26.05.2020 by Milena Riedl, Doreen Rapp
Hur man mäter materialets expansion på grund av vattenupptag
I de tidigare artiklarna, som fokuserade på termisk analys under fukt, har vi sett att termogravimetrisk analys och dynamisk mekanisk analys hjälper till att bestämma vattnets påverkan på ett material eller ämne. Termomekanisk analys kompletterar analysen under luftfuktighet.
I de tidigare artiklarna, som fokuserade på termisk analys under fukt, har vi sett att termogravimetrisk analys är en standardmetod för identifiering av vattenabsorption och bestämning av fuktinnehåll. Dynamisk mekanisk analys hjälper dessutom till att fastställa hur vatten och fukt påverkar de mekaniska egenskaperna hos ett material och en del.
Den noggranna analysen av ett material eller ämne under fukt kompletteras med termomekanisk analys.
Praktiskt arbete: TMA-mätningar under fuktiga atmosfärer
Vad är termomekanisk analys?
Termomekanisk analys (TMA) bestämmer dimensionsförändringar hos fasta, flytande eller pastösa material som en funktion av temperatur och/eller tid under en definierad mekanisk kraft. Det är nära besläktat med dilatometri, som bestämmer längdförändringen hos prover under försumbar belastning.
Ett exempel från området polymerer
Syftet med följande analys är att bestämma materialets längdförändring i en fuktig atmosfär. Därför utrustades en TMA 402 F1 Hyperion® med enfuktighetsgenerator som producerar en definierad fuktighetsnivå genom att blanda vått och torrt gasflöde.
Experimentet utfördes på ett 250 μm folieprov med en längd på 14,93 mm i dragläge. Temperaturen hölls konstant på 40°C och fuktighetssteg på 25 % utfördes under temperaturprogrammet (blå kurva i figur 1).
I figur 1 framgår det tydligt att det rör sig om en total ökning på mer än 300 μm. Provets längdförändring orsakades av den ökade vattenhalten i materialet till följd av vattenabsorption. Denna längdförändring hos ett material som utsätts för fukt måste beaktas när man konstruerar polymerdelar för olika tillämpningar.
Kombinationen av resultaten från olika termiska analysmetoder möjliggör ytterligare tolkning
Den goda korrelationen mellan de olika metoderna möjliggör ytterligare tolkning. TGA-analys visar att det sker en fysisk interaktion mellan vatten och fukt och ett material eller ämne. Detta kan ses som en ökning av fuktinnehållet och inte som ett nedbrytningsbeteende hos provet. Därefter visar analyser med TMA och DMA den resulterande egenskapsförändringen, t.ex. expansionsprocessen och/eller förändringar i de mekaniska egenskaperna.
Låt oss ta en titt på andra applikationer!
En tillämpning från kosmetikområdet
I detta experiment analyserades ett människohår vid en konstant temperatur på 45°C med olika typer av luftfuktighet från 30 till 60% relativ luftfuktighet. Håret ändrar längd på grund av minskande luftfuktighet.
Idag används analys av människohår främst inom kosmetikområdet för att ta reda på hur människohåret reagerar på olika typer av klimatförhållanden och hur ett schampo eller balsam kan påverka hårets reaktion.
En tillämpning från området byggmaterial
För mätning av trä kapades prover på olika sätt, vilket illustreras i denna bild.
Trä har en hög anisotropi när det gäller dess interaktion med vatten och den efterföljande expansionen. Längdförändringen till följd av vattenupptagningen beror på i vilken riktning träprovet har bearbetats. Vid kapning i längsgående riktning expanderar längdförändringen hos ett träprov med ca 0,1%, medan expansionen i radiell riktning når nästan 1% och i tangentiell riktning upp till 2%.
Det finns en faktor 20 i längdförändringen mellan de olika riktningarna. Därför behandlas trä med olika ämnen för att göra det mer motståndskraftigt mot olika väderförhållanden.
De tidigare exemplen visar tydligt att luftfuktigheten är en av de viktigaste egenskapsbestämmande parametrarna för material.
Instrument för termisk analys kan ge viktiga insikter om vattenabsorptionen hos material och ämnen samt hjälpa till att fastställa den resulterande längdutvidgningen eller förändringar i den mekaniska stabiliteten.
