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Modulo di immagazzinamento e modulo di perdita: quali sono i due segreti fondamentali dell'analisi meccanica dinamica?
L'analisi meccanica dinamica (DMA) è una tecnica per studiare e caratterizzare i materiali, in particolare il comportamento viscoelastico dei polimeri. Questo metodo di analisi prevede l'applicazione di una sollecitazione sinusoidale e la misurazione della deformazione nel materiale; in questo modo è possibile determinare il modulo complesso del materiale. Variando la temperatura o la frequenza dello stress su un campione, è possibile osservare cambiamenti nel modulo complesso, consentendo ai ricercatori di trovare la temperatura di transizione vetrosa del materiale e di identificare altre transizioni corrispondenti ai movimenti molecolari.
Proprietà dei materiali viscoelastici
I polimeri, costituiti da lunghe catene molecolari, possiedono proprietà viscoelastiche uniche che combinano le caratteristiche dei solidi elastici e dei fluidi newtoniani. La teoria elastica convenzionale descrive le proprietà meccaniche dei solidi elastici in cui sforzo e deformazione sono proporzionali a piccole deformazioni e questa risposta allo sforzo è indipendente dalla velocità di deformazione. La teoria reologica dei fluidi descrive le proprietà dei fluidi viscosi, in cui la risposta allo stress dipende dalla velocità di deformazione. Poiché i polimeri possiedono proprietà sia di comportamento solido che liquido, tali comportamenti possono essere modellati meccanicamente attraverso una combinazione di molle e smorzatori, che consente ai materiali viscoelastici come l'asfalto di mostrare sia un comportamento elastico che viscoso.
Modulo dinamico dei polimeri
Il DMA studia le proprietà viscoelastiche dei polimeri applicando una forza sinusoidale (sollecitazione σ) al materiale e misurando lo spostamento risultante (deformazione). Per un solido perfettamente elastico, la deformazione e lo sforzo risultanti sono esattamente in fase; per un fluido puramente viscoso, la deformazione è ritardata di 90 gradi rispetto allo sforzo. Le proprietà viscoelastiche dei polimeri presentano proprietà intermedie tra le due, pertanto nel test DMA si verificherà un certo ritardo di fase.
Il modulo di immagazzinamento è una misura dell'energia immagazzinata e rappresenta la parte elastica, mentre il modulo di perdita è una misura dell'energia convertita in calore e rappresenta la parte viscosa.
Derivazione del modulo dinamico
Quando si eseguono misurazioni di deformazione, la relazione tra stress e deformazione è descritta come: stress σ(t) e deformazione ε(t), che varia nel tempo. la situazione può essere espressa come segue:
Queste espressioni matematiche introducono casualità temporale e differenza di fase della deformazione nelle variazioni del modulo complesso, del modulo di immagazzinamento e del modulo di perdita. In definitiva, questa espressione aiuta gli scienziati a comprendere le prestazioni dei materiali sottoposti a diverse sollecitazioni e temperature, fornendo dati di supporto per numerose applicazioni industriali.
Applicazioni
Misurazione della temperatura di transizione vetrosa
Un'importante applicazione del DMA è la misurazione della temperatura di transizione vetrosa dei polimeri. I polimeri amorfi hanno diverse temperature di transizione vetrosa, al di sopra delle quali il materiale mostra proprietà gommose anziché un comportamento vetroso e presenta una significativa diminuzione di rigidità e viscosità. Nel punto di transizione vetrosa, il modulo di immagazzinamento diminuisce significativamente, mentre il modulo di perdita raggiunge il suo massimo. La DMA con sweep di temperatura viene spesso utilizzata per caratterizzare la temperatura di transizione vetrosa di un materiale.
Composizione del polimero
La modifica dei componenti del monomero e della reticolazione può aumentare o modificare la funzionalità del polimero, influenzando così i risultati ottenuti con DMA. Ad esempio, quando si mescola il monomero di etilene propilene diene (EPDM) con la gomma stirene butadiene (SBR), diversi sistemi di reticolazione o polimerizzazione mostreranno proprietà fisiche diverse. Il DMA è un metodo efficace per valutare le proprietà di miscelazione dei polimeri, contribuendo così a ottimizzare le prestazioni del materiale.
Strumenti e loro tipologie
Gli strumenti DMA sono costituiti da sensori di spostamento, sistemi di controllo della temperatura, motori di azionamento e dispositivi di fissaggio dei campioni. La preparazione e la manipolazione del campione variano a seconda dell'oggetto della misurazione. Esistono due tipi principali di analizzatori DMA: analizzatori a risonanza forzata e analizzatori a risonanza libera. Gli analizzatori a risonanza forzata sono quelli più comunemente utilizzati. Questi strumenti forzano il campione a oscillare a una frequenza specifica e sono adatti per eseguire sweep di temperatura.
Queste tecniche hanno un'ampia gamma di applicazioni nell'industria e nella ricerca. Nel processo di comprensione delle proprietà e delle prestazioni dei materiali, hai mai pensato a quali altre potenziali aree possono trarre vantaggio dall'applicazione di queste tecniche di analisi meccanica dinamica?
