26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Miten mitataan materiaalien laajeneminen vedenoton seurauksena?
Aiemmissa artikkeleissa, joissa keskityttiin lämpöanalyysiin kosteuden vaikutuksesta, on todettu, että termogravimetrinen analyysi ja dynaaminen mekaaninen analyysi auttavat määrittämään veden vaikutuksen materiaaliin tai aineeseen. Termomekaaninen analyysi täydentää kosteuden alaisena tehtävää analyysia.
Edellisissä artikkeleissa, joissa keskityttiin lämpöanalyysiin kosteuden vaikutuksesta, on todettu, että termogravimetrinen analyysi on vakiomenetelmä veden imeytymisen tunnistamiseksi ja kosteuspitoisuuden määrittämiseksi. Lisäksi dynaamisen mekaanisen analyysin avulla voidaan lisäksi määrittää veden ja kosteuden vaikutus materiaalin ja kappaleen mekaanisiin ominaisuuksiin.
Materiaalin tai aineen perusteellinen analyysi kosteuden vaikutuksesta saadaan päätökseen termomekaanisella analyysillä.
Käytännössä: TMA-mittaukset kosteassa ilmakehässä
Mitä on termomekaaninen analyysi?
Lämpömekaaninen analyysi (TMA) määrittää kiinteiden, nestemäisten tai tahnamaisten materiaalien mittamuutokset lämpötilan ja/tai ajan funktiona määritellyn mekaanisen voiman vaikutuksesta. Se liittyy läheisesti dilatometriaan, jossa määritetään näytteiden pituuden muutos vähäisessä kuormituksessa.
Esimerkki polymeerien alalta
Seuraavan analyysin tavoitteena on määrittää materiaalin pituuden muutos kosteassa ilmakehässä. Sen vuoksi TMA 402 F1 Hyperion® -laite varustettiinkosteusgeneraattorilla , joka tuottaa määritellyn kosteustason sekoittamalla märkää ja kuivaa kaasuvirtaa.
Koe suoritettiin 250-μm:n folionäytteelle, jonka pituus oli 14,93 mm, jännitystilassa. Lämpötila pidettiin vakiona 40 °C:ssa, ja lämpötilaohjelman aikana suoritettiin 25 prosentin kosteusvaiheet (sininen käyrä kuvassa 1).
Kuvasta 1 käy selvästi ilmi, että kokonaiskasvu on yli 300 μm. Näytteen pituuden muutos johtui materiaalin vesipitoisuuden kasvusta veden imeytymisen seurauksena. Tämä materiaalin pituuden muutos kosteuden vaikutuksesta on otettava huomioon, kun rakennetaan polymeeriosia eri sovelluksiin.
Eri lämpöanalyysimenetelmien tulosten yhdistäminen mahdollistaa lisätulkinnan
Eri menetelmien välinen hyvä korrelaatio mahdollistaa lisätulkinnan. TGA-analyysi osoittaa, että vesi ja kosteus ovat fysikaalisessa vuorovaikutuksessa materiaalin tai aineen kanssa. Tämä voidaan nähdä kosteuspitoisuuden kasvuna eikä näytteen hajoamiskäyttäytymisenä. Tämän jälkeen TMA- ja DMA-analyysit osoittavat siitä johtuvan ominaisuuksien muutoksen, esim. paisumisprosessin ja/tai mekaanisten ominaisuuksien muutokset.
Katsotaanpa muita sovelluksia!
Sovellus kosmetiikan alalta
Tässä kokeessa analysoitiin ihmisen hiuksia 45 °C:n vakiolämpötilassa ja erilaisilla kosteustasoilla 30-60 %:n suhteellisessa kosteudessa. Hius muuttaa pituuttaan kosteuden vähentyessä.
Nykyään hiusanalyysejä käytetään pääasiassa kosmetiikan alalla, jotta voidaan selvittää, miten hiukset reagoivat erilaisiin ilmasto-olosuhteisiin ja miten shampoo tai hoitoaine voi vaikuttaa hiusten reaktioon.
Sovellus rakennusmateriaalien alalta
Puun mittausta varten näytteet leikattiin eri tavoin, kuten tässä kuvassa on esitetty.
Puu on hyvin anisotrooppista vuorovaikutuksessa veden kanssa ja sitä seuraavassa laajenemisessa. Vedenoton aiheuttama pituuden muutos riippuu siitä, mihin suuntaan puunäyte on valmistettu. Pituussuunnassa leikattuna puunäytteen pituuden muutos on noin 0,1 %, kun taas säteittäisessä suunnassa laajeneminen on lähes 1 % ja tangentiaalisessa suunnassa jopa 2 %.
Pituuden muutos eri suuntien välillä on 20-kertainen. Siksi puuta käsitellään eri aineilla, jotta se kestää paremmin erilaisia sääolosuhteita.
Edelliset esimerkit osoittavat selvästi, että kosteus on yksi olennainen materiaalien ominaisuuksia määrittävä parametri.
Lämpöanalyysilaitteilla voidaan saada elintärkeää tietoa materiaalien ja aineiden veden imeytymisestä sekä määrittää siitä johtuva pituuslaajeneminen tai mekaanisen vakauden muutokset.
