Language
Country/Area
No result found
وحدة التخزين ووحدة الخسارة: ما هما السران الأساسيان للتحليل الميكانيكي الديناميكي؟
التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) هو أسلوب لدراسة وتوصيف المواد، وخاصة السلوك اللزج المرن للبوليمرات. تتضمن هذه الطريقة التحليلية تطبيق موجة إجهاد جيبية وقياس انفعال المادة. وبهذه الطريقة، يمكن تحديد المعامل المركب للمادة. ومن خلال تغيير درجة حرارة العينة أو تواتر الإجهاد، يمكن ملاحظة التغيرات في المعامل المركب، مما يسمح للباحثين بالعثور على درجة حرارة التزجج للمادة وتحديد التحولات التي تتوافق مع الحركات الجزيئية الأخرى.
خصائص المواد اللزجة المرنة
تمتلك البوليمرات المكونة من سلاسل جزيئية طويلة خصائص لزجة مرنة فريدة تجمع بين خصائص المواد الصلبة المرنة والسوائل النيوتونية. تصف نظرية المرونة التقليدية الخواص الميكانيكية للمواد الصلبة المرنة، حيث يتناسب الإجهاد والانفعال عند التشوهات الصغيرة، وتكون هذه الاستجابة للإجهاد مستقلة عن معدل الانفعال. تصف النظرية الريولوجية للسوائل خصائص السوائل اللزجة، حيث تعتمد استجابة الإجهاد على معدل الإجهاد. نظرًا لأن البوليمرات تمتلك خصائص السلوك الصلب والسائل، فيمكن نمذجة هذه السلوكيات ميكانيكيًا من خلال مزيج من النوابض والمخمدات، مما يسمح للمواد اللزجة المرنة مثل الأسفلت بإظهار السلوك المرن واللزج.
المعامل الديناميكي للبوليمر
يدرس التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) الخواص اللزوجة المرنة للبوليمرات من خلال تطبيق قوة جيبية (الإجهاد σ) على المادة وقياس الإزاحة (الانفعال) الناتجة. بالنسبة للمادة الصلبة المرنة تمامًا، يكون الانفعال والإجهاد الناتجان متطابقين تمامًا في الطور، بينما بالنسبة للمائع اللزج تمامًا، يكون للانفعال تأخير طور قدره 90 درجة بالنسبة إلى الإجهاد؛ تُظهر اللزوجة المرنة للبوليمر خصائص بينهما، لذلك يحدث تأخير طور معين في اختبار DMA.
يقيس معامل التخزين الطاقة المخزنة ويمثل الجزء المرن بينما يقيس معامل الفقد الطاقة المحولة إلى حرارة ويمثل الجزء اللزج.
اشتقاق المعامل الديناميكي
عند إجراء اختبار الانفعال، يتم وصف العلاقة بين الإجهاد والانفعال على النحو التالي: الإجهاد σ(t) والإجهاد ε(t)، كدالة للوقت ويمكن التعبير عن الوضع على النحو التالي:
تقدم هذه التعبيرات الرياضية تغييرات في المعامل المركب ومعامل التخزين ومعامل الفقد في العشوائية الزمنية وفرق الطور للإجهاد. في النهاية، يساعد هذا التعبير العلماء على فهم كيفية تصرف المواد تحت ضغوط ودرجات حرارة مختلفة، ويمكن أن يوفر دعمًا للبيانات للعديد من التطبيقات الصناعية.
التطبيق
قياس درجة حرارة التزجج
أحد التطبيقات المهمة لـ DMA هو قياس درجة حرارة التزجج للبوليمرات. تتميز البوليمرات غير المتبلورة بدرجات حرارة تزجج مختلفة، حيث تظهر المادة فوقها سلوكًا مطاطيًا وليس زجاجيًا وتقل صلابتها بشكل كبير وتنخفض اللزوجة. عند نقطة التزجج، ينخفض معامل التخزين بشكل ملحوظ، في حين يكون معامل الخسارة في أعلى مستوياته. غالبًا ما يتم استخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) عبر مسح درجة الحرارة لتوصيف درجة حرارة تزجج المواد.
تركيب البوليمر
يمكن أن يؤدي تغيير مكونات المونومر والربط المتقاطع إلى زيادة وظيفة البوليمر أو تغييرها، وبالتالي التأثير على النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA). على سبيل المثال، عندما يتم خلط مونومر إيثيلين بروبيلين ديين (EPDM) مع مطاط ستايرين بوتادين (SBR)، فإن أنظمة الربط أو المعالجة المختلفة ستظهر خصائص فيزيائية مختلفة. يقوم DMA بتقييم خصائص مزيج البوليمر بشكل فعال للمساعدة في تحسين أداء المواد.
الأدوات وأنواعها
تتكون أداة DMA من مستشعر الإزاحة ونظام التحكم في درجة الحرارة ومحرك القيادة وجهاز تثبيت العينة. اعتمادًا على ما يتم قياسه، سيختلف إعداد العينة ومعالجتها. يوجد حاليًا نوعان رئيسيان من محللات DMA: محللات الرنين القسري ومحللات الرنين الحر. يتم استخدام محللات الرنين القسري بشكل أكثر شيوعًا، حيث تجبر هذه الأدوات العينة على التذبذب عند تردد معين وتكون مناسبة لإجراء عمليات مسح درجة الحرارة.
تُستخدم هذه التقنيات على نطاق واسع في الصناعة والبحث، في عملية فهم خصائص المواد وأدائها، هل فكر القراء في المجالات المحتملة الأخرى التي يمكن أن تستفيد من تطبيق تقنيات التحليل الميكانيكي الديناميكي هذه؟
