessa. Suhteellisessa kosteudessa 50 % varastointimoduuli pieneni noin 74 %.

Esimerkki 2: Polyuretaani upotuskylvyssä

Tätä esimerkkiä varten DMA 242 E Artemis -laite varustettiin upotuskylvyllä, joka on teräksestä valmistettu säiliö, joka voidaan asettaa näytteenpitimeen. Sitä voidaan soveltaa kaikkiin DMA 242 E Artemis-laitteen näytteenpitimiin ja muodonmuutostiloihin. Polyuretaani (PU) mitattiin useilla taajuuksilla, 25 °C:n lämpötilassa ja jännitystilassa. Kuvasta 3 käy selvästi ilmi, missä vaiheessa vettä lisättiin säiliöön. Varastointimoduuli laskee sinä aikana, kun vesi oli kosketuksissa materiaalin kanssa. Lasku on merkittävä ja on noin 17 prosenttia.

Kosteuden tai nesteiden vaikutus materiaaleihin on pidettävä mielessä, kun rakennetaan polymeeriosia eri sovelluksiin. Jos osa suunnitellaan materiaalin alkuperäisellä jäykkyydellä, osa todennäköisesti pettää käyttöympäristössään. Tämä voidaan välttää testaamalla dynaamiset mekaaniset ominaisuudet käyttöolosuhteissa dynaamisen mekaanisen analyysin avulla. Lue lisää DMA 242 E Artemis -analyysistä täältä. Tiesitkö, että veden imeytyminen johtaa usein osan mittojen muuttumiseen. Kosteusgeneraattorilla varustettu TMA voi auttaa arvioimaan pituuden muutosta kosteassa ilmakehässä. Seuraa meitä LinkedInissä, jotta et jää paitsi artikkelista!