26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Hoe de uitzetting van materialen door wateropname te meten
In de vorige artikelen, waarin we ons richtten op thermische analyse onder vocht, hebben we gezien dat thermogravimetrische analyse en dynamische mechanische analyse helpen bij het bepalen van de invloed van water op een materiaal of stof. Thermomechanische analyse vult de analyse onder vocht aan.
In de vorige artikelen, waarin thermische analyse onder vochtigheid centraal stond, hebben we gezien dat thermogravimetrische analyse een standaardmethode is voor het vaststellen van waterabsorptie en het bepalen van het vochtgehalte. Bovendien helpt dynamische mechanische analyse bij het bepalen van de invloed van water en vocht op de mechanische eigenschappen van een materiaal en onderdeel.
De grondige analyse van een materiaal of stof onder vochtigheid wordt voltooid met thermomechanische analyse.
Hands-on: TMA-metingen onder vochtige atmosferen
Wat is thermomechanische analyse?
Thermomechanische analyse (TMA) bepaalt dimensionale veranderingen van vaste stoffen, vloeistoffen of pasteuze materialen als functie van temperatuur en/of tijd onder een gedefinieerde mechanische kracht. Het is nauw verwant aan Dilatometrie, dat de lengteverandering van monsters onder verwaarloosbare belasting bepaalt.
Een voorbeeld van polymeren
Het doel van de volgende analyse is het bepalen van de lengteverandering van het materiaal in een vochtige atmosfeer. Daarom werd een TMA 402 F1 Hyperion® uitgerust met eenvochtgenerator die een gedefinieerde vochtigheidsgraad produceert door een natte en droge gasstroom te mengen.
Het experiment werd uitgevoerd op een 250 μm foliemonster met een lengte van 14,93 mm in trekmodus. De temperatuur werd constant gehouden op 40°C en vochtigheidsstappen van 25% werden uitgevoerd tijdens het temperatuurprogramma (blauwe curve in figuur 1).
In figuur 1 wordt duidelijk dat er een totale toename is van meer dan 300 μm. De lengteverandering van het monster werd veroorzaakt door de toename van het watergehalte in het materiaal als gevolg van waterabsorptie. Met deze lengteverandering van een materiaal onder vochtigheid moet rekening worden gehouden bij de constructie van polymeeronderdelen voor verschillende toepassingen.
De combinatie van resultaten van verschillende thermische analysemethoden maakt verdere interpretatie mogelijk
De goede correlatie tussen de verschillende methoden maakt verdere interpretatie mogelijk. TGA-analyse laat zien dat er een fysieke interactie is van water en vocht met een materiaal of stof. Dit kan gezien worden als een toename van het vochtgehalte en niet als een ontledingsgedrag van het monster. Vervolgens tonen analyses met TMA en DMA de resulterende verandering in eigenschappen, bijv. expansieproces en/of veranderingen in de mechanische eigenschappen.
Laten we eens kijken naar andere toepassingen!
Een toepassing op het gebied van cosmetica
In dit experiment werd een menselijke haar geanalyseerd bij een constante temperatuur van 45°C met verschillende vochtigheidsgraden van 30 tot 60% relatieve vochtigheid. Het haar verandert van lengte door de afnemende luchtvochtigheid.
Vandaag de dag wordt de analyse van menselijk haar vooral gebruikt in de cosmeticawereld om uit te zoeken hoe het menselijk haar reageert op verschillende klimaatomstandigheden en hoe een shampoo of conditioner de reactie van het haar kan beïnvloeden.
Een toepassing op het gebied van bouwmaterialen
Voor het meten van hout werden monsters op verschillende manieren gesneden, zoals te zien is in deze afbeelding.
Hout heeft een hoge anisotropie wat betreft de interactie met water en de daaropvolgende uitzetting. De lengteverandering als gevolg van wateropname hangt af van de richting waarin het houtmonster is voorbewerkt. In de lengterichting zet de lengteverandering van een houtmonster ongeveer 0,1% uit, terwijl de uitzetting in radiale richting bijna 1% bedraagt en in tangentiële richting tot 2%.
Er is een factor 20 in de lengteverandering tussen de verschillende richtingen. Daarom wordt hout behandeld met verschillende stoffen om het beter bestand te maken tegen verschillende weersomstandigheden.
De voorgaande voorbeelden laten duidelijk zien dat vochtigheid een van de essentiële eigenschappenbepalende parameters van materialen is.
Thermische analyse-instrumenten kunnen vitaal inzicht geven in de waterabsorptie van materialen en stoffen en helpen bij het bepalen van de resulterende lengte-uitzetting of veranderingen in mechanische stabiliteit.
