19.01.2023 by Martin Rosenschon
L'analisi termica può essere anche dinamica
Caratterizzazione delle proprietà visco-elastiche dei materiali mediante analisi dinamico-meccanica
Nel processo di progettazione di un prodotto o di un componente, la conoscenza delle proprietà dipendenti dalla temperatura dei materiali utilizzati è di fondamentale importanza. I pneumatici invernali, ad esempio, sono costituiti da miscele di gomma specificamente adattate alle basse temperature. Questo garantisce un'aderenza ottimale e proprietà di abrasione e quindi una guida sicura.
L'analisi meccanica dinamica (abbreviata in DMA) è un metodo che fornisce informazioni sul comportamento elastico e viscoso di un materiale in funzione della temperatura e della frequenza di carico. Un campione di prova viene sottoposto a un carico definito e oscillante e la deformazione risultante viene misurata. I parametri Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E', Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita E'' e fattore di smorzamento tan δ possono essere determinati dalla sollecitazione applicata σ, dalla deformazione risultante ε e dal loro offset δ (vedi figura 1). Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' rappresenta il comportamento elastico reversibile (simile a una molla) e il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita E' rappresenta la componente viscosa o anche la dissipazione di energia. La combinazione di entrambi i parametri si riflette in tan δ, che descrive le proprietà di smorzamento.
Utilizzando diversi portacampioni, accessori e metodi di misura, con il DMA è possibile misurare quasi tutti i materiali, dai fluidi liquidi o viscosi agli elastomeri morbidi, dalle plastiche non caricate e fibrorinforzate ai metalli e alle ceramiche.
A seconda del materiale, della temperatura e del carico, le caratteristiche delle proprietà viscoelastiche variano notevolmente. A temperatura ambiente e a basse deformazioni, i metalli e le loro leghe sono solitamente puramente elastici, mentre i polimeri mostrano per lo più un comportamento misto di viscosità ed elasticità. I polimeri hanno anche una cosiddetta temperatura di transizione vetrosa. A basse temperature, sono relativamente rigidi e fragili: come suggerisce il nome, simili al vetro. Nella transizione vetrosa, le catene amorfe del polimero possono muoversi l'una verso l'altra e la parte viscosa aumenta. Successivamente, il materiale si trova nello stato entropico-elastico ed è, a seconda del materiale, relativamente morbido. Sulla base del cambiamento diretto delle proprietà meccaniche, la transizione vetrosa può essere chiaramente identificata tramite l'analisi meccanica dinamica. Oltre alla DMA, è possibile determinarla anche con la calorimetria a scansione differenziale (abbreviata in DSC), in base alla variazione della capacità termica risultante.
Tuttavia, la DMA è il metodo più sensibile in questo senso e consente di risolvere effetti che comportano variazioni termiche minime o nulle. La Figura 2 mostra la misurazione di un campione di politetrafluoroetilene (PTFE), noto anche con il nome di Teflon®, utilizzando il DSC (rosso, 10 K/min) e il DMA (nero, 1 Hz, 2 K/min). L'esempio più noto dell'uso del PTFE è il rivestimento antiaderente delle padelle, grazie alla sua elevata resistenza termica e chimica. Tuttavia, viene spesso utilizzato anche in applicazioni mediche o in sistemi tribologici come i cuscinetti.
Nella misurazione DMA si notano tre effetti. A -123°C (inizio E'), il materiale mostra una transizione vetrosa nel Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' (linea continua), attribuibile alle regioni amorfe. Tra 20°C e 40°C, il PTFE presenta due trasformazioni solido-solido strettamente distanziate. Nella misurazione DMA - basata sui parametri di prova - si può notare un effetto a 29°C (inizio E'). Nella curva DSC (in rosso), entrambe le trasformazioni possono essere identificate con temperature di picco intorno ai 21°C e ai 31°C. Inoltre, nella curva DMA si verifica una transizione vetrosa a 113°C (onset E'). Mentre le trasformazioni solido-solido possono essere chiaramente rappresentate dal DSC, le temperature di transizione vetrosa in questo caso non possono essere registrate con questo metodo. A causa dei bassi flussi di calore, queste possono essere misurate solo con il DMA. Poiché le transizioni vetrose hanno origine dalla parte amorfa del materiale, la loro misurazione con la calorimetria a scansione differenziale è spesso difficile, soprattutto per i materiali altamente cristallini, e richiede l'uso del DMA.
Che si tratti di materiali morbidi o ad alta resistenza, di carichi elevati o bassi, NETZSCH offre il sistema DMA adatto alla vostra applicazione, a partire dai dispositivi da tavolo che forniscono forze dinamiche a due cifre di Newton fino ai sistemi ad alta forza con carichi fino a 1,5 kN. A seconda del dispositivo e dell'impostazione, le misure possono essere eseguite da -160°C a 1500°C in intervalli di frequenza da 0,0001 a 200 Hz.
L'applicazione dell'analisi meccanica dinamica può rispondere a un numero large di domande. I risultati permettono di selectscegliere i migliori materiali possibili per specifiche temperature di esercizio e casi di carico, come nell'esempio dei pneumatici invernali. Includendo la dipendenza dalla frequenza, i materiali possono essere valutati anche per quanto riguarda il loro isolamento acustico nella gamma dell'udito umano. Le misurazioni comparative possono essere utilizzate per valutare l'influenza sui polimeri di cariche come fibre di vetro, additivi e plastificanti, e si possono ricavare ricette. Sulla base delle caratteristiche viscoelastiche del materiale, si possono analizzare anche i parametri di processo, come ad esempio se una resina indurisce completamente durante la lavorazione.
Inoltre, con gli accessori adatti, si può osservare l'influenza dell'umidità sul materiale o esaminare la reazione del materiale con mezzi liquidi (ad esempio, olio o solventi). A questo scopo, sono disponibili generatori di umidità o bagni a immersione per i sistemi DMA.
Questa è solo una parte dei molti usi possibili delle misure DMA. I dispositivi DMA dispongono solitamente di altre modalità di misura, come il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento, le misure di creep e molto altro, che ampliano il campo di applicazione.
Nelle prossime settimane, vorremmo presentarvi un'ampia gamma di esempi applicativi registrati con i dispositivi DMA di NETZSCH in diversi campi di applicazione e ispirarvi per i vostri compiti e le vostre sfide future. Restate sintonizzati!
