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Módulo de armazenamento e módulo de perda: quais são os dois segredos principais da análise mecânica dinâmica?
Análise Mecânica Dinâmica (DMA) é uma técnica para estudar e caracterizar materiais, especialmente o comportamento viscoelástico dos polímeros. Este método de análise envolve a aplicação de uma tensão sinusoidal e a medição da deformação no material, dessa forma, o módulo complexo do material pode ser determinado. Ao variar a temperatura ou a frequência do estresse em uma amostra, mudanças no módulo complexo podem ser observadas, permitindo que os pesquisadores encontrem a temperatura de transição vítrea do material e identifiquem outras transições correspondentes aos movimentos moleculares.
Propriedades dos materiais viscoelásticos
Os polímeros, que consistem em longas cadeias moleculares, possuem propriedades viscoelásticas únicas que combinam características de sólidos elásticos e fluidos newtonianos. A teoria elástica convencional descreve as propriedades mecânicas de sólidos elásticos em que a tensão e a deformação são proporcionais em pequenas deformações e essa resposta à tensão é independente da taxa de deformação. A teoria reológica dos fluidos descreve as propriedades dos fluidos viscosos, onde a resposta ao estresse depende da taxa de deformação. Como os polímeros possuem propriedades de comportamento sólido e líquido, esses comportamentos podem ser modelados mecanicamente por meio de uma combinação de molas e amortecedores, o que permite que materiais viscoelásticos como o asfalto exibam comportamento elástico e viscoso.
Módulo dinâmico de polímeros
O DMA estuda as propriedades viscoelásticas dos polímeros aplicando uma força sinusoidal (tensão σ) ao material e medindo o deslocamento resultante (deformação). Para um sólido perfeitamente elástico, a deformação e a tensão resultantes estão exatamente em fase; para um fluido puramente viscoso, a deformação é atrasada em 90 graus em relação à tensão. As propriedades viscoelásticas dos polímeros apresentam propriedades intermediárias, portanto, um certo atraso de fase aparecerá no teste de DMA.
O módulo de armazenamento é uma medida da energia armazenada e representa a porção elástica, enquanto o módulo de perda é uma medida da energia convertida em calor e representa a porção viscosa.
Derivação do módulo dinâmico
Ao realizar medições de deformação, a relação entre tensão e deformação é descrita como: tensão σ(t) e deformação ε(t), que varia com o tempo. a situação pode ser expressa da seguinte forma:
Essas expressões matemáticas introduzem aleatoriedade temporal e diferença de fase de deformação nas mudanças de módulo complexo, módulo de armazenamento e módulo de perda. Em última análise, essa expressão ajuda os cientistas a entender o desempenho dos materiais sob diferentes tensões e temperaturas, fornecendo suporte de dados para muitas aplicações industriais.
Aplicações
Medição da temperatura de transição vítrea
Uma aplicação importante do DMA é a medição da temperatura de transição vítrea de polímeros. Polímeros amorfos têm diferentes temperaturas de transição vítrea, acima das quais o material exibe propriedades de borracha em vez de comportamento vítreo e tem uma diminuição significativa na rigidez e viscosidade. No ponto de transição vítrea, o módulo de armazenamento diminui significativamente, enquanto o módulo de perda atinge seu máximo. O DMA com varreduras de temperatura é frequentemente usado para caracterizar a temperatura de transição vítrea de um material.
Composição do polímero
Alterar o monômero e os componentes de reticulação pode aumentar ou alterar a funcionalidade do polímero, afetando assim os resultados obtidos com DMA. Por exemplo, ao misturar monômero de etileno propileno dieno (EPDM) com borracha de estireno butadieno (SBR), diferentes sistemas de reticulação ou cura apresentarão diferentes propriedades físicas. O DMA é um método eficaz para avaliar as propriedades de mistura de polímeros, ajudando assim a otimizar o desempenho do material.
Instrumentos e seus tipos
Os instrumentos DMA consistem em sensores de deslocamento, sistemas de controle de temperatura, motores de acionamento e dispositivos de fixação de amostra. A preparação e o manuseio da amostra variam dependendo do que está sendo medido. Existem dois tipos principais de analisadores DMA: analisadores de ressonância forçada e analisadores de ressonância livre. Analisadores de ressonância forçada são mais comumente usados. Esses instrumentos forçam a amostra a oscilar em uma frequência específica e são adequados para realizar varreduras de temperatura.
Essas técnicas têm uma ampla gama de aplicações na indústria e na pesquisa. No processo de compreensão das propriedades e desempenho do material, você já pensou sobre quais outras áreas potenciais podem se beneficiar da aplicação dessas técnicas de análise mecânica dinâmica?
