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Módulo de almacenamiento y módulo de pérdida: ¿Cuáles son los dos secretos fundamentales del análisis mecánico dinámico?
El análisis mecánico dinámico (DMA) es una técnica para estudiar y caracterizar materiales, especialmente el comportamiento viscoelástico de los polímeros. Este método de análisis implica aplicar una tensión sinusoidal y medir la deformación en el material, de esta manera, se puede determinar el módulo complejo del material. Variando la temperatura o la frecuencia de la tensión en una muestra, se pueden observar cambios en el módulo complejo, lo que permite a los investigadores encontrar la temperatura de transición vítrea del material e identificar otras transiciones correspondientes a movimientos moleculares.
Propiedades de los materiales viscoelásticos
Los polímeros, que consisten en largas cadenas moleculares, poseen propiedades viscoelásticas únicas que combinan características de los sólidos elásticos y los fluidos newtonianos. La teoría elástica convencional describe las propiedades mecánicas de los sólidos elásticos en los que la tensión y la deformación son proporcionales a pequeñas deformaciones y esta respuesta a la tensión es independiente de la tasa de deformación. La teoría reológica de los fluidos describe las propiedades de los fluidos viscosos, donde la respuesta al estrés depende de la velocidad de deformación. Dado que los polímeros poseen propiedades de comportamiento tanto sólido como líquido, estos comportamientos pueden modelarse mecánicamente a través de una combinación de resortes y amortiguadores, lo que permite que los materiales viscoelásticos como el asfalto exhiban un comportamiento tanto elástico como viscoso.
Módulo dinámico de polímerosDMA estudia las propiedades viscoelásticas de los polímeros aplicando una fuerza sinusoidal (tensión σ) al material y midiendo el desplazamiento resultante (deformación). En el caso de un sólido perfectamente elástico, la deformación y la tensión resultantes están exactamente en fase; en el caso de un fluido puramente viscoso, la deformación se retrasa 90 grados con respecto a la tensión. Las propiedades viscoelásticas de los polímeros muestran propiedades intermedias, por lo que aparecerá un cierto retraso de fase en la prueba DMA.
El módulo de almacenamiento es una medida de la energía almacenada y representa la parte elástica, mientras que el módulo de pérdida es una medida de la energía convertida en calor y representa la parte viscosa.
Derivación del módulo dinámico
Al realizar mediciones de deformación, la relación entre la tensión y la deformación se describe como: tensión σ(t) y deformación ε(t), que varía con el tiempo. La situación se puede expresar de la siguiente manera:
Estas expresiones matemáticas introducen aleatoriedad temporal y diferencia de fase de la deformación en los cambios del módulo complejo, módulo de almacenamiento y módulo de pérdida. En última instancia, esta expresión ayuda a los científicos a comprender el rendimiento de los materiales bajo diferentes tensiones y temperaturas, proporcionando soporte de datos para muchas aplicaciones industriales.
Aplicaciones
Medición de la temperatura de transición vítrea
Una aplicación importante del DMA es la medición de la temperatura de transición vítrea de los polímeros. Los polímeros amorfos tienen diferentes temperaturas de transición vítrea, por encima de las cuales el material exhibe propiedades gomosas en lugar de un comportamiento vítreo y tiene una disminución significativa de la rigidez y la viscosidad. En el punto de transición vítrea, el módulo de almacenamiento disminuye significativamente, mientras que el módulo de pérdida alcanza su máximo. El DMA con barridos de temperatura se utiliza a menudo para caracterizar la temperatura de transición vítrea de un material.
Composición del polímero
La alteración del monómero y de los componentes de reticulación puede aumentar o cambiar la funcionalidad del polímero, afectando así los resultados obtenidos con DMA. Por ejemplo, al mezclar monómero de etileno propileno dieno (EPDM) con caucho de estireno butadieno (SBR), diferentes sistemas de reticulación o curado mostrarán diferentes propiedades físicas. El DMA es un método eficaz para evaluar las propiedades de mezcla de polímeros, ayudando así a optimizar el rendimiento del material.
Instrumentos y sus tipos
Los instrumentos DMA constan de sensores de desplazamiento, sistemas de control de temperatura, motores de accionamiento y accesorios de muestra. La preparación y el manejo de la muestra variarán dependiendo de lo que se esté midiendo. Hay dos tipos principales de analizadores DMA: analizadores de resonancia forzada y analizadores de resonancia libre. Los analizadores de resonancia forzada son los más utilizados. Estos instrumentos obligan a la muestra a oscilar a una frecuencia específica y son adecuados para realizar barridos de temperatura.Estas técnicas tienen una amplia gama de aplicaciones en la industria y la investigación. En el proceso de comprender las propiedades y el rendimiento de los materiales, ¿alguna vez ha pensado en qué otras áreas potenciales pueden beneficiarse de la aplicación de estas técnicas de análisis mecánico dinámico?
