19.01.2023 by Martin Rosenschon
Analiza termică poate fi și dinamică
Caracterizarea proprietăților materialelor vâsco-elastice cu ajutorul analizei dinamico-mecanice
În procesul de proiectare a unui produs sau a unei componente, cunoașterea proprietăților materialelor utilizate în funcție de temperatură este de o importanță crucială. Anvelopele de iarnă, de exemplu, sunt alcătuite din amestecuri de cauciuc care sunt adaptate în mod specific pentru temperaturi scăzute. Acest lucru asigură o aderență optimă, precum și proprietăți de abraziune și, prin urmare, o conducere sigură.
Analiza mecanică dinamică (prescurtat: DMA) este o metodă care furnizează informații privind comportamentul elastic și vâscos al unui material în funcție de temperatură și de frecvența sarcinii. O probă de testare este supusă unei sarcini oscilante definite, iar deformarea rezultată este măsurată. Parametrii modul de stocare E', Modul vâscosModulul complex (componenta vâscoasă), modulul de pierdere sau G'', este partea "imaginară" a modulului complex general al probei. Această componentă vâscoasă indică răspunsul de tip lichid sau defazat al probei măsurate. modul de pierdere E'' și factorul de amortizare tan δ pot fi determinați din tensiunea aplicată σ, deformația rezultată ε și decalajul lor δ (a se vedea figura 1). Modulul de stocare E' reprezintă comportamentul elastic reversibil (de tip arc), iar modulul de pierdere E' reprezintă componenta vâscoasă sau, de asemenea, disiparea energiei. Combinația ambilor parametri este reflectată în tan δ, care descrie proprietățile de amortizare.
Prin utilizarea diferitelor suporturi de probe, accesorii și metode de măsurare, aproape orice material poate fi măsurat cu DMA, de la medii lichide sau vâscoase la elastomeri moi și de la materiale plastice neumplute și întărite cu fibre la metale și ceramică.
În funcție de material, temperatură și sarcină, caracteristicile proprietăților viscoelastice variază foarte mult. La temperatura camerei și la deformări reduse, metalele și aliajele lor sunt, de obicei, pur elastice, în timp ce polimerii prezintă, de cele mai multe ori, un comportament mixt de vâscozitate și elasticitate. Polimerii au, de asemenea, o așa-numită temperatură de tranziție la sticlă. La temperaturi scăzute, acestea sunt relativ rigide și fragile: după cum sugerează și numele, asemănătoare sticlei. În tranziția vitroasă, lanțurile amorfe ale polimerului se pot apropia unele de altele, iar porțiunea vâscoasă crește. După aceea, materialul se află în starea entropic-elastică și este - în funcție de material - relativ moale. Pe baza modificării directe a proprietăților mecanice, tranziția vitroasă poate fi identificată în mod clar prin analiza mecanică dinamică. În plus față de DMA, aceasta poate fi determinată și prin calorimetrie diferențială cu baleiaj (abreviat: DSC), pe baza modificării capacității termice rezultate.
Cu toate acestea, DMA este metoda mult mai sensibilă în această privință și permite rezolvarea efectelor care implică schimbări termice mici sau inexistente. Figura 2 prezintă măsurarea unei probe din politetrafluoroetilenă (PTFE), cunoscută și sub denumirea comercială Teflon®, utilizând DSC (roșu, 10 K/min) și DMA (negru, 1 Hz, 2 K/min). Cel mai cunoscut exemplu de utilizare a PTFE este acoperirea antiaderentă pentru tigăi, care se datorează rezistenței sale termice și chimice ridicate. Cu toate acestea, PTFE este utilizat frecvent și în aplicații medicale sau în sisteme tribologice precum rulmenții.
Trei efecte pot fi observate în măsurarea DMA. La -123°C (debutul E'), materialul prezintă o tranziție vitroasă în Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare E' (linie continuă), care este atribuită regiunilor amorfe. Între 20°C și 40°C, PTFE prezintă două transformări solid-solid foarte apropiate. În măsurarea DMA - pe baza parametrilor de testare - un efect poate fi observat la 29°C (debutul E'). În curba DSC (roșu), ambele transformări pot fi identificate cu temperaturi de vârf la aproximativ 21°C și 31°C. În plus, în curba DMA are loc o tranziție vitroasă la 113°C (debut E'). În timp ce transformările solid-solid pot fi descrise clar prin DSC, temperaturile de tranziție vitroasă nu pot fi înregistrate în acest caz prin această metodă. Din cauza fluxurilor reduse de căldură, acestea pot fi măsurate numai cu ajutorul DMA. Deoarece tranzițiile vitroase provin din partea amorfă a materialului, măsurarea lor cu ajutorul calorimetriei diferențiale cu baleiaj este adesea dificilă, în special pentru materialele foarte cristaline, și necesită utilizarea DMA.
Indiferent dacă este vorba de materiale cu rezistență ridicată sau moi, de sarcini mari sau mici, NETZSCH oferă sistemul DMA potrivit pentru aplicația dvs. - începând cu dispozitive de masă care oferă forțe dinamice în intervalul Newton cu două cifre până la sisteme de forță mare cu sarcini de până la 1,5 kN. În funcție de dispozitiv și de configurație, măsurătorile pot fi efectuate de la -160°C până la 1500°C în intervale de frecvență de la 0,0001 la 200 Hz.
Aplicarea analizei mecanice dinamice poate răspunde la un număr large de întrebări. Rezultatele permit selectarea celor mai bune materiale posibile pentru anumite temperaturi de funcționare și cazuri de sarcină, ca în exemplul anvelopelor de iarnă. Prin includerea dependenței de frecvență, materialele pot fi, de asemenea, evaluate în ceea ce privește izolarea lor fonică în domeniul auditiv uman. Măsurătorile comparative pot fi utilizate pentru a evalua influența asupra polimerilor a materialelor de umplutură, cum ar fi fibrele de sticlă, aditivii și plastifianții, și pot fi derivate rețete. Pe baza caracteristicilor viscoelastice ale materialului, se pot analiza, de asemenea, parametrii procesului, cum ar fi dacă o rășină se întărește complet în timpul prelucrării.
În plus, cu ajutorul accesoriilor adecvate, se poate observa influența umidității asupra materialului sau se poate examina reacția materialului cu medii lichide (de exemplu, ulei sau solvenți). În acest scop, pentru sistemele DMA sunt disponibile generatoare de umiditate sau băi de imersie.
Acestea sunt doar câteva dintre numeroasele utilizări posibile ale măsurătorilor DMA. Dispozitivele DMA au de obicei alte moduri de măsurare, cum ar fi relaxarea, măsurătorile de fluaj și multe altele, care extind, de asemenea, domeniul de aplicare.
În următoarele câteva săptămâni, am dori să vă prezentăm o mare varietate de exemple de aplicații înregistrate cu dispozitivele DMA NETZSCH în diferite domenii de aplicare și să vă inspirăm pentru sarcinile și provocările dumneavoastră viitoare. Rămâneți pe recepție!
