26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Come misurare l'espansione dei materiali dovuta all'assorbimento di acqua
Negli articoli precedenti, incentrati sull'analisi termica in presenza di umidità, abbiamo visto che l'analisi termogravimetrica e l'analisi meccanica dinamica aiutano a determinare l'influenza dell'acqua su un materiale o una sostanza. L'analisi termomeccanica completa l'analisi in condizioni di umidità.
Negli articoli precedenti, incentrati sull'analisi termica in presenza di umidità, abbiamo visto che l'analisi termogravimetrica è un metodo standard per l'identificazione dell'assorbimento di acqua e la determinazione del contenuto di umidità. Inoltre, l'analisi meccanica dinamica aiuta a determinare l'influenza dell'acqua e dell'umidità sulle proprietà meccaniche di un materiale e di un pezzo.
L'analisi approfondita di un materiale o di una sostanza sottoposta a umidità è completata dall'analisi termomeccanica.
Esperienza diretta: Misure di TMA in atmosfera umida
Che cos'è l'analisi termomeccanica?
L'analisi termomeccanica (TMA) determina le variazioni dimensionali di solidi, liquidi o materiali pastosi in funzione della temperatura e/o del tempo sotto una forza meccanica definita. È strettamente correlata alla Dilatometria, che determina la variazione di lunghezza dei campioni sotto un carico trascurabile.
Un esempio dal campo dei polimeri
L'obiettivo della seguente analisi è la determinazione della variazione di lunghezza del materiale in un'atmosfera umida. Pertanto, un TMA 402 F1 Hyperion® è stato dotato di ungeneratore di umidità che produce un livello di umidità definito miscelando un flusso di gas umido e secco.
L'esperimento è stato condotto su un campione di lamina da 250 μm con una lunghezza di 14,93 mm in modalità di tensione. La temperatura è stata mantenuta costante a 40°C e durante il programma di temperatura sono stati eseguiti incrementi di umidità del 25% (curva blu nella figura 1).
Nella figura 1, risulta evidente un aumento totale di oltre 300 μm. La variazione di lunghezza del campione è stata causata dall'aumento del contenuto di acqua nel materiale in seguito all'assorbimento di acqua. Questa variazione di lunghezza di un materiale in presenza di umidità deve essere presa in considerazione quando si costruiscono parti in polimero per diverse applicazioni.
La combinazione dei risultati di diversi metodi di analisi termica consente un'ulteriore interpretazione
La buona correlazione tra i diversi metodi consente ulteriori interpretazioni. L'analisi TGA mostra che esiste un'interazione fisica dell'acqua e dell'umidità con un materiale o una sostanza. Questo può essere visto come un aumento del contenuto di umidità e non come un comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del campione. Successivamente, le analisi con TMA e DMA mostrano il conseguente cambiamento delle proprietà, ad esempio il processo di espansione e/o i cambiamenti nelle proprietà meccaniche.
Diamo un'occhiata ad altre applicazioni!
Un'applicazione nel campo della cosmesi
In questo esperimento, un capello umano è stato analizzato a una temperatura costante di 45°C con diversi tipi di umidità, dal 30 al 60% di umidità relativa. I capelli cambiano la loro lunghezza al diminuire dell'umidità.
Oggi l'analisi dei capelli umani viene utilizzata principalmente nel campo della cosmesi per scoprire come i capelli umani reagiscono a diversi tipi di condizioni climatiche e come uno shampoo o un balsamo possono influenzare la reazione dei capelli.
Un'applicazione nel campo dei materiali da costruzione
Per la misurazione del legno, i campioni sono stati tagliati in modi diversi, come illustrato in questa immagine.
Il legno presenta un'elevata anisotropia per quanto riguarda l'interazione con l'acqua e la conseguente espansione. La variazione di lunghezza dovuta all'assorbimento di acqua dipende dalla direzione in cui è stato preparato il campione di legno. Tagliato in direzione longitudinale, la variazione di lunghezza di un campione di legno si espande di circa lo 0,1%, mentre in direzione radiale l'espansione raggiunge quasi l'1% e in direzione tangenziale fino al 2%.
La variazione di lunghezza tra le diverse direzioni è pari a 20 volte. Pertanto, il legno viene trattato con diverse sostanze per renderlo più resistente alle diverse condizioni atmosferiche.
Gli esempi precedenti mostrano chiaramente che l'umidità è uno dei parametri essenziali che definiscono le proprietà dei materiali.
Gli strumenti per l'analisi termica possono fornire informazioni fondamentali sull'assorbimento di acqua da parte di materiali e sostanze e aiutare a determinare la conseguente espansione in lunghezza o i cambiamenti nella stabilità meccanica.
