Thermal Analysis Excellence

Thermal Analysis Excellence DMA/SDTA861 e System STAR e Innowacyjna technologia Uniwersalna modułowość Szwajcarska jakość Dynamiczna Analiza Mechaniczna ustanawia nowe standardy

DMA/SDTA861 e Precyzyjna technologia pomiaru ciągle ulepszana Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) jest stosowana do pomiaru mechanicznych i lepkosprężystych właściwości materiałów w funkcji temperatury, czasu i częstotliwości, podczas periodycznych zmian obciążenia, któremu poddawana jest próbka. Techniką tą mogą być badane materiały termoplastyczne, termoutwardzalne, kompozyty, elastomery, ceramika i metale. DMA jest źródłem ilościowych i jakościowych informacji, które mają bardzo duże znaczenie dla technologów i inżynierów aplikacyjnych oraz chemików i pracowników naukowych, zajmujących się badaniami materiałowymi. Dane te, to między innymi: Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) i moduł sprężystości poprzecznej (moduł Kirchoffa) Charakterystyka tłumienia i zachowania lepkosprężystego Struktura i morfologia polimeru Odkształcenie plastyczne i relaksacja naprężeń 2

Kluczowe cechy, które obrazują jakość działania METTLER TOLEDO DMA/SDTA861 e, to: Pomiar zarówno przemieszczenia, jak i siły pozwala na bardzo dokładne wyznaczenie wielkości modułów. Szeroki zakres siły: od 1 mn do 40 N umożliwia pomiary na próbkach zarówno bardzo miękkich, jak i bardzo twardych. Szeroki zakres częstotliwości: od 0.001 Hz do 1000 Hz sprawia, że pomiary mogą być wykonywane bądź w warunkach rzeczywistych, bądź w szybszy sposób przy wyższych częstotliwościach. Innowacyjne uchwyty próbek pozwalają na przygotowanie i umieszczenie próbki w uchwycie na zewnątrz przyrządu. Pomiar temperatury próbki umożliwia dokładne dostosowanie temperatury próbki do temperatury wymaganej oraz pomiar efektów cieplnych przy pomocy techniki SDTA (single differential thermal analysis). Badania sztywności w ekstremalnie szerokim zakresie możliwość przeprowadzenia pomiaru w wymaganym zakresie temperatur, przy zastosowaniu tylko jednego, tego samego uchwytu próbki dla całego zakresu. Należy dodać, że dzięki swojej konstrukcji modułowej, analizator dynamiczno-mechaniczny DMA/SDTA861 e, może być w przyszłości modernizowany, zależnie od pojawiających się potrzeb. Zakres częstotliwości od 0.001 do 1000 Hz Po raz pierwszy w urządzeniu DMA zakres częstotliwości został rozszerzony do kiloherców. Dla prób ścinania, pomiary mogą być wykonywane w obrębie sześciu dekad. Szczególnie interesujący jest obszar powyżej 1 Hz, ponieważ oznacza to, że czas pomiaru może być wtedy skrócony do minimum. Dokładny pomiar sztywności w szerokim zakresie Zakres pomiarów sztywności jest związany zarówno z zakresem siły, jak i przemieszczenia. W analizatorze DMA/SDTA861 e obejmuje on więcej niż sześć dekad. Oznacza to, że możliwy jest już teraz pomiar próbek przy pomocy eksperymentu jednego typu, poczynając od lepkosprężystych do szklistych, bez konieczności zmiany geometrii próbki lub trybu odkształcenia. Nie ma również potrzeby korelowania danych z dwóch różnych eksperymentów. Dzięki tak szerokiemu zakresowi pomiaru sztywności, miękkie próbki mierzy się równie łatwo, jak twarde. Bardzo dokładny pomiar przemieszczenia Specjalny, transformatorowy różnicowy czujnik przemieszczeń liniowych LVDT, odporny na wysoką temperaturę, mierzy przemieszczenia w ekstremalnie szerokim zakresie wielkości z rozdzielczością rzędu nanometra. Czujnik LVDT umieszczany jest bardzo blisko próbki w taki sposób, że mierzone jest tylko przemieszczenie w samej próbce. Eliminuje to efekty wynikające z ewentualnej deformacji podłoża i zwiększa dokładność wyznaczenia opóźnienia czasowego (tzn. przesunięcia fazowego) pomiędzy przyłożeniem siły i wystąpieniem przemieszczenia. Powtarzalność pomiarów przemieszczenia jest również udoskonalona dzięki pomiarowi temperatury czujnika LVDT. Eliminuje się w ten sposób ewentualne odchylenia od temperatury wzorcowej. 3

DMA/SDTA861 e Niezrównane parametry techniczne Bezpośredni pomiar siły i przemieszczenia Zakres siły aż do 40 N Zakres częstotliwości od 1 mhz do 1 khz Innowacyjne uchwyty próbek Bezpośredni pomiar temperatury próbki Szeroki zakres pomiarów sztywności Pomiar siły przy użyciu kryształu piezoelektrycznego Siłę mierzy się bezpośrednio, przy użyciu kryształu piezoelektrycznego, a nie jak w konwencjonalnych urządzeniach DMA na podstawie wykresu siła/prąd. Oznacza to, że mierzy się rzeczywistą wielkość siły przyłożonej do próbki. Nie jest wobec tego wymagana kompensacja strat powstałych wskutek tarcia, nacisku membrany i bezwładności. Ten sposób pomiaru siły pozwala inaczej niż w konwencjonalnych urządzeniach DMA na ustalenie pracy aparatu w systemie sterowania bądź wielkością siły, bądź przemieszczenia. Możliwe jest również automatyczne przełączenie sterowania z jednego systemu na drugi dzięki inteligentnemu oprogramowaniu. Najwyższy dostępny zakres siły Zakres siły łącznie z zakresem przemieszczenia determinuje zakres pomiaru sztywności przy pomocy określonego aparatu DMA. Zależnie od natury próbki i temperatury pomiaru, stosuje się większe lub mniejsze obciążenia mechaniczne próbki. W analizatorze DMA/SDTA861 e dostępne są siły od 1 mn do 40 N. Innowacyjny, łatwy w stosowaniu system uchwytów próbki System uchwytu próbki Mettler Toledo ma całkowicie nową konstrukcję, która wpływa na zaoszczędzenie czasu obsługi aparatury. Próbki są przygotowywane i umieszczane w uchwycie poza korpusem przyrządu. Uchwyt próbek może być następnie szybko umieszczony w aparaturze. To rozwiązanie pozwala również dokonać zamiany jednego trybu deformacji na inny bez dostrajania parametrów instrumentu. Możesz, na przykład przygotować eksperyment zginania, podczas gdy aparat dokonuje pomiaru własności mechanicznych próbki przy rozciąganiu. Ewaluacja sygnału za pomocą specjalnego algorytmu Nowe rozwiązania techniczne znalazły również wyraz w ewaluacji sygnału. Zastosowano do tego celu specjalny algorytm Fouriera, opracowany na Uniwersytecie w Ulm. Kluczową jego właściwością jest to, że jest bardzo szybki i to, że uwzględnia kompensację dryfu. Umożliwia to bardzo dokładne wyznaczenie amplitud siły i przemieszczenia, w wyniku czego otrzymuje się bardzo dokładne wartości modułów. Automatyczna kontrola przesunięcia Opracowano specjalny system automatycznej kontroli dla pomiarów próbek, które musiały być wcześniej poddane rozciąganiu lub deformacji. Opiera się on na pomiarze siły i przemieszczenia (przy zastosowaniu siły statycznej). Jeżeli pomiar wykaże zniekształconą oscylację sinusoidalną, oznacza to, że wielkość zastosowanej siły statycznej była niewystarczająca. System automatycznej kontroli wprowadza w tym przypadku korektę. 4

Nowa zasada pomiaru zapewnia wysoką dokładność Zasady działania analizatora DMA/ SDTA861 e są pod wieloma względami zupełnie inne, niż stosowane w aktualnej generacji konwencjonalnych aparatów DMA. Masywnie zbudowane stanowisko sprawia, że system charakteryzuje się wewnętrzną częstotliwością rezonansową około 1500 Hz, o wiele powyżej stosowanej częstotliwości pomiaru. Sama próbka jest przymocowana bezpośrednio do czujnika siły, co sprawia, że mierzona jest rzeczywista siła przyłożona do próbki. Technikę tę opracowano w Instytucie Dynamicznych Badań Materiałów, na Uniwersytecie w Ulm w Niemczech, gdzie stosowano ją z sukcesem od wielu lat i gdzie była nieustanne ulepszana. Moduł sprężystości oblicza się na podstawie stosunku siły do przemieszczenia i pomnożenie przez czynnik geometryczny, który uwzględnia wymiary próbki. Moduł sprężystości może być wyznaczony z bardzo dużą dokładnością, ponieważ mierzy się zarówno wielkość siły, jak i przesunięcia. Położenie części nieruchomych i ruchomych można dopasować posługując się trójwymiarowym urządzeniem korygującym, tak że siła przyłożona jest do próbki dokładnie pod kątem 90 0 i nie występują błędy spowodowane działaniem sił poprzecznych. Objętość pieca zredukowana do minimum Piec, zastosowany w DMA/SDTA861 e, składa się z dwóch części symetrycznych. Taka konstrukcja pozwala zredukować objętość pieca do minimum i wyeliminować niepożądane gradienty temperatury. Temperaturę każdej z obu części pieca mierzy się w sposób ciągły, a występujące ewentualnie różnice są natychmiast korygowane. Naniesione litograficznie ścieżki grzejne są owinięte w formie meandrów wokół rury ceramicznej. Zneutralizowane są w ten sposób jakiekolwiek siły elektromechaniczne, które mogłyby wpływać na próbkę. Grzejnik otoczony jest wymiennikiem ciepła, w którym zachodzi odparowywanie ciekłego azotu. Ponieważ podczas konkretnego pomiaru efekt chłodzenia jest przenoszony do próbki poprzez atmosferę pieca, to dopływ zimnego gazu nie wpływa na wyniki pomiarów. W celu szybkiego schłodzenia, komorę pieca można przedmuchać bezpośrednio przy pomocy zimnych par znad ciekłego azotu. Uzyskanie dużych szybkości schłodzenia pozwala szybciej rozpocząć nowy pomiar. Atmosferę pieca można również przełączyć (np. z obojętnej na utleniającą) za pomocą zaworu wlotowego gazu. Piec otwiera się przy pomocy klucza. Dwa jego ramiona mogą być obrócone do tyłu, przez co uzyskuje się pełny dostęp do układu pomiarowego DMA. Kalibracja w odniesieniu do standardowych wzorców Kalibracja temperatury, siły i przemieszczenia opiera się na zdefiniowanych wzorcach standardowych. Pomiar temperatury bardzo blisko próbki umożliwia przeprowadzenie kalibracji na podstawie temperatur topnienia czystych (indywidualnych) substancji. Przemieszczenie jest kalibrowane za pomocą płytek wzorcowych, a siła przy pomocy sprężyny. Ekstremalnie precyzyjne wrzeciono o rozdzielczości 1 mm, umieszczone w osi z, umożliwia w pełni automatyczną zmianę długości, po uprzedniej kalibracji wrzeciona przy pomocy płytek wzorcowych. 5

DMA/SDTA861 e 6 Pomiar temperatury próbki przy użyciu dodatkowego czujnika Szczególną uwagę poświęcono kalibracji temperatury. Specjalny czujnik temperaturowy umieszczony jest blisko próbki. Dzięki niemu, możliwy jest również równoczesny pomiar zmian entalpii metodą różnicowej analizy termicznej SDTA (DTA z pojedynczym sygnałem). Skuteczne oprogramowanie Nowe funkcje DMA zostały zintegrowane z już istniejącym, obszernym i sprawdzonym oprogramowaniem STAR e. Oprogramowanie steruje instrumentem oraz opracowuje dane. Do istotnych ważnych i ulepszonych cech DMA można zaliczyć: Wstępne sprawdzenie umocowania próbki w temperaturze pokojowej i w temperaturze początku pomiaru Obliczenia w układzie współrzędnych liniowych lub logarytmicznych Zastosowanie techniki krzywej wiodącej (zasada superpozycji czas-temperatura). Przy tworzeniu metody możesz zdefiniować, jak próbka powinna być przygotowana przed pomiarem. Na przykład, jeżeli do próbki przed pomiarem przykładana jest siła o charakterze oscylacyjnym, możesz sprawdzić, czy próbka została właściwie zamocowana. Taka możliwość istnieje zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze początku pomiaru. W dynamicznych pomiarach mechanicznych wielkość modułu sprężystości zmienia się często o kilka rzędów. Dlatego szczególnie wygodne jest przedstawienie wyników w układzie współrzędnych logarytmicznych. Taka prezentacja krzywych umożliwia oczywiście dalsze opracowanie danych na ich podstawie. Dla niektórych próbek można stosować zasadę superpozycji czas (częstotliwość) temperatura. Przyjmuje się wtedy, że zachowanie się materiału przy wysokich częstotliwościach jest analogiczne do tego, jakie mierzona próbka wykazuje w niższych temperaturach i przy niższych częstotliwościach. Na tej zasadzie opiera się technika krzywej wiodącej, która umożliwia ekstrapolowanie właściwości próbki otrzymanych przy określonych częstotliwościach do obszarów, gdzie bezpośredni pomiar przy pomocy posiadanej aparatury nie jest możliwy. Uzyskuje się w ten sposób informacje o zachowaniu się materiału przy bardzo wysokich częstotliwościach i bardzo niskich temperaturach. Programowanie różnych metod Oprogramowanie STAR e umożliwia ci kreację różnego typu metod: Izotermiczne i dynamiczne segmenty temperatury Oscylacje pojedyncze, seryjne i wieloczęstotliwościowe Przemiatanie częstotliwości Konstruujesz swój program temperaturowy z segmentów izotermicznych i dynamicznych. Niezależnie od tego możesz określić siłę oscylacyjną lub przemieszczenie zaaplikowane próbce. Najlepsze jakościowo wyniki otrzymuje się przy pojedynczej częstotliwości. Jeżeli jesteś zaintereso- wany badaniami ze zmianą częstotliwości, masz dwie możliwości: albo wybierasz szereg częstotliwości, który w sposób ciągły jest powtarzany podczas pomiaru, albo stosujesz opcję wieloczęstotliwościową, która pozwala przeprowadzić pomiar przy czterech wartościach częstotliwości (cztery częstotliwości wewnątrz dekady, w stosunku 1 : 2 : 5 : 10). W obu przypadkach dla każdej częstotliwości otrzymuje się oddzielną krzywą. W ten sposób można łatwo rozróżnić efekty zależne od częstotliwości (na przykład przemiany stanu szklistego) od efektów, które nie zależą od częstotliwości (na przykład topnienie). Bardzo interesująca jest również możliwość przeprowadzenia izotermicznego przemiatania częstotliwości. Pomiary w stałej temperaturze wykluczają ewentualne gradienty temperaturowe wewnątrz próbki. Badanie próbki przeprowadza się w jednym pomiarze, w określonym zakresie częstotliwości. Masz absolutną swobodę wyboru liniowego lub logarytmicznego kroku zmian częstotliwości. Procedurę tę stosuje się zwykle w technice krzywej wiodącej. Innym interesującym rodzajem pomiaru jest przemiatanie amplitudy siły lub przemieszczenia. W tym przypadku, zdefiniowane na wstępie kolejne zmiany amplitudy siły lub przemieszczenia następują w stałej temperaturze. Pozwala to wyznaczyć zakres liniowego zachowania się próbki.

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Teoria DMA Odpowiedni moduł może być obliczony na podstawie zmierzonych wielkości siły Fa i przemieszczenia La oraz ich przesunięcia fazowego δ, a mianowicie: Moduł zespolony M*, moduł sprężystości wzdłużnej E* (moduł Young a) i moduł sprężystości poprzecznej G*. Moduł zachowawczy M, proporcjonalny do części energii zmagazynowanej elastycznie i odwracalnie. Moduł stratności M, proporcjonalny do części energii przekształconej w ciepło i nieodwracalnie straconej. Współczynnik stratności (tan δ). W materiałach doskonale elastycznych, przesunięcie fazowe δ nie występuje; w materiałach doskonale lepkich, przesunięcie fazowe wynosi 90 0. Współczynnik stratności materiałów lepkosprężystych zawiera się pomiędzy 0 i wartością nieskończoną (δ = 90 0 ). Wartość tan δ odpowiada stosunkowi M do M. Moduły oblicza się na podstawie zmierzonej wartości sztywności, według poniższych równań: F a L a F a L a M * = S g = g S = gdzie g jest czynnikiem geometrycznym, obliczonym na podstawie wymiarów próbki, a S jest sztywnością próbki. Zmiana geometrii próbki może wpływać na jej sztywność. M = M* cos δ M = M* sin δ M tan δ = M Force in N 0 0.2 Siła Force w Nin N Przemieszczenie Displacement w in mm µm Siła i przemieszczenie przy częstotliwości f = 1 Hz. Przesunięcie fazowe δ może być obliczone na podstawie opóźnienia Δ, za pomocą równania δ = 2π fδ Force in N 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 0.2 L Time in s 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Force in N Displacement in µm F F: siła statyczna ΔL: odkształcenie Gruba próbka jest sztywniejsza niż cienka próbka. Time in s 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 L F 7

Opcje i dodatkowe wyposażenie System STAR e elastyczne rozwiązanie Pewna inwestycja System modułowy 6 sposobów odkształceń Pewna inwestycja Zaczynasz od konfiguracji instrumentu, która zaspakaja twoje bieżące potrzeby. Później możesz unowocześnić system przy pomocy opcji oprogramowania lub dodatkowego wyposażenia aby realizować nowe zadania. Cokolwiek postanowisz, będzie to pewna inwestycja. Sterowanie za pomocą akcesoriów zewnętrznychdo analizatora DMA/ SDTA861 e możesz dołączyć kontroler przepływu gazu i przeprowadzać pomiary w atmosferze różnych gazów. 8

Proste sterowanie komputerowe Kompletną metodę, określającą przebieg pomiaru, można utworzyć przy pomocy kilku prostych poleceń na komputerze. Dodatkowe informacje i ewentualne zmiany są łatwe do wprowadzenia. Program sprawdza jednocześnie, czy wprowadzone parametry są poprawne. Wszystkie zgromadzone dane są automatycznie przechowywane w relacyjnej bazie danych i nawet wiele lat później mogą być dostępne dla celów dokumentacyjnych. Do dyspozycji są liczne opcje oprogramowania dla ułatwienia codziennych zadań. System modułowy Konstrukcja modułowa DMA/SDTA861e ma wiele zalet. Oznacza to, że możesz zakupić aparat o takiej konfiguracji, która jest ci potrzebna dzisiaj i unowocześnić go, zgodnie z późniejszymi wymaganiami, w określonej chwili w przyszłości.dostępne opcje są następujące: Maksymalna siła: 12, 18 lub 40 N Maksymalna częstotliwość: 200 lub 1000 Hz Zakres sztywności: 4 lub 6 dekad Bezpośrednia obsługa modułu z panelu sterowania Moduł aparaturowy może być obsługiwany przy pomocy komputera lub z klawiatury instrumentu. Zwłaszcza w przypadku DMA, bardzo wygodna jest możliwość bezpośredniego wprowadzania poleceń z klawiatury modułu lub odczytu niektórych wartości pomiarowych bezpośrednio na wyświetlaczu instrumentu. (1) (2) Sześć różnych sposobów odkształceń Analizator DMA/SDTA861 e posiada sześć różnych trybów badania odkształceń: Ścinanie (1) Zginanie 3-punktowe (2) Wspornik podwójny (3) Wspornik pojedynczy (4) Rozciąganie (5) Ściskanie (6) (3) (5) (6) (4) 9

Opcje i dodatkowe wyposażenie Uchwyty próbek proste, pomysłowe i pozwalające na oszczędność czasu Ścinanie Próby ścinania były nieco zaniedbywane w przeszłości, ponieważ nie było aparatów, właściwie do tego celu skonstruowanych. Dwie identyczne próbki są symetrycznie umocowane i dociśnięte pomiędzy dwiema zewnętrznymi częściami nieruchomymi i ruchomą częścią środkową, która przekazuje siłę oscylacyjną. Dużą zaletą prób ścinania jest możliwość wykonywania pomiarów dla każdego rodzaju próbek od elastycznych do twardych. Jest stosowna dla elastomerów, materiałów termoplastycznych i termoutwardzalnych. Zaciski ścinania gwarantują jednorodną temperaturę otoczenia. W zacisku ścinania może być zainstalowana termopara. Pomiar temperatury próbki jest na tyle dokładny, że wtedy można jednocześnie nawet mierzyć zmiany entalpii (wykorzystując SDTA). Średnica: 14 mm. Grubość: 6,5 mm Zginanie 3-punktowe W trybie zginania 3-punktowego końce próbki spoczywają na dwóch ostrzach noży a siła oscylacyjna jest przykładana na środek próbki przy pomocy poruszającego się ostrza noża. Pewnej wstępnej siły należy użyć w celu ustalenia położenia próbki. Ten sposób zamocowania próbek minimalizuje zakłócenia rzeczywistego pomiaru próbki.tryb zginania 3-punktowego jest szczególnie przydatny dla próbek twardych, takich jak wzmocnione materiały termoutwardzalne, kompozyty, metale i stopy. Maksymalna długość próbki: 100 mm. Swobodna długość próbki: 30 90 mm, w odstępach 5 mm Podwójny wspornik W trybie wspornika podwójnego, końce próbki są unieruchomione, a jej środek dociśnięty do ruchomej części układu, która przekazuje siłę oscylacyjną. Ten tryb jest szczególnie przydatny dla próbek, które pod wpływem nacisku statycznego byłyby nadmiernie podatne na zginanie. Przykładem mogą tu być materiały termoplastyczne i termoutwardzalne. Maksymalna długość próbki: 100 mm. Swobodna długość próbki: 20 80 mm, w odstępach 5 mm 10

Pojedynczy wspornik Tryb wspornika pojedynczego jest bardzo podobny do trybu wspornika podwójnego. Różni się od niego tym, że tylko jedna strona próbki jest unieruchomiona. Środek próbki jest dociśnięty do ruchomej części układu, która przekazuje siłę oscylacyjną.ten tryb jest przydatny do próbek, które wykazują podczas pomiaru dużą rozszerzalność i kurczliwość w kierunku ich długości. Szczególny przypadek stanowią tutaj próbki materiałów termoplastycznych. Maksymalna długość próbki: 100 mm. Swobodna długość próbki: 20 80 mm, w odstępach 2,5 mm Rozciąganie W trybie rozciągania, jeden koniec próbki jest unieruchomiony, podczas gdy drugi koniec dołączony jest do części ruchomej układu, która przekazuje siłę oscylacyjną. Stosuje się wstępne rozciąganie, aby zapobiec zginaniu lub wyboczeniu próbki podczas oscylacji.ten tryb ma największe zastosowanie dla cienkich warstw, włókien i prętów. Jego zaletą jest, że dociśnięcie próbki praktycznie nie wpływa na jej deformację. Swobodna długość próbki: 5,5 mm, 10.5 mm i 19,5 mm Small clamping assembly Large clamping assembly Bending 3-point bending clamp Dual cantilever clamp Single cantilever clamp Tension Small tension clamp (9 mm) 5.5 mm tension clamp 10.5 mm tension clamp 19.5 mm tension clamp Shear Small shear clamp Small shear clamp (liquid) Small shear clamp (without texture) Compression Large compression clamp Ściskanie W trybie ściskania próbka jest dociskana pomiędzy częścią nieruchomą i ruchomą, która przekazuje siłę oscylacyjną. Próbka jest ściskana statycznie i następnie poddawana obciążeniu przemiennemu. Geometria próbki zmienia się w sposób ciągły wskutek zastosowanego nacisku. Na powierzchniach kontaktu z próbką występuje tarcie. Na brzegach, nacisk na próbkę może być mniejszy, co powoduje, że objętość zmienia się w sposób ciągły (ściskanie jednoosiowe).dlatego ten typ pomiarów nie jest przydatny do bezwzględnego wyznaczenia modułu. Niemniej, można otrzymać wartościowe, porównawcze wyniki dla materiałów miękkich (elastomery, materiały kleiste i piankowe). Średnica: 20 mm Grubość: 9 mm 11

Przegląd zastosowań Charakteryzowanie materiałów za pomocą dynamicznej analizy mechanicznej Materiały będące w codziennym, praktycznym użyciu, są narażone na całą gamę różnych mechanicznych naprężeń. Największe znaczenie dla materiału mają takie czynniki, jak częstość występowania i intensywność naprężeń oraz temperatura. Na przykład w procesie nakładania powłok proszkowych, materiał jest najpierw jednolicie rozprowadzony po całej powierzchni. Przy ogrzewaniu, najpierw powstaje jednorodna, cienka warstewka cieczy. Żadne krople nie powinny się tworzyć na powierzchni. Warstewka ta następnie twardnieje. Otrzymana powłoka, z jednej strony musi być odporna na naprężenie mechaniczne, spowodowane rozszerzalnością podłoża, bez utworzenia się na niej jakichkolwiek pęknięć. I dodatkowo, musi ona być także wytrzymała na nagłe odkształcenia w niskich temperaturach, bez łuszczenia się lub uszkodzenia. Wiele spośród właściwości mechanicznych ma bardzo istotne znaczenie dla wytwarzania, przechowywania, przetwarzania i aplikacji materiałów. Wiedza na temat zachowania się materiałów lepkoelastycznych w szerokim zakresie częstotliwości i temperatury pozwala na uzyskanie informacji o właściwościach mechanicznych związanych z ich aplikacją, a także o przegrupowaniach molekularnych i strukturach. Otwiera to niemałą liczbę aplikacji dla dynamicznej analizy mechanicznej (DMA) takich jak: określenie właściwości materiału optymizacja materiałowa i procesowaoraz kontrola jakości analiza uszkodzenia materiału Szerokie spektrum różnych wielkości dynamicznych, które można mierzyć bezpośrednio oraz duże możliwości zmian wymiarów i geometrii próbki sprawiają, że analizator DMA/ SDTA861 e doskonale nadaje się do pomiarów praktycznie wszystkich materiałów stałych i do pomiarów cieczy, od wykazujących bardzo dużą lepkość do średnio lepkich. Znaczące obszary aplikacji, to: materiały termoplastyczne materiały termoutwardzalne elastomery spoiwa farby i lakiery kompozyty artykuły spożywcze farmaceutyki tłuszcze i oleje materiały ceramiczne materiały konstrukcyjne metale Przykłady aplikacji opisane na poniższych stronach demonstrują wybitną jakość DMA/SDTA861e. Jednakowoż, reprezentują one w rzeczywistości tylko kilka możliwości z obszernej oferty, jaką ten aparat jest w stanie przedstawić. Poniższa lista podaje zestawienie efektów i właściwości, które mogą być badane przy pomocy DMA: lepkosprężystość relaksacja przejście stanu szklistego moduł sprężystości tłumienie mięknięcie przepływ lepki krystalizacja i topnienie rozdzielenie faz żelowanie zmiana morfologii skład mieszaniny aktywność wypełniacza wady materiału reakcje utwardzania reakcje sieciowania systemy wulkanizacyjne Pomiary politetrafluoroetylenu PTFE wykonane metodą DSC wykazują przejścia fazowe w 100 0 C i 30 0 C oraz topnienie w 327 0 C. Przejścia te można również wykazać metodą DMA. Efekt występujący w 100 0 C jest w tym przypadku bardziej wyraźny. Pomiary wykonane w próbie ścinania i w próbie rozciągania wykazują dodatkowo przemianę stanu szklistego w 130 0 C. Temperatury przemian wyznaczone obiema metodami bardzo dobrze się z sobą zgadzają. Współczynnik Poissona wskazuje, że moduł E jest zasadniczo zawsze większy, niż moduł G. 12

Krzywe na rysunku przedstawiają twardnienie epoksydowego tworzywa aminowego, mierzone przy 10 Hz, przy użyciu uchwytu do prób ścinania dla próbek ciekłych. Próbkę umieszczono w układzie zaciskowym, schładzano do - 50 0 C i następnie ogrzewano. W temperaturze 0 0 C żywica przechodzi ze stanu twardego szkła w stan ciekły. Moduł zachowawczy obniża się o koło 7,5 rzędów. Powyżej 130 0 C moduł ten rośnie na skutek reakcji sieciujących. Punkt żelowania występuje w 150 0 C, na przecięciu krzywych G i G. Próbka staje się wtedy twarda. Pełny obraz mechanicznego zachowania się termoplastów w próbie ścinania można uzyskać na podstawie jednego, pojedynczego pomiaru. Na rysunku pokazano to na przykładzie gwałtownie ochłodzonej próbki poli(tereftalanu etylenu) PET. W temperaturze 70 0 C występuje wtórna relaksacja (β relaksacja). Główna relaksacja (podczas przemiany stanu szklistego) jest obserwowana w 80 0 C. Moduł rośnie w temperaturze około 110 0 C, ponieważ ma miejsce zimna krystalizacja. Przy dalszym ogrzewaniu następuje rekrystalizacja i topnienie krystalitów. G zmienia się od 10 9 do 5 10 2 Pa. Próbka oleju silikonowego została przygotowana w uchwycie do prób ścinania dla próbek ciekłych. Zainstalowano go następnie w analizatorze DMA, uprzednio ochłodzonym do temperatury 150 0 C. Przy ogrzewaniu, ten gwałtownie schłodzony materiał wykazuje przejście stanu ciekłego (odszklenie) w 115 0 C i topnienie w 40 0 C, po czym staję się ciekły (G > G ). W 120 0 C, przesunięcie fazowe prawie osiąga wartość graniczną dla płynu newtonowskiego p/2 radianów. Moduł zachowawczy zmienia się w ramach 7,5 dekad. W praktyce, materiały poddawane są obciążeniom w szerokim zakresie częstotliwości, co powoduje zmianę właściwości materiału z częstotliwością. Jak wykazano w pomiarze próbki kauczuku butadienowo-styrenowego SBR, przy pomocy DMA/SDTA861e można przeprowadzić bezpośrednie pomiary w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Na podstawie otrzymanych diagramów ustalono, że główny zakres relaksacji ma miejsce w temperaturze 10 0 C. Wartość G zmienia wtedy o około 3 rzędy pomiędzy 1 mhz i 1 khz. Współczynnik stratności uzyskuje maksymalną wartość 2,29 przy 0,32 Hz. 13

W przypadku polimerów napełnionych moduł rośnie z zawartością napełniacza, natomiast obniża się ze wzrastającą amplitudą przemieszczeń. Na rysunku pokazano te efekty dla próbek napełnionego kauczuku naturalnego NR o różnej zawartości sadzy. Pomiary przeprowadzano stosując amplitudy ścinania od 30 nm do 1 mm. Wnioski te można wyprowadzić, uwzględniając liniowe części krzywych pomiarowych (prawo Hooke a) oraz oddziaływania pomiędzy polimerem i napełniaczem. Przeprowadzono pomiary cienkiej warstwy polieteroimidu, o grubości 22 mm, w próbie rozciągania w szerokim zakresie temperatury, pomiędzy 150 0 C i 450 0 C. W temperaturze 100 0 C moduł Younga wynosi około 5,1 GPa i obniża się do 1,9 GPa w temperaturze 300 0 C. Przemiana stanu szklistego (odszklenie) występuje w stosunkowo wysokiej temperaturze (370 0 C). Na krzywej czynnika stratności obserwuje się trzy obszary relaksacji, z maksimum w 82 0 C, 42 0 C i 370 0 C. Wielkości te mogą być użyte do scharakteryzowania materiału. Polichlorek winylu PCW mierzono w zakresie temperatury od 90 0 C do 110 0 C, stosując tryb wspornika pojedynczego. Obserwowano dwa obszary relaksacji, zależnej od częstotliwości. Relaksacja wtórna daje na krzywej tang d bardzo szeroki pik z maksimum w 30 0 C oraz bardzo nieznaczne przegięcie na krzywej modułu E. Efekt ten determinuje właściwości mechaniczne materiału w niskich temperaturach. Relaksacja główna ma miejsce podczas przemiany stanu szklistego (odszklenia). Próbka staje się bardziej miękka i moduł obniża się o 3 rzędy do około 10 MPa. Materiały kompozytowe utworzone z usieciowanych polimerów napełnionych charakteryzują się wysoką wartością modułu zachowawczego w temperaturze, w której są stosowane. Zmierzona wartość modułu, wyznaczonego dla płytki obwodu drukowanego w trybie zginania 3-punktowego, wynosiła 24,2 GPa. Poza bezwzględną wartością modułu, badano również mięknięcie towarzyszące przemianie stanu szklistego (odszkleniu). Moduł obniża się wtedy do 8.3 GPa. Na krzywej modułu zachowawczego obserwuje się więc uskok, podczas gdy na krzywej modułu stratności i na krzywej współczynnika stratności występują piki. 14

Oprócz pomiaru właściwości mechanicznych elastomerów, pomiary w próbach ścinania umożliwiają analizę zjawisk termicznych. Zmierzona próbka chloroprenu wykazuje przemianę stanu szklistego (odszklenie), topnienie i zestalanie powodowane wulkanizacją. Badanie procesu wulkanizacji jest bardzo ważne ze względu na analizę uszkodzeń i zapewnienie przez to odpowiedniej jakości materiału. Defekty materiałowe mogą często wynikać z niedostatecznego usieciowania. Spektroskopia mechaniczna w szerokim zakresie częstotliwości jest źródłem szczegółowych informacji o właściwościach materiałów. Doskonała stabilność temperatury i dokładność analizatora DMA oraz możliwość wykonywania pomiarów przy wysokich częstotliwościach pozwala precyzyjnie i szybko skonstruować krzywą wiodącą. Na rysunku zamieszczono krzywe wiodące dla niewulkanizowanego i wulkanizowanego kauczuku butadienowo-styrenowego SBR. Oprócz informacji o właściwościach dynamicznych, na podstawie tych krzywych można wyciągać wnioski o strukturze molekularnej i usieciowaniu próbek. Podstawowym elementem taśmy magnetowidowej jest sprężysty poli(tereftalan etylenu) PET o wysokiej wartości modułu Young a w temperaturze pokojowej. Mierzona próbka wykazała wartość 7.3 GPa. W próbie rozciągania wykryto dwa obszary relaksacji. Większy obszar, w temperaturze 100 0 C, odpowiada przejściu stanu szklistego w PET. Mniejszy, w temperaturze 50 0 C, występuje w powłoce, którą pokryta jest powierzchnia taśmy. Duży stopień krystaliczności powoduje, że zmiana E podczas przemiany stanu szklistego jest niewielka. Cienkie warstwy i włókna mogą być poddawane pomiarom w próbach rozciągania. Na rysunku przedstawiono przykład badań cienkiej warstwy epoksydowej o grubości 35 mm. Podczas przemiany stanu szklistego (odszklenia), pomiędzy 90 0 C i 120 0 C, E maleje od 2 GPa do 30 MPa; w tym czasie na krzywej modułu stratności E i na krzywej współczynnika stratności tang d obserwuje się piki. 15

Specyfikacje Temperatura Zakres 150 500 0 C Rozdzielczość techniczna 0.003 K Dokładność 0.5 K Siła Zakres 0.001 40 N, (12, 18 or 40 N) Rozdzielczość techniczna 0.15 mn (0... 5 N), 1.5 mn (0 50 N) Czułość 1 mn Przemieszczenie Zakres ±1.6 mm Rozdzielczość techniczna 0.6 nm Czułość 5 nm Sztywność Zakres 10 10 8 N/m Precyzja 0.2 % Tangens delta Zakres 0.0001... 100 Rozdzielczość techniczna 0.00001 Czułość 0.0001 Frequency Zakres 0.001 1000 Hz (*) Rozdzielczość techniczna 0.00001 Dokładność ( f) 0.0001 Tryb skanowania logarytmicznego i liniowego Tryby przemiatania Tryb wieloczęstotliwościowy (sekwencyjny) Tryb wieloczęstotliwościowy (równoczesny) Tryby pomiaru Zginanie 3-punktowe Wspornik podwójny Sztywność, zakres zginania Ścinanie Sztywność, zakres ścinania Rozciąganie Sztywność, zakres rozciągania Ściskanie Sztywność, zakres ściskania Zatwierdzenia Bezpieczeństwo elektryczne Kompatybilność elektromagnetyczna długość: 30 90 mm, długość: 20 80 mm średnica: < 15 mm, grubość: < 5 mm Maksymalna długość próbki: 100 mm 10 10 6 N/m średnica: 15 mm, grubość: 6,5 mm 10 10 8 N/m długość: 19.5 mm (19.5, 10.5, 9.0, 5.5) szerokość: 7 mm, grubość: 3 mm 10 10 7 N/m średnica: 20 mm, grubość: 9 mm 10 10 7 N/m IEC/EN 61010-1:2001, IEC/EN 61010-2-010:2003 CAN/CSA-C22.2 No. 1010.1-92, UL Std. No. 3101-1:1993 EN61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (class B) EN61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (industrial environments) FCC, Part 15, class A (Declaration) AS/NZS CISPR 11, AS/NZS 61000,4,3 (*) zależnie od trybu deformacji oraz samej próbki, maksymalna częstotliwość, która daje się zastosować, może być niższa. Maksymalne częstotliwości nie są te same (ścinanie 1000 Hz, zginanie 300 Hz, rozciąganie 300 Hz, ściskanie 300 Hz). www.mt.com Więcej informacji Mettler-Toledo Sp. z o.o. 02-822 Warszawa, ul. Poleczki 21 Tel.: (22) 545 06 80 Fax. (22) 545 06 88 e-mail: Polska@mt.com www.mt.com Mettler-Toledo Sp. z o.o. zastrzega sobie prawo do zmian danych technicznych Druk: Grafznak, Warszawa Certyfikaty Jakości Projektowanie, produkcja, testowanie zgodne z ISO 9001. System zarządzania środowiskiem zgodny z ISO14001 Certyfikat Europejski Ten symbol stanowi gwarancję, że nasze produkty spełniają najnowsze wytyczne Unii Europejskiej.