Karakterizacija materijala DINAMIČKA MEHANIČKA ANALIZA (DMA) Dr.sc.Emi Govorčin Bajsić,izv.prof. Zavod za polimerno inženjerstvo i organsku kemijsku tehnologiju
Da li je DMA toplinska analiza ili reologija? Definicija Toplinska analiza mjera odgovarajućih karakteristika materijala u funkciji temperature ili vremena Reologija znanost o tečenju i deformaciji tvari. DMA je naziv instrumenta kod kojeg se uzorak mehanički deformira i mjeri se odziv ( odgovor ) materijala. Sinusoidalna deformacija. Deformacija može biti u funkciji temperature ili vremena.
Velika primjena polimernih materijala Mehanička svojstva Niska cijena koštanja Kod primjene, mehanička svojstva ponekad važnija od fizikalnih i kemijskih svojstava polimera U radu s polimerima značajno je: Osnovna saznanja o njihovim mehaničkim svojstvima Mogućnost modifikacije mehaničkih svojstava
Polimeri s obzirom na čvrstoću mogu biti: Jako tvrde (hard) i kruti(rigid) krutine Tvrde ili meke gume Viskoelastične kapljevine (tekućine) Kod polimera na čvrstoću utječe: Kemijski sastav polimera: gdje nastaju promjene mehačkih svojstava Fizikalno molekulna struktura polimera: Kako nastaju promjene u mehaničkim svojstvima
Amorfni polimer
Deformacije krutina i Moduli Uslijed djelovanja naprezanja materijali mjenjaju oblik, volumen ili oboje. Moduli pokazuju postojanost deformacije materijala pri djelovanju odgovarajuće sile Modul= Naprezanje/Deformacija Young-ov modul (Modul elastičnosti) E Modul smičnosti (Modul krutosti) G Modul stlačivosti B
Osnovni parametri i jedinice Naprezanje= Sila/Površina [Pa] σ=rastezno naprezanje ; τ= smično naprezanje Deformacija= Geometrijska promjena oblika (nema jedinicu) ε=rastezna deformacija ; γ =smična deformacija Rastezna ili smična brzina= d(deformacija)/dt [1/s] ε=brzina rastezne deformacije ; γ =brzina smične deformacije Modul=naprezanje/Deformacija [Pa] E=Young-ov modul G= Modul smičnosti Kompliansa(popustljivost) J = Deformacija/Naprezanje [1/Pa] Viskoznost η = Naprezanje/rastezna brzina [Pa.s]
Hook-ov zakon σ=eε Elastični odgovor
Newton-ov zakon σ= ηγ Viskozno ponašanje η
Dinamička mehanička analiza- princip Sinusoidalna deformacija. Mjeri se ponašanje materijala δ između deformacije i odgovora δ
Elastični odgovor σ = σ 0 sin ωt σ ε σ 0 - amplituda naprezanja ω- kutna frekvencija ω=2πf ε = ε 0 sin ωt deformacija i naprezanje su u fazi
Viskozni odgovor σ ε deformacija zaostaje za naprezanjem za kut π/2
Polimeri Viskoelastični materijali Elastična Viskozna komponenta σ ε deformacija zaostaje za naprezanjem za kut δ ( 0< δ <π/2) prestrukturiranje i relaksacijskih procesa u materijalu
( sin ω δ ) σ = σ t + ε = ε 0 = E 0 0 σ ε 0 sin ωt Hook-ov zakon ( ωt + δ ) = σ cosδ sin ωt + σ sin δ cos t σ = σ sin 0 0 0 Uvrštavanjem Hook-ovog izraza dobije se: σ = ε E sin ωt + ε E 0 0 cosωt σ E = 0 cos ωt E = 0 sin t ε E' modul pohrane 0 tgδ = E E σ ε 0 ω E" modul gubitka ω
Primjena DMA Određivanje mehaničkih svojstava tj. modula kod viskoelastičnih materijala u ovisnosti o vremenu (frekvenciji) i temperaturi Pokretljivost molekula. Razvoj odnosa svojstva-struktura ili morfologije. Karakterizacija Staklište Sekundarni prijelazi Kristalnost Molekulna masa/umreženje Odjeljenost faza (polimerne mješavine,kopolimeri itd.) Kompoziti Starenje (fizikalno i kemijsko) Utjecaj aditiva Orijentacije
Prijelazi/Relaksacije
Utjecaj omekšavala Omekšavala su niskomolekulni organski aditivi koji se dodaju u polimere u cilju omekšavanja krutih polimera. U polimere se dodaju iz dva razloga: 1. Sniženjem staklišta kruti polimeri postaju mekši i elastičniji. 2. Poboljšavaju preradljivost polimera. Prema tome omekšavala imaju utjecaj: Snižavanje staklišta i Proširenje tanδ pika
Utjecaj punila na Modul E Povećanjem udjela punila raste E
Utjecaj % kristalnosti na Modul E
Utjecaj kristalnosti na Tg
Utjecaj molekulne mase (MM)
Utjecaj temperature
700 600 500 β TPU/PP 100/0 TPU/PP 80/20 TPU/PP 60/40 TPU/PP 50/50 TPU/PP 40/60 TPU/PP 20/80 TPU/PP 0/100 E" ( MPa ) 400 300 200 γ β α 100 0-100 -120-80 -40 0 40 80 120 160 200 T ( C )
6 5 4 TPU/PP 100/0 TPU/PP 80/20 TPU/PP 60/40 TPU/PP 50/50 TPU/PP 40/60 TPU/PP 20/80 TPU/PP 0/100 E' ( GPa ) 3 2 1 0-120 -80-40 0 40 80 120 T ( C )
Utjecaj frekvencije na Tg