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什么是热动态机械分析法(DMA)

2022-11-23
29419次

DMA(动态热机械分析法)用于测定材料(主要是聚合物)在长期保持恒定的振荡载荷(应变或应力)下的粘弹性。DMA主要用于检测玻璃化转变,但还可以用于测定二次转变、材料刚度、固化程度和结晶度。

一、DMA如何工作

首先将样品夹在DMA仪器的测量夹具上,控制样品温度变化,并对样品施加正弦力。随后测定所施力与随之产生的形变之间的关系。

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可以通过施加的应力和应变(绘制成时间或温度的函数)计算样品性能(粘弹性)。

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上述DMA输出图形显示了通常通过DMA测量绘制的三项参数。

*E'是储能模量或弹性模量,表示样品的弹性以及储存和恢复的能量相对于施加的力的程度。

*E"是损耗模量或非弹性模量,表示样品的粘性以及转化为热量的能量相对于施加的力的程度。

*Tanδ是损耗角正切,表示E'与E"的比值,反映振动吸收能力。此参数也称为振动吸收系数或阻尼。

从根本上而言,这些参数提供了聚合物在某温度范围内的刚度和阻尼变化相关信息。

二、DMA提供哪些热性能相关信息

首先将样品夹在DMA仪器的测量夹具上,控动态热机械分析法能够测量随温度曲线变化而发生的刚度和阻尼变化,并助力了解温度对材料物理性能的影响。

这种技术具有高灵敏度,允许检测松弛现象,例如可以观察到玻璃化转变、侧链松弛和局部模式松弛。这种方法还能提供聚合物的分子结构和分子运动相关信息。

通过同时测量温度分散和频率分散,可以获得频率对材料性能的影响及其对松弛转变的影响,由此可以了解材料在预期使用条件下的性能。 

DMA可用于测定剪切模量(G)或杨氏模量(E)。

三、如何根据特定ASTM方法解读DMA分析结果

我们选择了ASTM D4065-20《塑料动态机械特性的标准实施规程——程序报告及测定法》。本实施规程旨在提供通过自由振动和共振或非共振强制振动技术在某温度、频率或时间范围内测定塑料的转变温度、弹性和损耗模量的方法。

弹性模量和损耗模量图表指示塑料的粘弹性特征。这些模量是塑料中温度或频率的函数,并在特定温度或频率下迅速发生变化。模量快速变化的区域通常称为过渡区域。

如供参考的试验方法中所列,已使用不同的形变模式(如拉伸、弯曲和剪切)。

上述DMA曲线显示了在张力下分析聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜的结果。三条曲线显示了与材料粘弹性能相关的不同信息。E'是储能模量,其提供与材料刚度相关的材料弹性分量相关信息。

可以在任何点测量材料的刚度,如本文所示的25℃时模量值。对于PMMA等非晶态或部分非晶态材料,DMA具有高灵敏度,非常适合用于检测玻璃化转变(Tg)。在这种情况下,通过储能模量获得的玻璃化转变温度为115.3℃。

此外,还可以使用E"检测玻璃化转变,E"是使用损耗模量的峰值温度;在这种情况下,峰值温度为116.9℃。最后,Tanδ还可以用于玻璃化转变温度为129.9℃的情况,并用于了解材料吸收振动的程度,这也称为阻尼。

E'、E"和Tanδ测量聚合物的不同性能,因此通常给出不同的值。重要的是将所得结果与相同类型的测量结果(E'、E"或Tanδ)进行比较。

四、使用DMA有什么优势

DMA主要用于检测较弱的转变,如玻璃化转变。DMA还可用于测定聚合物的粘弹性和松弛现象,以及了解材料性能如何受频率影响。DMA能够检测尺寸更大的样品,确保这种样品更近似于用作真实零件时的状况。不同的测量夹具还能确保测量结果更适合材料的预期使用方式(如拉伸或剪切模式)。

五、日立DMA分析仪可实现热机械分析法产品更好的飞跃

日立DMA仪器可帮助记录模量变化,了解样品损坏或颜色变化等意外性能,并检查每个数据点的可靠性,即使在完成测量后也是如此。DMA7100具有非常大的模量范围,非常适合极软和极硬的样品,可以从许多不同的形变模式中进行选择。标配主曲线分析和活化能计算等功能,可以实现热固性塑料、热塑性塑料、共混聚合物的全面表征,还可进行复合材料的固化研究。

日立创新型Real View®相机系统与DMA7100系列相结合,因此可以在分析过程中实时了解样品状态的变化。图像显示了样品形状、尺寸、颜色和其他性能的变化,还可对这些图像进行记录,并通过时间轴自动将其与热力学数据相联系。


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