1、热分析之动态力学分析热分析之动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis ) l著名高分子物理学家A.V. Tobolsky曾说过：“如果对聚合物样品只允许你作一次实验，那么所作的选择应该是一个固体试样在宽温度范围内的动态力学实验”。l 许多高聚物部件常常在动态载荷(交变载荷)下使用，例如各种轮胎在转动中、塑料齿轮在传动中，以及减震阻尼材料在使用中都承受周期性变化的载荷作用。因此在设计上述产品时，为了使设计方案更合理，最好采用材料在动态测试条件下的力学性能数据。动态力学分析动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis )l简称DMA,基本原理是在
2、程序控制温度下，测量物质在振动负荷下的动态模量和阻尼与温度关系的一种技术广泛应用于热塑性与热固性塑料、橡胶、涂料、金属与合金、无机材料、复合材料等领域。 l测量材料的如下特性：储能模量（刚性）；损耗模量（阻尼）；粘弹性；蠕变与应力松弛；玻璃化转变；软化温度；二级相变；固化过程等。这一技术与经典的静态力学方法相比这一技术与经典的静态力学方法相比有下列特点：有下列特点：l第一，动态力学分析通常只需要用一个很小的试样就可以在宽阔的频率或温度范围内连续地进行测定，因而可在较短的时间内获得材料的动态力学性能频率谱或温度谱。l第二，对于在动态载荷条件下使用的产品，动态测量结果比静态测量结果更接近实际，因而
3、对产品设计更重要。这一技术与经典的静态力学方法相比这一技术与经典的静态力学方法相比有下列特点：有下列特点：l第三，动态力学分析技术是测定高聚物的各种转变，评价高聚物的耐热性、耐寒性、相容性、减震阻尼效率等的一种简便方法，并可为研究高分子的聚集态结构提供信息。因为高聚物的玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离等结构变化都与分子运动状态的变化密切相关，而分子运动的变化又能灵敏地反映在动态力学性能上，因而动态力学分析是研究高聚物结构分子运动性能的一种有效手段。德国德国NetzschNetzsch（热分析的领跑者）（热分析的领跑者）动态力学分析仪动态力学分析仪 型号型号 DMA242CDMA242结构示
4、意图结构示意图l 各种形变模式的介绍各种形变模式的介绍三点弯曲三点弯曲：样品搁于两个支点上，推杆顶端从上往下对样品施加负载。两个支点间的距离遵从 DIN 53457 标准，共有 10 到 50 mm 四档可选。该形变模式适合于高储能模量的样品，如填充或增强型的热塑性塑料与热固性树脂（复合材料），以及金属、合金、陶瓷、玻璃等。 双悬臂弯曲双悬臂弯曲：样品的两端及中心负载点均被夹紧。该模式特别适合于中等模量的样品（橡胶，热塑性塑料等）。可选的支架包括从 2 到 32 mm 三种不同的弯曲长度。若样品一端不夹，则为单悬臂模式。 压缩压缩：样品（橡胶，泡沫，生物高分子，糊状材料等）置于样品支架的平面上
5、，从上往下使用端面为平盘的推杆施加压力。端面直径有多种规格可选，最大为 30mm。若推杆的顶端为针状而非平盘状，则为针入模式，较适合于测试涂层一类的材料。 拉伸拉伸：拉伸模式适合于测量薄膜，纤维或薄的橡胶条。样品的下端被固定在支架上，上端夹在顶杆上进行振荡测试。 DMA工作曲线工作曲线-典型非晶态高聚物的典型非晶态高聚物的DMA温度谱温度谱动态力学分析技术的应用动态力学分析技术的应用l高聚物的玻璃化转变温度的测定 玻璃化温度Tg是度量高聚物链段运动的特征温度，在Tg以下，高聚物处于玻璃态，储能模量大；在Tg以上，非晶态高聚物进入橡胶态，E”和损耗因子在转变区达到最大值。 Tg是非晶态塑料的使用
6、温度上限，是橡胶的使用温度下限，测定Tg无论对橡胶和非晶塑料都具有重要意义。动态力学分析技术的应用动态力学分析技术的应用l评价材料的耐寒性和低温韧性 DMA图谱不仅提供了一种评价材料的耐寒性和冲击韧性的有效方法，而且试样制备简单，重现性好 评价塑料耐寒性的主要依据是测定塑料低温损耗峰的位置和强度。 评价橡胶耐寒性的依据主要是它的Tg的高低。l未知构科的初步分析 对未知材料进行一次DMA扫描：将所得到DMA曲线与已知材料的DMA曲线进行对照，便可初步确定待测材料的类型l表征高聚物材料阻尼特性的应用 在飞机、建筑等结构中为了吸震、防震或吸音、隔音都要用到阻尼材料。 阻尼材料要求材料具有高内耗，即要
7、求tg大理想的阻尼材料应该在整个工作温度范围内都有较大的内耗，即要求材料的tg-T：曲线变化平缓l评价材料耐环境能力 评价内容往往包括两方面：高聚物材料老化前后的性能变化；分沂造成性能变化的结构变化本质皮革涂饰剂的材料皮革涂饰剂的材料DMA评价试验评价试验l聚氨酯(polyurethane，PU)作为一种新兴的皮革涂饰材料，已经在制革整饰领域里应用开来，并越发受到人们的重视，特别是水性聚氨酯涂饰剂。l聚氨酯又称聚氨基甲酸酯，它是由二元或多元异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的高分子化合物的总称。PU所成薄膜柔软平滑，光泽宜人，并具有耐摩擦、耐曲折、耐老化、耐热、耐寒及抗溶剂等优良性能，是皮
8、革涂饰剂最理想的成膜物质之一。实验条件实验条件l聚氨酯材料：来源于巴斯夫公司的涂饰剂pfl形变模式：双悬臂弯曲l实验仪器：动态力学分析仪动态力学分析仪 型号型号 DMA242C（德国（德国Netzsch） 标识 : 日期/时间 : 实验室 : 操作者 : 项目 : 样品/形状 : 1 2010-7-7 10:05:06 413 t 1 pf/立方体 样品尺寸 : 变形模式 : 振幅 : DF/CSF : PF : 材料 : 32.000 x3.100 x0.490 mm 双悬臂 2x16 30.00 um 2.00 N / 0.00 N 0.00 pu 温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛
9、 : 流量 : 平滑 : -120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 0 校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 : 401dynamic_mass.mm2 401ESC.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX 仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : C:Documents and SettingsTG桌面pf-2.dm2-100-50050100温度 /200040006000800010000120001400
10、01600018000E /MPa0.00.10.20.30.40.50.60.70.8tg200400600800100012001400E /MPa主窗口 2010-10-19 16:24 用户: TG 1.000 Hz 5.000 Hz 20.000 Hz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 标识 : 日期/时间 : 实验室 : 操作者 : 项目 : 样品/形状 : 1 2010-7-7 10:05:06 413 t 1 pf/立方体 样品尺寸 : 变形模式 : 振幅 : DF/CSF : PF : 材料 : 32.000 x3.100 x0.490 mm 双悬臂 2x16 30.00
11、um 2.00 N / 0.00 N 0.00 pu 温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 : -120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 7 校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 : 401dynamic_mass.mm2 401ESC.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX 仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : C:Documents and SettingsTG桌面pf-2.dm2
12、-50050100150温度 /678910323456789104104E /MPa0.00.10.20.30.40.50.60.70.8tg20040060080010001200E /MPa主窗口 2010-10-19 15:50 用户: TG 起始点: -59 .1 峰值: -47 .0 , 0.217 峰值: -54 .9 , 1186 MPa 峰值: 136 .9 , 516.9 MPa 1 1 1 标识 : 日期/时间 : 实验室 : 操作者 : 项目 : 样品/形状 : 1 2010-7-7 10:05:06 413 t 1 pf/立方体 样品尺寸 : 变形模式 : 振幅 :
13、DF/CSF : PF : 材料 : 32.000 x3.100 x0.490 mm 双悬臂 2x16 30.00 um 2.00 N / 0.00 N 0.00 pu 温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 : -120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 7 校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 : 401dynamic_mass.mm2 401ESC.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX 仪器 :
14、 NETZSCH DMA 242 文件 : C:Documents and SettingsTG桌面pf-2.dm2-50050100150温度 /2510421104E /MPa0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50tg200400600800100012001400E /MPa主窗口 2010-10-19 15:52 用户: TG 峰值: -52 .1 , 1356 MPa 起始点: -56 .8 峰值: -43 .3 , 0.244 峰值: 139 .8 , 551.4 MPa 1 1 1 标识 : 日期/时间 : 实验室 : 操作者 : 项目
15、: 样品/形状 : 1 2010-7-7 10:05:06 413 t 1 pf/立方体 样品尺寸 : 变形模式 : 振幅 : DF/CSF : PF : 材料 : 32.000 x3.100 x0.490 mm 双悬臂 2x16 30.00 um 2.00 N / 0.00 N 0.00 pu 温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 : -120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 7 校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 : 401dynamic_mass.mm2 401ESC
16、.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX 仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : C:Documents and SettingsTG桌面pf-2.dm2-50050100150温度 /1032510425105105E /MPa0.050.100.150.200.250.30tg200400600800100012001400E /MPa主窗口 2010-10-19 15:54 用户: TG 起始点: -54 .3 峰值: -49 .6 , 1452 MPa 峰值: -40 .8 , 0.251 峰值: 143 .5 , 569.7 MPa 1 1 1
