dynamisk mekanisk analys eller DMA för kort, är en extremt mångsidig och flexibel analytisk teknik för mätning av de fysikaliska egenskaperna (inkl: lagringsmodul, glasövergångstemperatur etc..) av en rad material. Även om de första försöken att utföra denna typ av testning startade i början av 20-talet, var kommersiella maskiner inte tillgängliga förrän på 1950-talet och dessa var extremt begränsade i vad de kunde göra. Det var inte förrän på 1980-talet, när datorernas bearbetningskraft kombinerades med DMA: s mekanik, att tekniken fick större överklagande bland forskare. Under denna tid började många kommersiella instrumentleverantörer sälja DMA-maskiner och gav tekniken olika namn, av vilka några fortfarande används idag, såsom dynamisk mekanisk termisk analys (DMTA), dynamisk mekanisk spektroskopi eller dynamisk termomekanisk analys.
när tekniken utvecklades tillsattes fler och fler funktioner såsom förmågan att testa prover i olika former (fasta ämnen, vätskor, pasta etc..), i olika lägen (spänning, skjuvning, böjning, vridning, etc) och i olika miljöer (luft, vätska, fuktighetsområde etc.).
mer kraftfulla maskiner tillät större, mer representativa prover att testas. Detta är särskilt viktigt för kompositer, där olika layups kan påverka resultaten. När kraften i datorer ökade blev DMA-tekniken mer användarvänlig, vilket ledde till att instrumenten användes i kvalitetskontrollmiljöer, liksom i utvecklingen av nya material.
DMA är nu fast etablerad inom den termiska analysfamiljen av tekniker, inklusive differentiell Skanningskalorimetri (DSC), Termogravimetrisk analys (TGA) och termomekanisk analys (TMA).
även om DMA kan användas för att undersöka många fysikaliska egenskaper hos ett material, är dess nyckelstyrka utvärderingen av glasövergångstemperaturen (Tg) hos en polymer. DMA: s känslighet för Tg gör det till det föredragna verktyget för forskare runt om i världen. Inte bara kan DMA noggrant mäta Tg det kan också framgångsrikt identifiera sekundära övergångar, som har en betydande inverkan på prestandan hos ett polymermaterial.
i standardanvändning innefattar den grundläggande funktionen av DMA appliceringen av en sinusoidalt varierande stress på ett prov och övervakningen av den resulterande deformationen. I typiska DMA-experiment appliceras spänningen vid en konstant frekvens (vanligtvis 1 Hz), stammen hålls konstant och temperaturen höjs vid en konstant uppvärmningshastighet (vanligtvis mellan 1 & 5 kcal C/min). Som tidigare nämnts finns olika lägen tillgängliga för att hålla ett prov, vilket gör att ett komplett utbud av materialtyper kan mätas. Utgången från en DMA-enhet är i form av viktiga mekaniska egenskaper (lagringsmodul E’, förlustmodul E” och ett mått på ”dämpning” eller förlusttangent) kontra temperatur eller tid. På vissa DMA-maskiner kan värmeutvidgningskoefficienten (CTE) mätas, eftersom expansionen eller sammandragningen av ett prov mäts.
även om DMA är en mycket mångsidig teknik har den sina nackdelar. Till exempel kan DMA mäta lagringsmodulen (E’) hos ett polymermaterial, men för att uppnå ett exakt värde är det mycket utmanande, särskilt om operatören utför en termisk skanning av materialet. För att möjliggöra de signifikanta förändringar som uppstår i mekaniska egenskaper (när ett polymermaterial upphettas) är provstorleken som används för ett sådant test en kompromiss för att hålla den inom mätområdet för utrustningen. För att erhålla exakta lagringsmoduldata (E’) för ett polymermaterial utförs testet bäst isotermiskt och betydande försiktighet måste vidtas för att säkerställa att den lämpligaste provstorleken och klämgeometri används.
även om det ibland kan vara utmanande att få exakta mekaniska data med hjälp av en DMA, har huvudsyftet med tekniken alltid varit att jämföra en serie tester med samma provstorlek och testförhållanden. Aspekter av ett materials formulering eller bearbetningsförhållanden kan sedan varieras och påverkan på ett materials fysiska prestanda studeras. Detta är helt acceptabelt OK om du använder samma instrument används från samma tillverkare, men jämförelse mellan olika maskiner visar inte en särskilt bra anpassning av resultaten. Detta är inte förvånande eftersom kamrarna, som håller proverna från olika tillverkare, har väsentligt olika design och storlekar. Detta leder till varierande termiska profiler i kamrarna och detta kan leda till subtila men viktiga variationer i resultaten. Det är uppenbart att detta måste beaktas när man utför DMA-experiment och åtgärder har vidtagits under de senaste åren för att försöka standardisera några av testförfarandena för att ta itu med denna typ av problem.
förutom de mer vanliga användningarna av DMA för att mäta polymera prover har de använts för att direkt mäta de fysiska förändringarna av material i vissa ovanliga miljöer. Till exempel tillåter flexibiliteten hos vissa DMA-maskiner den mekaniska mätdelen av enheten att nedsänkas i vätskor, vilket möjliggör några intressanta applikationer, dessa inkluderar:
- mätningen av prover av människohår nedsänkt i schampo för att övervaka lagringsmodulen. Detta är särskilt viktigt när nya kemikalier används, vilket potentiellt kan ha en negativ effekt på egenskaperna
- mätning av livsmedelsprodukter, såsom direkt mätning av smältning av choklad eller stekning av Potatischips vid olika temperaturer och i olika miljöer (t.ex. matolja). Att optimera livsmedelsprodukter för att möta kundernas förväntningar är en pågående utmaning och DMA: s unika förmåga att tillhandahålla användbara Mekaniska data i utmanande miljöer är särskilt användbar.
Coventive Composites har betydande erfarenhet av användningen av DMA-tekniken, som vi använder i både utveckling av våra egna material, samt att tillhandahålla en tjänst till externa kunder. Alla driftsätt är tillgängliga, liksom några av de mer ovanliga uppställningarna av utrustningen. Kontakta oss gärna för att diskutera dina testkrav eller besök vår hemsida för mer information.
dela den här artikeln
Twitter Facebook LinkedIn e-post
hittade du den här artikeln användbar? Vi har ett komplett utbud av tjänster för att hjälpa dig…
materialkarakterisering & testning
vi har en omfattande serie testanläggningar för karakterisering av polymerer och kompositer, i kombination med nödvändig expertis för att tolka och ge råd om testresultat.
testa kompositer…
se hela vårt utbud av tjänster
om författaren
Gary Foster
Gary är Senior projektledare på Coventive Composites.
alla inlägg