Cum se măsoară dilatarea materialelor datorită absorbției de apă

În articolele anterioare, axate pe analiza termică în condiții de umiditate, am văzut că analiza termogravimetrică și analiza mecanică dinamică ajută la determinarea influenței apei asupra unui material sau a unei substanțe. Analiza termomecanică completează analiza în condiții de umiditate.

În articolele anterioare, axate pe analiza termică în condiții de umiditate, am văzut că analiza termogravimetrică este o metodă standard pentru identificarea absorbției de apă și determinarea conținutului de umiditate. În plus, analiza mecanică dinamică ajută în plus la determinarea influenței apei și umidității asupra proprietăților mecanice ale unui material și ale unei piese.

Citiți articolele aici!

Analiza completă a unui material sau a unei substanțe supuse umidității este completată de analiza termomecanică.

Practic: Măsurători TMA în atmosfere umede

Ce este analiza termomecanică?

Analiza termomecanică (TMA) determină modificările dimensionale ale solidelor, lichidelor sau materialelor păstoase în funcție de temperatură și/sau timp sub acțiunea unei forțe mecanice definite. Este strâns legată de dilatometrie, care determină modificarea lungimii probelor sub o sarcină neglijabilă.

Un exemplu din domeniul polimerilor

Obiectivul următoarei analize este determinarea variației de lungime a materialului într-o atmosferă umedă. Prin urmare, un TMA 402 F1 Hyperion^® a fost echipat cu un generator de umiditate care produce un nivel de umiditate definit prin amestecarea fluxului de gaz umed și uscat.

Experimentul a fost efectuat pe o probă de folie de 250 μm cu o lungime de 14,93 mm în modul tensiune. Temperatura a fost menținută constantă la 40°C și s-au efectuat pași de umiditate de 25 % în timpul programului de temperatură (curba albastră din figura 1).

Grafic de analiză termomecanică care arată modificările lungimii polimerului în condiții de umiditate la 40°C, evidențiind impactul umidității asupra proprietăților materialului. — Figura 1: Analiza unei probe de polimer în mod de tensiune prin TMA la o temperatură constantă de 40°C și trepte de umiditate de 25 %

În figura 1, devine clar că există o creștere totală de peste 300 μm. Modificarea lungimii eșantionului a fost cauzată de creșterea conținutului de apă din material ca urmare a absorbției de apă. Această modificare a lungimii unui material în condiții de umiditate trebuie luată în considerare la construcția pieselor polimerice pentru diferite aplicații.

Combinarea rezultatelor diferitelor metode de analiză termică permite interpretarea ulterioară

Corelația bună dintre diferitele metode permite o interpretare ulterioară. Analiza TGA arată că există o interacțiune fizică a apei și umidității cu un material sau o substanță. Acest lucru poate fi văzut ca o creștere a conținutului de umiditate și nu ca un comportament de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere a probei. Ulterior, analizele cu TMA și DMA arată modificarea proprietăților rezultate, de exemplu, procesul de expansiune și/sau modificările proprietăților mecanice.

Grafic de analiză termică care prezintă măsurătorile TGA, TMA și DMA pentru o probă de polimer la diferite niveluri de umiditate. — Figura 2: Prezentare generală a măsurătorilor TGA, TMA și DMA pe aceeași probă PA

Să aruncăm o privire la alte aplicații!

O aplicație din domeniul cosmeticelor

În acest experiment, un fir de păr uman a fost analizat la o temperatură constantă de 45°C cu diferite tipuri de nivel de umiditate de la 30 la 60% umiditate relativă. Părul își modifică lungimea datorită scăderii umidității.

Grafic care ilustrează analiza termomecanică a modificărilor de lungime ale părului uman la diferite niveluri de umiditate de la 30% la 60%. — Figura 3: Analiza unui fir de păr uman prin TMA

Astăzi, analiza părului uman este utilizată în principal în domeniul produselor cosmetice pentru a afla cum reacționează părul uman la diferite tipuri de condiții climatice și cum un șampon sau un balsam poate influența reacția părului.

O aplicație din domeniul materialelor de construcții

Pentru măsurarea lemnului, probele au fost tăiate în diferite moduri, ilustrate în această imagine.

Diagrama schematică a sistemului de cuplare TGA-FT-IR cu linie de transfer încălzită pentru analiza gazelor, evidențiind principalele componente și conexiuni. — Figura 4: Diferite direcții de tăiere a lemnului

Lemnul are o anizotropie ridicată în ceea ce privește interacțiunea sa cu apa și expansiunea ulterioară. Modificarea lungimii datorată absorbției de apă depinde de direcția în care a fost pregătită proba de lemn. Tăiată în direcție longitudinală, modificarea lungimii unei probe de lemn se extinde cu aproximativ 0,1%, în timp ce în direcție radială, extinderea a ajuns la aproape 1%, iar în direcție tangențială până la 2%.

Grafic reprezentând analiza TMA a probelor de lemn la 20°C și 50% umiditate, care arată modificările dimensionale în direcțiile tangențială, radială și longitudinală. — Figura 4: Analiza probelor de lemn prin TMA la o temperatură constantă de 20°C și o umiditate relativă de 50%

Există un factor de 20 în schimbarea lungimii între direcțiile diferite. Prin urmare, lemnul este tratat cu diferite substanțe pentru a-l face mai rezistent la diferite condiții meteorologice.

Exemplele anterioare arată clar că umiditatea este unul dintre parametrii esențiali care definesc proprietățile materialelor.

Instrumentele de analiză termică pot oferi informații esențiale cu privire la absorbția de apă a materialelor și substanțelor, precum și pot ajuta la determinarea extinderii în lungime sau a modificărilor de stabilitate mecanică care rezultă din acestea.

Abonați-vă la buletinul nostru informativ!