动态热机械分析测试

一、实验目的

1.熟悉动态力学分析仪(DMA)的的使用方法和工作原理，了解不同样品的测试方法和手段。

2.通过聚合物PP 动态模量和力学损耗与温度关系曲线的测定，了解线性非结晶聚合物不同的力学状态。

3.掌握玻璃化转变温度Tg 的求取并根据曲线得出一些结论，分析材料的热力学性质。

二、实验原理 

动态热机械分析仪是研究物质的结构及其化学与物理性质Z常用的物理方法之一，分析表征力学松弛和分子运动对温度或频率的依赖性，主要用于评价高聚物材料的使用性能、研究材料结构与性能的关系、研究高聚物的相互作用、表征高聚物的共混相容性、研究高聚物的热转变行为等。主要包括：①高聚物的玻璃化转变以及熔融行为;②高聚物的热分解或裂解以及热氧化降解;③新的或未知高聚物的鉴别;④释放挥发物的固态反应及其反应动研究;⑤高聚物的吸水性和脱水性研究，以及对水、挥发组分和灰分等的定量分析;⑥高聚物的结晶行为和结晶度;共聚物和共混物的组成、形态以及相互作用和共混相容性的研究。 

所谓动态力学是指物质在交变载荷或振动力的作用下发生的松弛行为，所以DMA 就是研究在程序升温条件下测定这种行为的方法，高聚物是一种粘弹性物质，因此在交变力的作用下其弹性部分及粘性部分均有各自的反应，而这种反应又随温度的变化而改变。高聚物的动态力学行为能模拟实际使用情况，而且它对玻璃化转变、结晶、交联、相分离以及分子链各层次的运动都十分敏感，所以它是研究高聚物分子运动行为极有用的方法。

如果施加在试样上的交变应力为ζ，则产生的应变为ε，由于高聚物粘弹性的关系，其应变将滞后于应力，则ε、ζ 分别以下式表示： ε=ε0exp iωt

ζ=ζ0exp i(ωt+δ)

式中ε0、ζ0——分别为Z大振幅的应变和应力; ω——交变力的角频率; δ——滞后相位角。

i=-1，此时复数模量：E*=ζ/ε=ζ0/ε0exp iδ=ζ0/ε0(cosδ+i sinδ)=E’+i E’’

其中E’=ζ0/ε0 cosδ 为实数模量，即模量的储能部分，而E’’=ζ0/ε0 sinδ 表示与应变相差丌/2的虚数模量，是能量的损耗部分。另外还有用内耗因子Q-1 或损失角正切tanδ 来表示损耗，即Q-1=tanδ=E’’/E’(或tanδ=G’’/G’， G 为切变模量)。

图 1 粘弹性物质在正弦交变载荷下的应力应变响应

因此在程序控制的条件下不断地测定高聚物E’’、E’和tanδ值，可以得到如图2 所示的动态力学—温度谱(动态热机械分析图谱)。尽管图中所示的曲线是典型下的，但实际测出的高聚物谱图曲线在形状上与之十分相似。从图中看到实数模量呈阶梯状下降，而在阶梯下降相对应的温度区E’’和tanδ则出现高峰，表明在这些温度区高聚物分子运动发生某种转变，即某种运动的解冻，其中对非晶态高聚物而言，Z主要的转变当然是玻璃化转变，所以模量明显下降，同时分子链段克服环境粘性运动而消耗能量，从而出现与损耗有关E’’和tanδ的高峰。为了方便起见，将Tg 以下(包括Tg)所出现的峰按温度由高到低分别以α、β、γ、δ、ε…命名，但这种命名并不表示其转变本质。

图2 典型的高聚物动态力学—温度谱

三、实验仪器

仪器型号型号DMA/SDTA8610e 公司：METTLER TOLEDO 频率：1HZ

升温速率：10℃/min 主要技术指标：

(1)操作模式：多重应力、应变和频率模式，具有直接测定样品力传感器和位传感器;

(2)频率范围：0.001-200Hz; (3)温度范围：-150—500℃; (4)受力范围：0.005—18N;

(5)Tan δ 范围：0.0001—100; (6)刚度范围：10—108N/m;

(7)仪器操作系统和分析系统均由计算机控制，配备专业的DMA 分析软件。

四、实验内容

对热塑性树脂进行DMA 测试，使用剪切模式，将样品放入小孔中，启动仪器，

观察计算机绘出的图谱，并对图谱进行解析。

下面对图谱进行分析，并分析其热机械性能。

在粗线的Z高峰对应的是132.6℃，该热塑性树脂的玻璃化转变温度为132.6℃;由于粗线较为圆滑，所以相容性较好，其结构较为致密;但是其储能模量较高，分子不易运动，较为稳定。