Language
Country/Area
No result found
Mô đun lưu trữ và mô đun mất mát: Hai bí mật cốt lõi của phân tích cơ học động là gì?
Phân tích cơ học động (DMA) là một kỹ thuật nghiên cứu và mô tả đặc điểm vật liệu, đặc biệt là hành vi nhớt đàn hồi của polyme. Phương pháp phân tích này bao gồm việc áp dụng ứng suất hình sin và đo độ biến dạng trong vật liệu, theo cách này, có thể xác định được mô đun phức tạp của vật liệu. Bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc tần suất ứng suất trên mẫu, có thể quan sát được những thay đổi trong mô đun phức hợp, cho phép các nhà nghiên cứu tìm ra nhiệt độ chuyển thủy tinh của vật liệu và xác định các chuyển đổi khác tương ứng với chuyển động phân tử.
Tính chất của vật liệu nhớt đàn hồi
Polyme, bao gồm các chuỗi phân tử dài, sở hữu các tính chất nhớt đàn hồi độc đáo kết hợp các đặc điểm của chất rắn đàn hồi và chất lỏng Newton. Lý thuyết đàn hồi thông thường mô tả các tính chất cơ học của vật rắn đàn hồi trong đó ứng suất và độ biến dạng tỷ lệ thuận với biến dạng nhỏ và phản ứng này đối với ứng suất không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Lý thuyết lưu biến của chất lỏng mô tả các đặc tính của chất lỏng nhớt, trong đó phản ứng với ứng suất phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Vì polyme có đặc tính của cả trạng thái rắn và lỏng nên những trạng thái này có thể được mô hình hóa về mặt cơ học thông qua sự kết hợp giữa lò xo và bộ giảm chấn, cho phép các vật liệu nhớt đàn hồi như nhựa đường thể hiện cả trạng thái đàn hồi và nhớt.
Mô đun động của polyme
DMA nghiên cứu các tính chất nhớt đàn hồi của polyme bằng cách tác dụng lực hình sin (ứng suất σ) vào vật liệu và đo độ dịch chuyển kết quả (biến dạng). Đối với chất rắn hoàn toàn đàn hồi, ứng suất và biến dạng tạo ra sẽ cùng pha; đối với chất lỏng có độ nhớt thuần túy, biến dạng sẽ chậm hơn 90 độ so với ứng suất. Tính chất nhớt đàn hồi của polyme thể hiện tính chất ở giữa hai tính chất này, do đó sẽ xuất hiện độ trễ pha nhất định trong thử nghiệm DMA.
Mô đun lưu trữ là thước đo năng lượng được lưu trữ và biểu thị phần đàn hồi, trong khi mô đun mất mát là thước đo năng lượng chuyển đổi thành nhiệt và biểu thị phần nhớt.
Đạo hàm của mô đun động
Khi thực hiện phép đo biến dạng, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được mô tả như sau: ứng suất σ(t) và biến dạng ε(t), thay đổi theo thời gian. tình huống có thể được diễn đạt như sau:
Các biểu thức toán học này đưa tính ngẫu nhiên theo thời gian và độ lệch pha của biến dạng vào những thay đổi của mô đun phức hợp, mô đun lưu trữ và mô đun mất mát. Cuối cùng, biểu thức này giúp các nhà khoa học hiểu được hiệu suất của vật liệu dưới các ứng suất và nhiệt độ khác nhau, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
Ứng dụng
Đo nhiệt độ chuyển thủy tinh
Một ứng dụng quan trọng của DMA là đo nhiệt độ chuyển thủy tinh của polyme. Các polyme vô định hình có nhiệt độ chuyển thủy tinh khác nhau, ở trên nhiệt độ này vật liệu thể hiện tính chất giống cao su thay vì tính chất giống thủy tinh và có độ cứng và độ nhớt giảm đáng kể. Tại điểm chuyển tiếp thủy tinh, mô đun lưu trữ giảm đáng kể trong khi mô đun mất mát đạt mức tối đa. DMA với quét nhiệt độ thường được sử dụng để xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh của vật liệu.
Thành phần polyme
Việc thay đổi thành phần monome và liên kết chéo có thể làm tăng hoặc thay đổi chức năng của polyme, do đó ảnh hưởng đến kết quả thu được bằng DMA. Ví dụ, khi trộn monome etylen propylen diene (EPDM) với cao su styren butadien (SBR), các hệ thống liên kết ngang hoặc lưu hóa khác nhau sẽ cho thấy các tính chất vật lý khác nhau. DMA là phương pháp hiệu quả để đánh giá tính chất pha trộn của polyme, do đó giúp tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu.
Các nhạc cụ và loại nhạc cụ
Các thiết bị DMA bao gồm các cảm biến dịch chuyển, hệ thống kiểm soát nhiệt độ, động cơ truyền động và đồ gá mẫu. Việc chuẩn bị và xử lý mẫu sẽ khác nhau tùy thuộc vào mục đích đo lường. Có hai loại máy phân tích DMA chính: máy phân tích cộng hưởng cưỡng bức và máy phân tích cộng hưởng tự do. Máy phân tích cộng hưởng cưỡng bức được sử dụng phổ biến hơn. Các thiết bị này buộc mẫu dao động ở tần số cụ thể và phù hợp để thực hiện quét nhiệt độ.
Những kỹ thuật này có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Trong quá trình tìm hiểu các đặc tính và hiệu suất của vật liệu, bạn đã bao giờ nghĩ đến những lĩnh vực tiềm năng khác có thể hưởng lợi từ việc áp dụng các kỹ thuật phân tích cơ học động này chưa?
