動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法（DMA）內(nèi)容摘要: 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法的原理和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，以及DMA在高聚物、復(fù)合材料、木材等材料研究領(lǐng)域中的應(yīng)用關(guān)鍵詞： 原理；DMA分析儀；高聚物 ；復(fù)合材料 一、引言動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析技術(shù)DMA (Dynamic Mechanical Analysis)是在程序控制溫度下,測量物資在振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量或力學(xué)損耗與溫度關(guān)系的技術(shù)。DMA是測定高分子材料的各種轉(zhuǎn)變,評價(jià)材料的耐熱性、耐寒性、相容性、減震阻尼效率及加工工藝性能等的一種簡便的方法,并為研究高分

2、子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)提供信息。由于高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶、取向、交聯(lián)、相分離等結(jié)構(gòu)變化都與分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化密切相關(guān),而分子運(yùn)動(dòng)的變化又能在動(dòng)態(tài)力學(xué)性能上靈敏的反映,因此,動(dòng)態(tài)力學(xué)分析是研究高分子結(jié)構(gòu)變化-分子運(yùn)動(dòng)-性能的一種有效手段。對于研究高分子材料科學(xué)與材料工程方面有著重要的指導(dǎo)意義。二、DMA的原理 眾所周知,高分子具有粘彈性,在適當(dāng)?shù)臈l件下,會(huì)發(fā)生滯后現(xiàn)象,當(dāng)施加交變應(yīng)力,應(yīng)變會(huì)滯后一個(gè)相位角 。這種滯后與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān),更是與外界條件的作用有關(guān)。DMA技術(shù)把材料粘彈性分為兩個(gè)模量：一是儲(chǔ)能模量E，E與試樣在每周期中貯存的最大彈性成正比，反映材料粘彈性中的彈性成分，表征材料的剛度；

3、二是損耗模量E，E與試樣在每周期中以熱的形式消耗的能量成正比，反映材料粘彈性中的粘性成分，表征材料的阻尼。材料的阻尼也稱力學(xué)內(nèi)耗(Damping of materials)，用Tan 表示，材料在每周期中損耗的能量與最大彈性貯能之比，等于材料的損耗模量E與貯能模量E之比。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?( t) =0sint時(shí),由于應(yīng)力比應(yīng)領(lǐng)變先一個(gè)相位角 。故 其中， 是角頻率， 是相位角， 0是應(yīng)力峰值， 0 是應(yīng)變峰值。貯能模量E；表示在應(yīng)力作用下能量在樣品中的貯存能力，同時(shí)也是材料剛性的反映。 損耗模量E；與應(yīng)變相位差90度；表示能量的損耗程度，是材料耗散能量的能力反映。 內(nèi)耗；應(yīng)力應(yīng)變相位角之正切值，是材

4、料貯能與耗能能力的相對強(qiáng)度。 DMA采用升溫掃描，由輔助環(huán)境溫度升至最終熔融溫度，Tan 展示出一系列的峰，每個(gè)峰都會(huì)對應(yīng)一個(gè)特定的松弛過程。由DMA可測出相位角Tan ，損耗模量E與貯能模量E隨溫度、頻率或時(shí)間變化的曲線，不僅給出寬廣的溫度、頻率范圍的力學(xué)性能，還可檢測材料的玻璃化轉(zhuǎn)變、低溫轉(zhuǎn)變和次級松弛過程。三、DMA曲線（一）DMA曲線（溫度譜） （二） DMA曲線（頻率譜）DMA曲線分析直接結(jié)果 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍（橫坐標(biāo)）； 粘流溫度（或）熔融溫度（橫坐標(biāo)）； 次級松弛轉(zhuǎn)變溫度（橫坐標(biāo)）； 力學(xué)損耗能力（縱坐標(biāo)）； 不同溫度或頻率下的力學(xué)性能（縱坐標(biāo)）；（四）DMA分析間接結(jié)果影響聚

5、合物結(jié)構(gòu)的各類因素交聯(lián)、接枝、取向、結(jié)晶、相分離等影響聚合物結(jié)構(gòu)的各類因素交聯(lián)、接枝、取向、結(jié)晶、相分離等高離子運(yùn)動(dòng)規(guī)律：外力下的彈性、粘性變形規(guī)律高離子運(yùn)動(dòng)規(guī)律：外力下的彈性、粘性變形規(guī)律MDA曲線結(jié)果損耗峰位置、強(qiáng)度、貯能模量強(qiáng)度 間接結(jié)果：耐熱性能、耐寒性能、相容性能、老化性能、減震阻尼性能、加工工藝性能等。DMA分析的特點(diǎn) 1.只需很小的樣品即可在很寬的溫度或頻率范圍測定材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。 2.是研究高分子結(jié)構(gòu)變化-運(yùn)動(dòng)-性能三者間關(guān)系的簡便而有效的重要方法。3.非常適合于在動(dòng)態(tài)載荷下工作的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、配方結(jié)構(gòu)。四、 DMA分析儀動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀是在程序溫度控制下測量物質(zhì)在承受振蕩性負(fù)

6、荷(如正弦負(fù)荷)時(shí)模量和力學(xué)阻尼隨溫度變化的一種儀器。至20世紀(jì)80年代初，DMA逐漸發(fā)展完善，加之采用計(jì)算機(jī)的自動(dòng)數(shù)據(jù)處理方法，使用方便，操作簡單。它在測量分子結(jié)構(gòu)單元的運(yùn)動(dòng)，特別在低溫時(shí)比其他分析方法更為靈敏，更為有用。研究高分子動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的儀器很多：常用的有4種類型:自由振動(dòng)、強(qiáng)迫共振、強(qiáng)迫非共振、聲波傳播。4測量方法適用的頻率是不同的,如圖其中最常用的是強(qiáng)迫非共振法，近年來大多數(shù)廠商生產(chǎn)的DMA儀器都屬于此種類型。如 Perk in-Elmer公司的Diamond DMA；TA儀器公司的Q800和2980的DMA；梅特勒一托利多公司的DMASDTA861等。Q800 型DMA分析儀運(yùn)

7、用最先進(jìn)的非接觸式技術(shù)測量應(yīng)力，同時(shí)采用光譯碼技術(shù)測量應(yīng)變，具有很高的靈敏度和精度，是目前全世界銷售量最大的DMA儀。五、DMA在材料中的的應(yīng)用DMA在聚合物領(lǐng)域中的應(yīng)用 對于聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定，在玻璃化轉(zhuǎn)變附近聚合物的力學(xué)損耗有最大值出現(xiàn)，據(jù)此可測定聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析曲線上，玻璃化轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)峰形，因而可非常方便準(zhǔn)確地確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。其測試的準(zhǔn)確度優(yōu)于DSC分析。 為全面了解聚合物材料的耐熱性能，須在不同溫度下進(jìn)行多次力學(xué)測試，需要大量樣品。熱變形溫度或維卡軟化點(diǎn)，實(shí)質(zhì)是在程序控溫下聚合物樣品達(dá)到特定楊氏模量所對應(yīng)的溫度。這一單點(diǎn)結(jié)果與樣品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)聯(lián)系模糊，難以

8、全面準(zhǔn)確地評價(jià)聚合物的耐熱性能。通過動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析技術(shù)，可借助少量樣品測試即可獲得很寬溫度范圍內(nèi)的力學(xué)性能如貯能模量，因而可方便而又準(zhǔn)確地全面評價(jià)材料的耐熱性能。 此外，在研究高分子材料耐寒性和高分子材料耐環(huán)境老化性能方面也是比較有幫助的。（二） DMA在復(fù)合材料中的應(yīng)用DMA法能夠精確地測定復(fù)合材料動(dòng)態(tài)模量在固化過程中的變化，很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的等溫固化，可以提供各種因素對復(fù)合材料固化反應(yīng)程度、初始松弛時(shí)間和反應(yīng)活化能等的影響。DMA還可以對復(fù)合材料的耐濕熱老化性能進(jìn)行研究，主要是通過單一頻率或者多頻率下的溫度掃描跟蹤動(dòng)態(tài)熱力學(xué)參數(shù)變化來表征材料的耐濕熱性能。用其他方法常常需要較多試樣大量實(shí)

9、驗(yàn)才能完成，采用DMA不僅可迅速跟蹤老化過程中剛度和沖擊韌性的變化，還可同時(shí)分析引起性能變化的結(jié)構(gòu)原因。（三） DMA在木材研究中的應(yīng)用木材是由結(jié)晶纖維素和非結(jié)晶半纖維素、木素等聚合物構(gòu)成的。當(dāng)加熱到玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度時(shí)，木質(zhì)材料的非結(jié)晶區(qū)部分會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，此時(shí)木質(zhì)材料的物理力學(xué)強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生巨大變化。在DMA測試中，利用損耗角正切曲線的峰頂溫度，可以確定木材的Tg。DMA還可以用于評定木質(zhì)材料的軟化效果，選擇高溫環(huán)境的使用材料，測定木質(zhì)材料耐濕熱環(huán)境的性能。對不同的溫度F的動(dòng)態(tài)模量性能的變化進(jìn)行研究，以了解其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化規(guī)律，這對確定木材的加工和使用條件，評價(jià)使用性能具有重要的實(shí)用價(jià)值。結(jié)

10、論動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)是在程控溫度下,測量物質(zhì)在振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量和力學(xué)損耗與溫度關(guān)系的技術(shù)。它操作簡單、所需樣品量少,且不要求其它任何溶劑,所以在材料研究中發(fā)揮的作用越來越大。DMA能方便、準(zhǔn)確地檢測高分子材料的模量變化及高聚物固體材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,是一種研究聚合物分子鏈、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的重要手段,測試結(jié)果能為高分子材料的結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)及其轉(zhuǎn)變等的研究提供依據(jù)。無論是實(shí)際應(yīng)用或基礎(chǔ)研究，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析技術(shù)已成為研究材料性能的最重要方法之一。參考文獻(xiàn)：1 劉振海，徐國華，張洪林熱分析儀器北京化學(xué)工業(yè)出版社，20061261402 王雁冰，黃志雄，張聯(lián)盟DMA在高分子材料研究中的應(yīng)用國外

11、建材科技，2004，25(2)：25273 鄧友娥，章文貢動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析技術(shù)在高聚物性能研究中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002，(1)：38394 宋華杰，郝瑩，董海山，李敬明氟聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與DMA測量頻率關(guān)系的研究火炸藥學(xué)報(bào)，2001，3：56575 J. Blahovec, M. Lahodov DMA peaks in potato cork tissue of different mealiness Journal of Food Engineering, 103 (2010), pp. 273278 6 Jae-Do Nam,James C Seferis.Viscoelastic characterizationof phenolic resin-carbon fiber composite degrada