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“聚”先锋 | 动态力学分析简介及对聚合物的4点启示
发布:TA仪器浏览次数:179从材料选择、失效分析到最终应用,动态力学分析(DMA)都能提供重要的聚合物表征。聚合物科学家和设计工程师将DMA与疲劳测试相结合,以全面了解材料的特性和性能属性。
01
什么是动态力学分析?
热塑性和热固性固体通常使用动态力学分析(DMA)进行测试,可得到材料在周期性应力作用下变形时的玻璃化转变温度(Tg)、模量(E'或G')和阻尼(tan δ)等准确测量值。这些测量值可用于预测实际使用温度、冲击特性、能量耗散、刚度和许多其他特性。结合流变学和其他分析技术,DMA可以提供关键的结构-性能关系,将材料化学和微观结构与成品的性能特性联系起来。由于聚合物材料具有粘弹性,其力学性能会受到时间、频率和温度的影响,因此 DMA 对评估聚合物材料特别有用[1]。
1.1
储能模量 (E'或G') 和
损耗模量 (E"或G")
储能模量表示样品弹性结构中存储的能量。它也被称为弹性模量,用 E'(在拉伸、压缩或弯曲状态下测量)和 G'(在剪切状态下测量)表示。损耗模量代表样品中的粘性部分或耗散的能量。它也被称为粘性模量,用 E"(在拉伸、压缩或弯曲状态下测量)或 G"(在剪切状态下测量)表示。
如果储能模量大于损耗模量,则可将材料视为弹性材料。反之,如果损耗模量大于储能模量,则材料主要是粘性材料(它耗散的能量大于储存的能量,就像流动的液体一样)。由于任何聚合材料都会同时表现出储能模量和损耗模量,因此它们被称为粘弹性材料,DMA上的测量也被称为粘弹性测量。1.2
阻尼或损耗因子 (tan δ)
损耗模量与储能模量的比值被定义为阻尼因子或损耗因子,用tan δ表示。例如,tan δ > 1的材料将比tan δ < 1的材料表现出更大的阻尼特性,因为前者的损耗模量大于储能模量,这意味着能量耗散、粘性机制将对材料的最终特性产生更大的影响。
当测量储能模量、损耗模量和tan δ与温度变化的关系时,根据材料的化学性质会显示出不同的转变。这些转变提供了有关材料热性能和机械性能(包括玻璃化转变温度)的宝贵信息,可用作质量控制、预测产品性能以及优化加工条件或热历史的指标。下方图1所示为无定形聚合物的代表性示例。图 1:储能模量、损耗模量和
tan δ与温度的关系图
1.3
玻璃化转变 (Tg)
DMA还可测量玻璃化转变(Tg),即聚合物从坚硬的“玻璃态”材料转变为较软的橡胶态材料并具有更多粘性的温度范围[2]。
值得注意的是,使用DMA进行玻璃化转变测量是一个复杂的主题,将在单独的应用说明中介绍。为便于讨论,我们注意到,用储能模量起始点测量的玻璃化转变温度与用损耗模量峰值或tan δ峰值测量的玻璃化转变温度是不同的。每种测量Tg的方法都有自己的优点,但关键是要使用相同的方法对不同样品进行相对比较。
02
DMA对聚合物的4点启示
2.1
模量差异
DMA可以高效、准确地测量聚合物的模量,快速比较不同样品的刚度。虽然模量通常包含在材料的数据表中,但通过DMA测试,聚合物实验室可以验证材料在特定条件下的模量,并对不同样品进行准确比较。
2.2
模量变化
DMA可以测量样品从室温加热或冷却到相关温度时材料刚度的变化情况。跟踪模量变化对于快速评估温度对材料的影响特别有用,尤其是在相关温度范围内,这有助于确定疲劳研究等其他力学测试的重点。
2.3
接近转变温度的特性
DMA对于在接近相关温度(如特定应用温度范围或潜在失效温度)时跟踪材料的整体特性非常有用。即使您知道材料的玻璃化转变温度为145℃,但在转变之前,材料会发生怎样的变化?除了简单的失效温度或转变温度外,绘制影响材料的温度图谱还能更准确、更全面地了解材料行为。
2.4
比制造商提供的工作额定值
更深入的见解
虽然制造商提供了建议的使用温度范围,但这些范围往往忽略了材料中发生的更微妙的变化。以下面的案例为例,制造商给出的工作温度范围是130℃。然而,材料在远低于额定温度时就发生了明显的变化,这意味着材料的强度和疲劳寿命可能会受到重大影响,但仅凭DMA数据无法预测确切的影响。
因为看到损耗模量在远低于额定温度时就发生了变化,研究人员能够锁定材料发生变化的温度范围,并将工作重点放在该范围内。他们决定在100℃下进行疲劳测试,以评估温度升高对疲劳寿命的影响。疲劳测试数据显示,在100℃时,材料的疲劳寿命缩短了90%。DMA强调指出,制造商提供的评级是不完整的,而疲劳数据则可以更准确地了解材料在“允许”温度下的情况。
03
将DMA和疲劳数据结合起来
以获得完整信息
如上例所示,DMA数据可以有效地为疲劳测试提供信息,从而全面反映聚合物的性能。DMA可以更深入地了解材料的行为,而这些行为可能在操作等级和数据表中被过度简化。
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产品线
参考文献
1.
Introduction to Dynamic Mechanical Analysis and its Application to Testing of Polymer Solids – TA Instruments. https://www.tainstruments.com/applications-notes/introduction-to-dynamic-mechanical-analysis-and-its-application-to-testing-of-polymer-solids/
2.
Measurement of Glass Transition Temperatures by Dynamic Mechanical Analysis and Rheology – TA Instruments. https://www.tainstruments.com/applications-notes/measurement-of-glass-transition-temperatures-by-dynamic-mechanical-analysis-and-rheology/
2024-03-08相关仪器 -
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