다이나믹 기계 해석 (DMA)을 이용한 폴리머의 특성 분석

백지

Debra Dunson, Ph.D., EAG Laboratories

소개

폴리머는 두 가지 방법으로 운동 에너지에 반응합니다 : (1) 형상 회복에 중요한 탄성 응답과 기계 에너지를 분산시키고 파손을 방지하는 데 필요한 점성 응답 (2). 동적 기계 분석 (DMA) 적용된 기계력이 낮은 조건에서 점탄성 특성이라고하는 이러한 응답을 연구하는 데 사용됩니다.

고분자 점탄성은 온도와 시간에 따라 달라집니다. 제어 된 가열 및 냉각은 폴리머 강성 및 복원력에 대한 온도 영향을 연구하기 위해 DMA 기기에 통합되어 있습니다. 폴리머를 기계적으로 변형시키는 데 사용되는 테스트 속도 또는 시간 척도는 영구 ​​변형에 대한 저항에 대한 시간 (또는 주파수) 효과에 대한 연구를 가능하게합니다. 힘, 온도 및 시간의 세 가지 매개 변수를 전략적으로 사용하여 얻은 지식은 실제 응용에서 폴리머 성능을 예측하는 기초를 제공합니다. 폴리머 기계적 성질의시기 적절하고 효과적인 특성화에 대한 필요성에 답하는 몇 가지 주요 DMA 연구 분야는 다음과 같습니다.

  • 온도 (및 시간) 의존적 인 모듈러스 변화를 경질 / 경질에서 연질 / 고 무상으로 변화시키는 "점탄성 스펙트럼"매핑
  • 폴리머의 유리 전이 온도 (Tg) 결정
  • 주파수의 함수로 탄성 (또는 전단) 계수의 변화를 추적
  • "댐핑"거동의 특성화 : 내부 운동 (손실 계수, 탄젠트 델타)을 통한 기계 에너지 소산
  • 서로 다른 중합체의 기계적 성질 (품질, 고장 분석, 신소재 검증)
  • 고분자 블렌드 또는 공중 합체의 상분리 연구
  • 기계적 특성 및 Tg에 대한 물리적 노화, 가교 결합 또는 후 경화의 영향 결정
  • 무기 충전제 및 / 또는 가공 첨가제에 의해 부여 된 성능의 변화 평가
  • TTS (Time-Temperature Superpositioning) : 몇 가지 전략적 DMA 테스트를 사용하여 더 넓은 주파수 또는 시간 범위에서 폴리머 동작 예측
  • 크리프, 응력 완화 및 응력 - 변형률 특성을 평가하기위한 과도 측정

이 백서는이 기술이 어떻게 폴리머 기계적 성질에 대한 기본적인 평가가 필요한지를 보여주기 위해 기본적인 DMA 테스트와 폴리머 사례 연구에 대한 개요를 제공합니다.

동적 기계 분석 (DMA)의 기본

DMA는 고체 고분자 재료의 기계적 시험을위한 클램프 시스템을 사용합니다. 폴리머 테스트 샘플은 먼저 선택한 클램프 유형으로 작동 할 수있는 모양으로 트리밍, 절단 또는 성형되어야합니다. 폴리머 샘플의 클램프 선택은 특정 스터디 유형에 가장 적합한 유형의 기계식 모션을 제공하는 것에 기반합니다.

  • 장력 (신축성)
  • 압축 (푸시)
  • 굽힘 (굽힘)
  • 전단 (시료 표면에 평행 한 운동)

그림 1-4는 다양한 클램프 유형의 예를 보여줍니다.

DMA 클램프 유형

가장 적합한 클램프는 선호되는 기계적 운동 (예 : 스트레치, 벤드, 전단 등)뿐만 아니라 테스트 할 폴리머 유형에서도 작동해야합니다. 예를 들어, 필름 장력 클램프는 얇거나 (≤2 밀리미터) 유연하고 반 강체 필름에 적합합니다. 그러나, 필름이 두껍거나 매우 뻣뻣하다면, 굴곡 클램프의 대체는 일반적으로 등방성 폴리머 재료의 인장 특성에 대한 근사치를 제공합니다.

모든 DMA 클램프 구성에는 이동식 클램프와 샘플을 장착하는 데 사용되는 하나 이상의 고정형 클램프가 있습니다. 가동부는 힘을 가하고 샘플을 늘이거나, 구부리거나, 가위로 또는 압축시켜 변위시킵니다. 일부 클램프 유형은 클램프를 움직이기 전에 샘플에 초기 낮은 힘을 가해 야합니다. 이것은 샘플을 긴장 상태로 유지 시키거나 다이나믹 테스트를 통해 가동 클램프와 샘플 (압축, 3- 포인트 벤드) 사이의 접촉을 유지합니다.

A 변형률 제어 동적 시험 클램프 프로그래밍을 포함 :

  • 정현파주기 (진동)에서 일정한 지정된 거리만큼 샘플 이동 또는 "이동"
  • 발진은 지정된 주파수 또는 일련의 주파수에서 계속됩니다

힘이 클램프를 지정된 변위로 움직이면 응답의 진폭이 측정됩니다. 재료의 응력 및 변형률 응답은 샘플의 형상과 치수를 기반으로 각 사이클에 대해 계산됩니다.

In 힘으로 제어되는 동적 시험클램프 이동은 다음과 같이 프로그래밍됩니다.

  • 일정한 힘 또는 응력을 가하여 사인파주기 (진동)에서 샘플을 변위시킵니다.
  • 발진은 지정된 주파수 또는 일련의 주파수에서 계속됩니다

재료의 주기적 변위가 특정 힘에서 발생함에 따라 응답의 진폭이 측정됩니다. 재료의 응력 및 변형률 응답은 샘플의 형상과 치수를 기반으로 계산됩니다.

고분자를 포함한 점탄성 물질의 응력 및 변형률 값은 온도, 시간, 주파수 및 적용된 진동 진폭의 함수입니다. 이것은 동적 테스트와 정적 기계 테스트의 중요한 차이입니다. 동적 테스트에서 정현파 변위를 적용하면 재료의 정현파 탄성 응답이 발생합니다. 폴리머가 부서 지거나 떨어져 나올 때까지 폴리머를 적재하는 것은 목표가 아닙니다. DMA의 목표는 선형 점탄성 영역 (LVR)에서 재료의 탄성 및 점성 응답을 연구하는 것으로 구조를 파괴하지 않는 낮은 힘의 조건을 의미합니다.

DMA는 어떤 조건이 시료의 "원래"점탄성 거동을 변화시키는지를 결정하는데 사용되며, 원래 구조의 비가 역적 변형을 초래할 가능성이 있습니다. 온도 스윕 DMA 테스트는 온도 상승에 따라 모듈러스를 모니터링합니다. 열가소성 중합체가 가열됨에 따라 원래의 탄성이 손실되고 중합체가 유동화되어 비가 역적으로 변형되는 상 변이를 겪게됩니다.

이것은 유리 전이 온도 (Tg)로 알려져 있으며, DMA에서이 상태는 점성 반응이 우세한 부분입니다. 낮은 힘은 Tg가 점탄성 스펙트럼의 측정 가능한 부분임을 보장합니다. 왜냐하면 재료 내의 변형이 마이크로 미터 수준이기 때문입니다. 따라서, 측정 중에 재료가 클램프에 의해 당겨 지거나 뽑히지 않습니다.

그림 5. DMA 오실레이터 입력 및 응답을 나타내는 다이어그램

그림 5. DMA 오실레이터 입력 및 응답을 나타내는 다이어그램

그림 5은 샘플에 가설 정현 변형률 입력 (파란색 곡선)과 DMA 계측기로 측정 한 사인파 응력 응답 (적색 곡선)의 간단한 그림을 보여줍니다. 점선은 물질의 응력 응답이 점탄성 물질에 의해 나타나는 거동 인 변형률 입력과 위상이 맞지 않는다는 것을 보여줍니다. 그것이 위상차가있는 정도는 그리스 문자 델타 (δ)로 표시되는 "위상 각"으로 알려져 있습니다.

응력과 변형률의 관계는 위상 각에 따라 달라지며, 이는 폴리머 응답이 변형률 입력에 얼마나 뒤처져 있는지의 함수입니다. 이 관계는 적용된 테스트 조건에서 샘플 응답을 설명하는 3 가지 정량 속성을 생성하는 삼각 방정식을 유도하는 데 사용됩니다.

이들은 다음과 같습니다

  • E '= 저장 모듈러스
  • E "= 학습 장애
  • E "/ E '= TAN δ

샘플이 전단 모드에서 시험 될 때, 저장 및 손실 계수는 각각 G '및 G "로 표시된다. 그리고 탄 δ는 G "/ G '가된다.

저장 탄성률은 하중 사이클 동안 재료에 의해 저장된 기계 에너지에 해당합니다. 결과적으로, 저장 탄성률은 하중 동안 중합체의 강성 및 형태 회복과 관련된다. 손실 계수는 내부 분자 운동을 통해 기계 에너지를 분산시키는 중합체의 능력을 나타내는 감쇠 거동을 나타냅니다.

탄 델타는 상당한 결합 회전이나 분자간 마찰 및 흐름을 유발하는 열적 / 기계적 조건의 민감한 지표입니다.

고분자 재료의 DMA 사례 연구

전술 한 바와 같이, 동적 시험은 중합체 구조가 점탄성 특성을 측정하는 동안 파괴되지 않도록 보장하기 위해 낮은 힘을 이용한다. 결과적으로, 폴리머 샘플을 분석하는 첫 번째 단계는 재료의 선형 점탄성 영역 (LvR) 내에서 작용하는 힘 또는 진폭 범위를 결정하는 것입니다. LvR을 찾기 위해 진폭 스위프 (amplitude sweep)라는 테스트가 수행됩니다.이 테스트에서는 샘플이 일정한 온도에서 일정한 변형 또는 응력 진폭을 통해 진동합니다. 목표는 원하는 "선형 응답"에 해당하는 진폭 범위를 찾는 것입니다. 즉, 탄성 계수 측정은 변형률 (또는 응력) 진폭에 관계없이 동일합니다. 그림 6은 1 Hz (주파수) 및 25 ° C에서 진폭 스윕시 폴리머 시료에 대해 수집 된 데이터를 보여줍니다. 이 경우의 LvR은 30과 65 μm 사이입니다 (기울기 ≈ 0). 이 시편의 모듈러스 및 탄젠트 델타를 측정하기위한 시험을 설정할 때이 범위 내의 진폭 값을 선택해야합니다.

그림 6. 1 Hz 및 25 ° C에서 폴리머 시편에 대한 진폭 스윕 데이터

그림 6. 1 Hz 및 25 ° C에서 폴리머 시편에 대한 진폭 스윕 데이터

그림 7. 3 개의 상이한 중합체의 저장 탄성률 (E ')

그림 7. 3 개의 상이한 중합체의 저장 탄성률 (E ')

온도의 함수로서의 비 점착성 (VISCOELASTIC PROPERTIES)

DMA는 고분자의 점탄성이 열 환경의 함수로 어떻게 변화하는지 연구하는 민감한 기술입니다. 진동주기에 동일한 주파수가 사용되는 경우 동일한 열 조건에서 여러 재료간에 의미있는 비교가 가능합니다. 예를 들어, 그림 7은 3 ° C / 분의 가열 램프 속도와 1 Hz의 발진 주파수를 사용하여 얻은 3 가지 폴리머에 대한 저장 모듈러스 (E ') 곡선을 비교합니다. 저온에서 상대적으로 편평한 영역은 각각의 중합체의 유리 (강성) 상태에 상응한다. 폴리머 유리 전이 (Tg)는 곡선이 처음에 아래로 구부러지는 지점에서 시작됩니다. 이 점을 넘어서는 폴리스티렌 및 폴리 카보네이트 곡선은 상당한 연화 및 고무 흐름으로 인해 가파른 강하 (모듈러스의 급격한 감소)를 나타냅니다. 결정 구조를 함유하는 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET)는 Tg 발병 후 훨씬 더 점진적인 모듈러스 감소를 나타낸다. PET의 미결정은 물리적 가교로서 작용하여 재료를 강화시키고 Tg보다 높거나 높은 저장 탄성률을 부여합니다. 이 예제는 DMA가 폴리머의 모듈러스와 Tg를 비교하는 비교적 간단한 기술임을 보여줍니다.이 기술은 설계, 처리 및 적용을 지원할 수 있습니다.

그림 8. 두 가지 다른 중합체의 저장 탄성률 (E ') 및 탄 델타

그림 8. 두 가지 다른 중합체의 저장 탄성률 (E ') 및 탄 델타

DMA 저장 모듈러스 플롯은 주어진 폴리머의 Tg 개시 온도를 계산하는 데 사용될 수 있습니다. 이것은 E '커브에 접하는 두 선의 그래픽 교차를 사용하여 수행됩니다. 먼저, 전환 전에 커브의 선택된 부분을 따라 접선이 그려집니다. 그런 다음 두 번째 접선이 곡선의 변곡점에서 모듈러스 강하의 대략 중간 점까지 그려집니다. 두 가지 예가 그림 8에 나와 있습니다 (폴리 염화 비닐은 검은 선, 폴리 카보네이트는 녹색 곡선). 그러나 황갈색 델타 플롯에서 최고 피크를 사용하여 Tg를 계산하는 것이 일반적으로 바람직합니다 (그림 8 - 폴리 염화 비닐의 경우 빨간색 곡선, 폴리 카보네이트의 경우 파란색 곡선). 그 이유는 접선의 정확한 배치가 정점의 정점을 정확하게 정의하는 것과 비교할 때 불확실성이 더 커지기 때문입니다.

그림 9. 폴리스 카보네이트 (PC) 및 가교 폴리스티렌 (PS)의 손실 계수 (E ") 및 탄 델타 (Tan Delta)

그림 9. 폴리스 카보네이트 (PC) 및 가교 폴리스티렌 (PS)의 손실 계수 (E ") 및 탄 델타 (Tan Delta)

특정 중합체에 대한 E 'tangent 및 tan delta 방법에 의해 계산 된 Tg 온도는 동일하지 않습니다. 이것은 폴리머 유리 전이가 단일 온도가 아닌 온도 범위에서 발생한다는 사실을 강조합니다. 특정 폴리머에 대한 설계 및 공정 파라미터를 설정할 때 분절 분자 운동이 시작되는 온도를 아는 것이 중요합니다. DMA 손실 계수 E "는 중합체 물질의 점성 특성의 척도이기 때문에이 점에서 매우 유용하다. E "의 피크 최대 값은 중합체 사슬의 중요한 분절 운동의 시작에 해당한다. 따라서, 기계적 에너지 입력은 댐핑이라고 불리는 현상을 특징으로하는 체인 운동에 의한 내부 마찰에 의해 열로 분산됩니다. 이에 비해, Tg에 대한 문헌에서 일반적으로보고되는 tan delta 피크는 분자 구조에 따라 고무 흐름, 영구 변형 또는 둘 모두와 일치하는 장거리 협동 분자 운동을 가장 잘 나타냅니다. 그림 9은 폴리스티렌과 폴리 카보네이트의 두 가지 폴리머의 손실 계수 (E ")와 탄젠트 델타를 비교하는 플롯 오버레이를 보여줍니다.

그림 10. 불량 및 양호한 엘라스토머 재료의 손실 계수 (E ")

그림 10. 불량 및 양호한 엘라스토머 재료의 손실 계수 (E ")

손실 계수 (E ")는 분자 적 차이에 대한 민감한 지표이며, 실패 조사에서 매우 유용함이 입증되었습니다. 그림 10의 플롯은 실패한 엘라스토머의 E "곡선과 동일한 재질의 두 개의 컨트롤의 오버레이를 보여줍니다. 이 경우, 중합체 2은 의료 기기에서 기계적 결함을 일으킨 것으로 의심되었습니다. 폴리머 1과 3는 디자인 사양을 충족시키고 현장 테스트를 통과 한 "양호한"컨트롤을 나타냅니다. 중합체 2의 E "피크 극대값은 대조군에 비해 유의하게 낮았다 (-43 ℃). 이 피크는 Polymer 2에서도 더 넓습니다. 결과적으로, 중합체 2는 Tg가 시작될 때 운동에 대한 저항성이 더 적 었으며, 이는보다 느슨한 내부 구조 및 / 또는 더 큰 회전 자유를 유도하는 가소제의 존재를 강력하게 제안했습니다. 이 높은 "점성"응답은 폴리머 2의 분자 구조가 기계적 응력이 적용된 후 모양을 복구하는 데 필요한 특성 인 폴리머 1 및 3의 복원력이 부족하다는 강력한 지표였습니다.

진동의 특성으로서의 비 점화 성질

위의 사례 연구는 DMA로 측정 한 물성치에 온도가 미치는 영향을 보여주었습니다. 추가 고려 사항은 테스트 중에 적용된 사인 웨이브 사이클의 주파수를 변경하는 효과입니다. 중합체 사슬의 운동 속도는 열적 환경에 의존 할뿐만 아니라 하중의 빈도에 영향을받습니다. 진폭 상수를 유지하고 적용된 변형의 빈도를 증가 시키면 고온에서 분자 완화 (예 : E "및 tanδ 피크 최대)가 관찰됩니다. 이 정보는 기계식 벨트 구동 시스템과 같이 여러 주파수 및 작동 온도에 노출되는 것이 일반적 인 경우에 사용되는 재료에 중요합니다.

그림 11. 4 가지 주파수에서 테스트 한 PET 필름의 DMA 곡선 오버레이

그림 11. 4 가지 주파수에서 테스트 한 PET 필름의 DMA 곡선 오버레이

그림 11은 배향 된 PET 필름의 저장 탄성률 (E ')과 탄젠트 델타의 주파수 의존성을 보여줍니다. Tg는 각 주파수 (0.1, 1, 5 및 10 Hz)에서의 탄젠트 델타 피크 최대 값으로부터 계산되었습니다. 10 Hz 및 0.1 Hz에서 측정 한 Tg의 차이는 12 ° C였다.

DMA의 또 다른 특징은 TTS (Time-Temperature Superposition)라는 응용 프로그램입니다. 이 기술은 일반적으로 시험실에서 편리하게 측정 할 수있는 것보다 긴 시간 또는 주파수 범위에서 점탄성 거동을 예측하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 온도의 단계적 증가 조건 하에서 주파수 스윕에서 8 개의 다른 주파수에서 측정 된 PET 필름의 저장 탄성률을 고려하십시오. 결과 데이터 (그림 12에 표시)는 테스트 한계를 초과하는 주파수에서 스토리지 모듈러스를 예측하기위한 마스터 커브를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 이렇게하기 위해서는 일련의 각 주파수 (예 : 95, 20, 10, 5, 2, 1)에 대해이 온도에서 데이터 (예 : 0.5 ° C)와 저장 모듈러스 , 0.2, 0.1 Hz)는 E '대 주파수의 "참조 데이터 세트"로 구성됩니다. 그런 다음 TTS 수학 처리를 사용하여 나머지 데이터 세트를 참조 데이터에 중첩하여 (이론적 인) 저장 모듈 대 주파수의 마스터 곡선을 구성합니다. 그림 13는 마스터 곡선 (파란색)과 전환되지 않은 데이터 (빨간색)를 보여 주며, PET 사례 연구에서 얻은 결과를 보여주기 위해 오버레이됩니다. 그림에서 알 수 있듯이 마스터 커브는 PET 저장 모듈을 실험에 사용 된 것보다 훨씬 넓은 주파수 범위로 투영합니다.

저장 탄성률 (E ') 대 온도의 단계적 증가를위한 주파수 (범위 34.9 - 159 ° C)

그림 12. 저장 탄성률 (E ') 대 온도의 단계적 증가를위한 주파수 (범위 34.9 - 159 ° C)

TTS 저장 모듈 (E ')의 마스터 커브와 "Unshifted"커브로 오버레이 된 주파수 (빨강)

그림 13. TTS 저장 모듈 (E ')의 마스터 커브와 "Unshifted"커브로 오버레이 된 주파수 (빨강)

TTS에 대한 앞의 논의가 매우 단순 해졌음에도 불구하고이 기술을 관리하는 기본 원칙은 다음과 같은 내용으로 요약됩니다.

  • 점탄성 중합체는 시간 (주파수)과 온도 사이에 특별한 관계가 있습니다. 중합체는 열 환경의 함수로서 긴장되거나 딱딱해진다. 그들은 또한 시간의 함수로서 긴장을 풀거나 뻣뻣 해집니다.
  • TTS는이 시간 온도 "등가성"을 활용합니다. 점탄성은 고온에서 장기간 (저주파)과 동일한 방식으로 변하고, 특성은 단시간 (고주파)과 같이 저온에서 동일한 방식으로 변합니다.

과도기적 실험 : DMA에 의한 크리프 및 스트레스 완화 시험

대부분의 표준 DMA 장비는 표본에 하중을 적용하고 지정된 시간 동안 응답을 모니터링하는 것과 관련된 일시적인 실험을 수행 할 수 있도록 갖추고 있습니다. 폴리머의 점탄성 응답을 연구하기 위해 두 가지 유형의 일시적인 테스트가 사용됩니다.

  • 크립 테스트 : 폴리머 시편에 고정 하중을 가하고 크기의 변화를 시간의 함수로 모니터링합니다.
  • 스트레스 완화 테스트 : 폴리머 시편이 일정량만큼 변형되도록로드되고 그 변형을 유지하기위한 하중의 변화가 시간의 함수로서 모니터링된다.

크립 및 복구 곡선을 보여주는 DMA 크립 테스트 그래프

그림 14. 크립 및 복구 곡선을 보여주는 DMA 크립 테스트 그래프

크리프 테스트는 적용된 하중을 신속하고 완전하게 제거한 후 복구 할 수 있고 복구 할 수없는 변형량을 측정하는 데 유용합니다. 회복 가능한 변형률은 폴리머의 탄성과 실험의 시간 척도 (열 환경)에 따라 달라집니다. 등온 조건 하에서, 점탄성 응답의 시간 의존성은 물질이 정상 상태에 도달 할 때까지 하중을 가하는 것이고,이어서 하중이 순간적으로 방출되고 샘플이 안정된 상태에 도달하기에 충분한 회복 시간을 허용하는 것이 최선임을 의미합니다. 그림 14는 고분자 물질의 크리프 (creep) 및 회복 거동을 시간의 함수로 나타낸 그래프입니다. 재료에 대한 순간 하중의 활성화는 시간 ~ 0에서 곡선의 급격한 선형 부분으로 표시됩니다. 로드시 크립이 5 분 (보라색 커브 - 크립 영역)에 걸쳐 표시됩니다. 후속 적으로 하중이 풀린 후 재료의 변형률은 9 분 (빨간색 곡선 - 복원 영역) 동안 회복됩니다. 도시 된 바와 같이, 중합체 회수는 실험이 끝날 때까지 거의 정상 상태에 도달했다. 이상적으로, 복구 기간은 경사가 0이 될 때까지 연장되어야하며, 이는 재료의 최대 복구 가능 및 복구 불가능한 변형을 비교할 수있게합니다.

등온 조건 하에서, 점탄성 물질에 일정한 변형을 가하면 분자 완화로 인해 기계적 탄력성이 점차적으로 상실됩니다. 따라서 고정 된 수준에서 변형을 유지하려면 시간이 지남에 따라 점진적으로 낮은 힘이 필요합니다. 이 속성을 응력 완화라고합니다. 변형 (치수 변화)이 모니터되는 크리프와 달리 응력 완화 테스트는 일정한 변형에서 응력 감소를 추적합니다. 응력 완화는 플라스틱 압축 끼워 맞춤 조임쇠 및 고무 플랜지 개스킷과 같은 기계적 조인트 또는 씰을 형성하기 위해 고분자 부품을 사용할 때 중요합니다. 이러한 적용에서, 연결에 의해 유도 된 응력이 피팅의 풀림을 초래하지 않는 것이 중요합니다. 응력 완화 실험은 재료 개발 및 기계 설계에 필수적인 시간의 함수로서 기계적 특성의 손실을 예측하도록 설계되었습니다.

스트레스와 스트레인 대 시간을 보여주는 DMA 스트레스 완화 그래프

그림 15. 스트레스와 스트레인 대 시간을 보여주는 DMA 스트레스 완화 그래프

고분자의 응력 완화는 온도와 변형의 정도 (변형률) 및 시험 시간에 따라 달라집니다. 그림 15은 1 ° C에서 캔틸레버 벤딩 모드에서 25 % 변형을받은 폴리 프로필렌 샘플의 응력 완화 곡선을 보여줍니다. 굴곡 탄성률은 또한 시간에 따른 재료 강성의 감소를 보여주는 데이터 (그림 16에서 플롯 된)로부터 계산되었습니다. 그 플롯은 폴리 프로필렌의 굴곡 탄성률이 110 % 변형 하에서 약 22 분 이상으로 1MPa만큼 감소되었음을 보여준다.

크립 (creep) 및 응력 완화 특성은 재료 및 엔지니어링 설계에 중요합니다. 이는 폴리머 분자 구조 및 관련 화학 성분과 관련되기 때문입니다. 기계적 성능 및 디자인에 영향을 미치는 중합체 제형의 화학적 측면은 다음과 같습니다.

  • 중합체 분자량 (분포)
  • 무기 필러
  • 가소제 / 슬립 제
  • 가교 결합 (정도 및 유형)
  • 결정 성
  • 오리엔테이션 / 정렬
  • 분자 상호 작용
  • 체인 경도 (단일 대 이중 결합, 지방족 대 방향족)
  • 중합체 사슬의 펜던트 기 / 분지 화
  • 소분자 (예 : 수분 또는 잔여 단량체)와의 상호 작용
  • 불순물, 결함, 내포물
  • 화학적 및 물리적 노화 (예 : 산화 또는 분해)

굴곡 탄성률의 감소를 보여주는 DMA 응력 완화 그래프

그림 16. 굴곡 탄성률의 감소를 보여주는 DMA 응력 완화 그래프

새로운 폴리머 디바이스 및 재료의 설계에서 빠른 처리가 요구됨에 따라 기계적 특성을 포함하는 관련 실험실 테스트가 신속하게 완료되어야합니다. 결과적으로 많은 다른 온도 및 시간 조건을 사용하여 폴리머 A에 대해 여러 번의 크리프 실험을 수행하는 것이 현실적이지 않습니다. 여러 온도 / 시간 실험에서 폴리머 A를 유리 섬유로 변형 된 폴리머 A와 비교하는 것은 확실히 불가능합니다. 다행히 TTS는 몇 가지 전략적 실험을 사용하여 장기 행동을 예측하기위한 일시적인 실험에 적용 할 수 있습니다. 분자 완화 및 재구성은 저온에서 점차적 인 프로세스이지만 고온에서는 속도가 크게 향상됩니다. 따라서 상대적으로 단기간의 실험을 고온에서 수행 할 수 있으며, 그 후 TTS를 적용하여 실험 곡선을 시간 축을 따라 이동시킨다. 결과로 얻은 마스터 곡선은 데이터를 추정하여 실험적으로 측정 할 수 없었던 더 긴 기간의 점탄성 응답을 예측합니다.

TTS 데이터 조작의 예는 회전 레오 메타가 장착 된 기계 분석기를 사용하여 낮은 전단 응력 하에서 얻은 데이터에 기초한 다음 페이지에 나와 있습니다. 장비가 고체 물질에서 선형 모드로 작동하는 DMA와 동일하지는 않지만, 데이터 이동 프로세스는 레오 메타 및 DMA 크립 실험에 대해 정확히 동일한 방식으로 수행됩니다.

예제 크리프 결과는 다섯 가지 다른 온도 (10, 600, 110, 120 및 140 ° C)에서 160 분 (180 초) 동안 적용된 전단 응력을 사용하여 폴리스티렌에 대해 획득되었습니다. 그림 17는 다섯 번의 실험에 대한 데이터의 오버레이를 보여줍니다. creep compliance [J (t)] 대 시간. 크리프 컴플라이언스는 m2 / N의 단위를 가지며 J (t) = 변형률 / (전단 응력)으로 정의됩니다. 140 ° C에서 크리프 컴플라이언스를 기준 곡선으로 선택하고 나머지 4 개의 곡선을 기준 곡선의 왼쪽과 오른쪽으로 이동하는 데 TTS를 사용했습니다. 마스터 곡선은 그림 18에 나타나 있으며 크리프 컴플라이언스 [J (t)] 대 로그 로그 플롯입니다. 로그 시간 축의 배율은 초입니다. 마스터 커브는 시간 축을 105 초까지 확장하는 예측 준수 데이터를 보여줍니다. 이를 통해 선택한 기준 온도 (이 예에서는 140 ° C)에서 장기 크리프 거동을 예측할 수 있습니다. 시간 절약 기능은 테스트에 사용 된 범위에서 다른 온도를 선택하고 새로운 온도 선택을위한 예측 마스터 커브를 생성하는 기능입니다. 이것은 TTS가 점탄성 속성을 더 긴 시간 규모로 투영하면서 시간과 자원을 절약 할 수있는 방법을 보여줍니다.

크리프 컴플라이언스 곡선의 오버레이 : 5 가지 온도의 폴리스티렌

그림 17. Creep 준수 곡선의 오버레이 : Five Temperatur의 폴리스티렌es

폴리스티렌 크립 곡선에서 생성 된 TTS 마스터 곡선

그림 18. 폴리스티렌 크립 곡선에서 생성 된 TTS 마스터 커브

결론

위의 경우는 DMA의 기능에 대한 개요와이 도구로 고분자 재료의 점탄성 특성을 신속하게 특성화하는 방법을 보여줍니다. DMA는 종종 특성 비교를위한 열 분석 기법 중 가장 민감한 것으로 판명되며 종종 고장 분석을위한 최고의 열 분석 도구로 사용됩니다. 폴리머 요구 사항에 대한 DMA 사용에 대한 자세한 내용은 EAG Laboratories에 문의하십시오.

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