Hoe water de mechanische eigenschappen van polymeren beïnvloedt

Laten we eerst de vraag beantwoorden waarom water een probleem is voor een onderdeel van thermoplasten. In handboeken wordt beschreven dat de wateropname voor sommige soorten polyamide (PA) erg hoog is bij zowel 50% relatieve vochtigheid als in water. Dit zou op zich het probleem niet zijn, maar de opname van water leidt tot heel andere eigenschappen van materialen. De modulus van polyamide (PA) neemt bijvoorbeeld tot 66% af in een vochtige omgeving. Het is dus essentieel om het verlies aan stijfheid van een thermoplastisch materiaal te kennen bij de constructie van polymeeronderdelen. Hoe kan dynamische mechanische analyse (DMA) hierbij helpen?

DMA in theorie

Bij deze methode wordt een sinusvormige kracht (spanning) op het monster uitgeoefend als invoer. Dit resulteert in een sinusvormige vervorming (rek) als uitvoer. Uit beide parameters kan de modulus worden berekend, die verwijst naar de stijfheid van het materiaal. Maar we kunnen nog meer te weten komen over het materiaal door middel van een DMA-meting! Laten we het voorbeeld nemen van een man met een bal in zijn hand. Hij laat de bal op de grond vallen, maar de bal komt niet terug op de oorspronkelijke hoogte van de hand van de man. Dit illustreert dat het materiaal verschillend gedrag vertoont. De opgeslagen energie die in de bal achterblijft om terug omhoog te komen van de grond is gerelateerd aan de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E´. De ontbrekende hoogte die de bal niet omhoog springt is gerelateerd aan de gedissipeerde energie die samenhangt met de Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus (E"). Uiteindelijk krijgen we ook informatie over het dempingsgedrag van het materiaal.

In de volgende voorbeelden wordt meestal verwezen naar de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, omdat deze parameter het nauwst verbonden is met de stijfheid van het materiaal en dus het belangrijkst is bij de constructie van een polymeer onderdeel.

Voorbeeld 1: Polyamide 6 onder vochtige atmosfeer

De meting werd uitgevoerd met een DMA 242 E Artemis in combinatie met een vochtgenerator.in de oven wordt een relatieve vochtigheid toegepast, waardoor de dynamische mechanische eigenschappen van een materiaal onder vochtigheid gemeten kunnen worden. Een PA 6 monster werd gemeten bij een frequentie van 1 Hz en een temperatuur van 40°C in trekmodus. De relatieve vochtigheid werd in de loop van de tijd stapsgewijs verhoogd van 0% tot 75%. De stijfheid (beschreven door de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus E') van het materiaal werd gemeten in deze stappen van relatieve vochtigheid. Het is duidelijk zichtbaar dat de stijfheid van het materiaal afneemt met de toename van de relatieve vochtigheid. Bij 50% relatieve vochtigheid daalde de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus met ongeveer 74%.

Voorbeeld 2: Polyurethaan in een dompelbad

Voor dit voorbeeld was de DMA 242 E Artemis uitgerust met een dompelbad, een stalen container die op de monsterhouder kan worden aangebracht. Het is toepasbaar voor alle monsterhouders en vervormingsmodi van de DMA 242 E Artemis. Polyurethaan (PU) werd gemeten bij verschillende frequenties, bij een temperatuur van 25°C en in trekmodus. In figuur 3 wordt duidelijk zichtbaar op welk moment het water in de houder werd toegevoegd. Er is een afname van de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus gedurende de tijd dat het water in contact was met het materiaal. De afname is significant en bedraagt ongeveer 17%.

Bij de constructie van polymeeronderdelen voor verschillende toepassingen moet rekening worden gehouden met het effect van vocht of vloeistoffen op materialen. Als een onderdeel wordt ontworpen met de oorspronkelijke stijfheid van het materiaal, zal het waarschijnlijk falen in de toepassingsomgeving. Dit kan worden voorkomen door de dynamische mechanische eigenschappen onder bedrijfsomstandigheden te testen met behulp van dynamische mechanische analyse. Lees hier meer over DMA 242 E Artemis. Wist u dat wateropname vaak leidt tot een verandering in de afmetingen van een onderdeel. TMA uitgerust met een vochtgenerator kan helpen om de lengteverandering onder een vochtige atmosfeer te beoordelen. Volg ons op LinkedIn om het artikel niet te missen!