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Speichermodul und Verlustmodul: Was sind die beiden Kerngeheimnisse der dynamisch-mechanischen Analyse?
Die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) ist eine Technik zum Studium und zur Charakterisierung von Materialien, insbesondere des viskoelastischen Verhaltens von Polymeren. Bei dieser Analysemethode wird eine sinusförmige Spannung angelegt und die Dehnung im Material gemessen. Auf diese Weise kann der komplexe Modul des Materials bestimmt werden. Durch Variation der Temperatur oder der Frequenz der Belastung einer Probe können Änderungen des komplexen Moduls beobachtet werden. So können Forscher die Glasübergangstemperatur des Materials ermitteln und andere Übergänge identifizieren, die den Molekülbewegungen entsprechen.
Eigenschaften viskoelastischer Materialien
Polymere, die aus langen Molekülketten bestehen, besitzen einzigartige viskoelastische Eigenschaften, die Merkmale elastischer Feststoffe und newtonscher Flüssigkeiten kombinieren. Die herkömmliche Elastizitätstheorie beschreibt die mechanischen Eigenschaften elastischer Festkörper, bei denen Spannung und Dehnung bei kleinen Deformationen proportional sind und diese Reaktion auf Spannung unabhängig von der Dehnungsrate ist. Die rheologische Flüssigkeitstheorie beschreibt die Eigenschaften viskoser Flüssigkeiten, wobei die Reaktion auf Spannung von der Dehnungsrate abhängt. Da Polymere sowohl feste als auch flüssige Eigenschaften aufweisen, können diese Verhaltensweisen mechanisch durch eine Kombination aus Federn und Dämpfern modelliert werden, wodurch viskoelastische Materialien wie Asphalt sowohl elastisches als auch viskoses Verhalten aufweisen können.
Dynamischer Modul von Polymeren
DMA untersucht die viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren, indem eine sinusförmige Kraft (Spannung σ) auf das Material ausgeübt und die daraus resultierende Verschiebung (Dehnung) gemessen wird. Bei einem vollkommen elastischen Festkörper sind die resultierende Dehnung und Spannung genau in Phase; bei einer rein viskosen Flüssigkeit ist die Dehnung im Verhältnis zur Spannung um 90 Grad verzögert. Die viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren liegen dazwischen, so dass im DMA-Test eine gewisse Phasenverzögerung auftritt.
Der Speichermodul ist ein Maß für die gespeicherte Energie und stellt den elastischen Anteil dar, während der Verlustmodul ein Maß für die in Wärme umgewandelte Energie ist und den viskosen Anteil darstellt.
Ableitung des dynamischen Moduls
Bei Dehnungsmessungen wird die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung wie folgt beschrieben: Spannung σ(t) und Dehnung ε(t), die sich mit der Zeit ändert. Die Situation kann wie folgt ausgedrückt werden:
Diese mathematischen Ausdrücke führen zeitliche Zufälligkeit und Phasenunterschiede der Dehnung in die Änderungen des komplexen Moduls, des Speichermoduls und des Verlustmoduls ein. Letztlich hilft dieser Ausdruck Wissenschaftlern, die Leistung von Materialien unter verschiedenen Belastungen und Temperaturen zu verstehen und bietet Datenunterstützung für viele industrielle Anwendungen.
Anwendungen
Messung der Glasübergangstemperatur
Eine wichtige Anwendung von DMA ist die Messung der Glasübergangstemperatur von Polymeren. Amorphe Polymere haben unterschiedliche Glasübergangstemperaturen, oberhalb derer das Material eher gummiartige als glasartige Eigenschaften aufweist und die Steifigkeit und Viskosität deutlich abnimmt. Am Glasübergangspunkt nimmt der Speichermodul deutlich ab, während der Verlustmodul sein Maximum erreicht. DMA mit Temperatur-Sweeps wird häufig verwendet, um die Glasübergangstemperatur eines Materials zu charakterisieren.
Polymerzusammensetzung
Durch die Veränderung des Monomers und der Vernetzungskomponenten kann die Funktionalität des Polymers erhöht oder verändert werden, was sich somit auf die mit DMA erzielten Ergebnisse auswirkt. Wenn man beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) mit Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) mischt, weisen unterschiedliche Vernetzungs- oder Härtungssysteme unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. DMA ist eine effektive Methode zur Bewertung der Mischeigenschaften von Polymeren und trägt so zur Optimierung der Materialleistung bei.
Instrumente und ihre Typen
DMA-Instrumente bestehen aus Wegsensoren, Temperaturkontrollsystemen, Antriebsmotoren und Probenvorrichtungen. Die Probenvorbereitung und Handhabung variieren je nach Messobjekt. Es gibt zwei Haupttypen von DMA-Analysatoren: erzwungene Resonanzanalysatoren und freie Resonanzanalysatoren. Häufiger werden erzwungene Resonanzanalysatoren verwendet. Diese Geräte zwingen die Probe zu Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz und eignen sich für die Durchführung von Temperaturmessungen.
Diese Techniken haben ein breites Anwendungsspektrum in Industrie und Forschung. Haben Sie beim Erforschen von Materialeigenschaften und -leistung schon einmal darüber nachgedacht, welche anderen potenziellen Bereiche von der Anwendung dieser dynamisch-mechanischen Analysetechniken profitieren könnten?
