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Module de stockage et module de perte : quels sont les deux secrets fondamentaux de l'analyse mécanique dynamique ?
L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une technique d'étude et de caractérisation des matériaux, en particulier du comportement viscoélastique des polymères. Cette méthode d'analyse consiste à appliquer une contrainte sinusoïdale et à mesurer la déformation dans le matériau, de cette manière, le module complexe du matériau peut être déterminé. En faisant varier la température ou la fréquence de contrainte sur un échantillon, des changements dans le module complexe peuvent être observés, permettant aux chercheurs de trouver la température de transition vitreuse du matériau et d'identifier d'autres transitions correspondant aux mouvements moléculaires.
Propriétés des matériaux viscoélastiques
Les polymères, constitués de longues chaînes moléculaires, possèdent des propriétés viscoélastiques uniques qui combinent les caractéristiques des solides élastiques et des fluides newtoniens. La théorie élastique conventionnelle décrit les propriétés mécaniques des solides élastiques dans lesquels la contrainte et la déformation sont proportionnelles aux petites déformations et cette réponse à la contrainte est indépendante du taux de déformation. La théorie rhéologique des fluides décrit les propriétés des fluides visqueux, où la réponse au stress dépend de la vitesse de déformation. Étant donné que les polymères possèdent des propriétés de comportement à la fois solide et liquide, ces comportements peuvent être modélisés mécaniquement grâce à une combinaison de ressorts et d'amortisseurs, ce qui permet aux matériaux viscoélastiques comme l'asphalte de présenter un comportement à la fois élastique et visqueux.
Module dynamique des polymères
La DMA étudie les propriétés viscoélastiques des polymères en appliquant une force sinusoïdale (contrainte σ) au matériau et en mesurant le déplacement résultant (déformation). Pour un solide parfaitement élastique, la déformation et la contrainte résultantes sont exactement en phase ; pour un fluide purement visqueux, la déformation est retardée de 90 degrés par rapport à la contrainte. Les propriétés viscoélastiques des polymères présentent des propriétés intermédiaires entre les deux, de sorte qu'un certain retard de phase apparaîtra dans le test DMA.
Le module de stockage est une mesure de l'énergie stockée et représente la partie élastique, tandis que le module de perte est une mesure de l'énergie convertie en chaleur et représente la partie visqueuse.
Dérivation du module dynamique
Lors de la réalisation de mesures de déformation, la relation entre contrainte et déformation est décrite comme suit : contrainte σ(t) et déformation ε(t), qui varie en fonction du temps. la situation peut être exprimée comme suit :
Ces expressions mathématiques introduisent le caractère aléatoire temporel et la différence de phase de la contrainte dans les changements du module complexe, du module de stockage et du module de perte. En fin de compte, cette expression aide les scientifiques à comprendre les performances des matériaux sous différentes contraintes et températures, fournissant ainsi des données à l’appui de nombreuses applications industrielles.
Applications
Mesure de la température de transition vitreuse
Une application importante du DMA est la mesure de la température de transition vitreuse des polymères. Les polymères amorphes ont des températures de transition vitreuse différentes, au-dessus desquelles le matériau présente des propriétés caoutchouteuses plutôt qu'un comportement vitreux et présente une diminution significative de la rigidité et de la viscosité. Au point de transition vitreuse, le module de stockage diminue considérablement, tandis que le module de perte atteint son maximum. La DMA avec balayages de température est souvent utilisée pour caractériser la température de transition vitreuse d'un matériau.
Composition polymère
La modification des composants monomères et réticulés peut augmenter ou modifier la fonctionnalité du polymère, affectant ainsi les résultats obtenus avec le DMA. Par exemple, lors du mélange d’éthylène propylène diène monomère (EPDM) avec du caoutchouc styrène butadiène (SBR), différents systèmes de réticulation ou de durcissement présenteront des propriétés physiques différentes. La DMA est une méthode efficace pour évaluer les propriétés de mélange des polymères, contribuant ainsi à optimiser les performances du matériau.
Instruments et leurs types
Les instruments DMA se composent de capteurs de déplacement, de systèmes de contrôle de température, de moteurs d'entraînement et de montages d'échantillons. La préparation et la manipulation des échantillons varient en fonction de ce qui est mesuré. Il existe deux principaux types d'analyseurs DMA : les analyseurs à résonance forcée et les analyseurs à résonance libre. Les analyseurs à résonance forcée sont plus couramment utilisés. Ces instruments forcent l'échantillon à osciller à une fréquence spécifique et sont adaptés à la réalisation de balayages de température.
Ces techniques ont un large éventail d'applications dans l'industrie et la recherche. Dans le cadre de votre démarche de compréhension des propriétés et des performances des matériaux, avez-vous déjà réfléchi aux autres domaines potentiels qui pourraient bénéficier de l'application de ces techniques d'analyse mécanique dynamique ?
