Inleiding
Glas is als materiaal alomtegenwoordig in ons dagelijks leven. Of het nu gaat om vensterruiten, leesglazen, wijnglazen of de elektronische onderdelen van onze mobiele telefoons - de toepassingsgebieden voor glas zijn veelzijdig en veelzijdig. In principe zijn glazen amorfe vaste stoffen die geen atomaire structurele orde op lange afstand hebben. De meest gebruikte glassoorten bestaan voornamelijk uit anorganische oxideverbindingen zoals siliciumdioxide (SiO2) en natriumoxide (Na2O) en andere hulpstoffen [1]. De mengverhoudingen - of de zuiverheid van de bestanddelen - bepalen de eigenschappen en dus het toepassingsgebied.
Zuiver silicaatglas, ook wel gesmolten silica genoemd, is een speciaal soort glas dat bestaat uit zeer zuiver siliciumoxide en geen onzuiverheden van betekenis bevat. Vergeleken met andere anorganische glassoorten is het bestand tegen hoge temperaturen, heeft het een lage thermische uitzetting, is het chemisch resistent en biocompatibel, en is het optisch zeer transparant - van ultraviolet tot infrarood [2]. Dit materiaal vindt toepassingen op verschillende gebieden, waaronder als kijkglas in omgevingen met hoge temperaturen, als lens in lasersystemen, ter ondersteuning van implantologische procedures en in analytische instrumenten zoals dilatometers.
Meting van de thermomechanische eigenschappen vanGlas met behulp van DMA
Dynamisch-mechanische analyse (kortweg DMA) is een experimentele methode om de visco-elastische eigenschappen van materialen te onderzoeken. Hierbij wordt de reactie van het materiaal op periodieke mechanische belastingen geanalyseerd om eigenschappen als elasticiteit, viscositeit en demping te bepalen. De DMA 303 Eplexor® is een dynamisch-mechanisch desktopinstrument dat totale krachtniveaus tot 50 N toelaat. Het systeem heeft een temperatuurbereik van -170°C tot 800°C, wat uniek is voor bench-top instrumenten. Op basis van deze eigenschappen kunnen zowel materialen in het lage temperatuurbereik, zoals polymeren, als zeer stijve materialen, zoals staal, keramiek of glas, gekarakteriseerd worden tot temperaturen van 800°C.
Meetresultaten
Figuur 1 vergelijkt de DMA meting van conventioneel floatglas (blauwe curve), zoals gebruikt in huisramen, met die van zuiver gesmolten siliciumdioxide (rode curve) van 100°C tot 800°C. De meting werd uitgevoerd in een 3-punts buiging met een vrije buiglengte van 20 mm en een frequentie van 1 Hz. De kubusvormige monsters hebben een dikte van 1 mm en een breedte van 10 mm waarbij de buitenomtrek van de monsters is afgevlakt.
Zowel gesmolten silicaglas als puur silicaatglas hebben een Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, E', van iets minder dan 70 GPa bij 100°C. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, E', beschrijft de elastische eigenschappen van het materiaal; eenvoudig gezegd, de stijfheid.
Met toenemende temperatuur neemt de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus van gesmolten silicaglas licht af en neemt een waarde aan van ongeveer 60 GPa bij 500°C. Bij 566°C (geëxtrapoleerde aanvang) treedt een sterke daling op van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, E', samen met een aanzienlijke toename van tan δ. Tan δ vertegenwoordigt de dempingseigenschappen van een materiaal of de energiedissipatie.
Dit is de glasovergang (Tg) karakteristiek voor amorfe vaste stoffen. Bij temperaturen onder de Tg zijn materialen meestal vast en mogelijk bros. Bij de glasovergang wordt de kinetische energie van de ongestructureerde atomen hoog genoeg om de tussenliggende binding te overwinnen. Op dit punt wordt het glas zachter en is het vormbaar. Daarom wordt de meting niet voortgezet bij het bereiken van dit punt, om Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van het glas bij de monsterhouder te voorkomen.
Zuiver silicaatglas, zoals getoond in figuur 1, vertoont daarentegen een gedrag dat eerder atypisch is voor vaste stoffen. Binnen het waargenomen temperatuurbereik treedt geen verweking van het materiaal op. In plaats daarvan neemt de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, E', licht toe bij stijgende temperatuur. Babcock et al. [3] veronderstellen het naast elkaar bestaan van twee atomaire korte-afstandsstructuren die verschillende bindingskrachten en dichtheden hebben. Met toenemende temperatuur wordt de structuur met hogere atomaire bindingskrachten in toenemende mate gevormd en wordt het materiaal stijver.
Het voorbeeld toont het gebruik van zuiver silicaatglas voor toepassingen bij hoge temperaturen. Hoewel zuiver silicaatglas ook kan worden gebruikt voor temperaturen boven 600°C, zou conventioneel gesmolten silicaglas de structurele stabiliteit niet langer garanderen. Bovendien illustreert dit voorbeeld welk verschillend gedrag kan worden vertoond door materialen die zowel visueel als chemisch erg op elkaar lijken en hoe dynamisch-mechanische analyse kan helpen om dit te onderzoeken.
Samenvatting
Dynamisch-mechanische analyse is een methode die meestal gebruikt wordt om de glasovergang van amorfe en semikristallijne polymeren te bepalen. Met de DMA 303 Eplexor® kunnen materialen geanalyseerd worden tot 800°C - een temperatuurbereik dat ongeëvenaard is onder de tafelmodellen. Hierdoor kunnen zelfs materialen die worden gebruikt in het medium- tot hoge temperatuurbereik, zoals metalen, keramiek of glas, worden gekarakteriseerd en geëvalueerd voor hun toepassing.