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Analisi meccanica dinamica (DMA) Sweep di frequenza su polimero
SWEEP DI FREQUENZA DMA
SUL POLIMERO UTILIZZANDO LA NANOINDENTAZIONE
Preparato da
Duanjie Li, PhD
INTRODUZIONE
IMPORTANZA DELL'ANALISI MECCANICA DINAMICA TEST DI FREQUENZA
La frequenza variabile dello stress porta spesso a variazioni nel modulo complesso, che è una proprietà meccanica critica dei polimeri. Ad esempio, i pneumatici sono soggetti a elevate deformazioni cicliche quando i veicoli circolano su strada. La frequenza della pressione e della deformazione cambia man mano che l'auto accelera a velocità più elevate. Un tale cambiamento può comportare una variazione delle proprietà viscoelastiche del pneumatico, che sono fattori importanti per le prestazioni dell'auto. È necessario un test affidabile e ripetibile del comportamento viscoelastico dei polimeri a diverse frequenze. Il modulo Nano della NANOVEA Collaudatore meccanico genera un carico sinusoidale mediante un attuatore piezoelettrico ad alta precisione e misura direttamente l'evoluzione della forza e dello spostamento utilizzando cella di carico e condensatore ultrasensibili. La combinazione di facilità di configurazione ed elevata precisione lo rende uno strumento ideale per la scansione della frequenza dell'analisi meccanica dinamica.
I materiali viscoelastici presentano caratteristiche sia viscose che elastiche quando subiscono una deformazione. Le lunghe catene molecolari nei materiali polimerici contribuiscono alle loro proprietà viscoelastiche uniche, ovvero una combinazione delle caratteristiche dei solidi elastici e dei fluidi newtoniani. Le sollecitazioni, la temperatura, la frequenza e altri fattori giocano un ruolo importante nelle proprietà viscoelastiche. L'analisi meccanica dinamica, nota anche come DMA, studia il comportamento viscoelastico e il modulo complesso del materiale applicando una sollecitazione sinusoidale e misurando la variazione della deformazione.
OBIETTIVO DI MISURAZIONE
In questa applicazione, studiamo le proprietà viscoelastiche di un campione di pneumatico lucidato a diverse frequenze DMA utilizzando il tester meccanico più potente, NANOVEA PB1000, in Nanoindentazione modalità.
NANOVEA
PB1000
CONDIZIONI DI PROVA
FREQUENZE (Hz):
0.1, 1.5, 10, 20
TEMPO DI SCORRIMENTO A CIASCUNA FREQUENZA.
50 sec
TENSIONE DI OSCILLAZIONE
0.1 V
TENSIONE DI CARICO
1 V
tipo di penetratore
Sferico
Diamante | 100 μm
RISULTATI E DISCUSSIONE
Lo sweep di frequenza dell'analisi meccanica dinamica al carico massimo consente di misurare in modo rapido e semplice le caratteristiche viscoelastiche del campione a diverse frequenze di carico in un unico test. Lo spostamento di fase e le ampiezze delle onde di carico e di spostamento a diverse frequenze possono essere utilizzati per calcolare una serie di proprietà viscoelastiche fondamentali del materiale, tra cui Modulo di stoccaggio, Modulo di perdita e Abbronzatura (δ) come riassunto nei grafici seguenti.
Le frequenze di 1, 5, 10 e 20 Hz in questo studio corrispondono a velocità di circa 7, 33, 67 e 134 km all'ora. All'aumentare della frequenza di prova da 0,1 a 20 Hz, si può osservare che sia il modulo di accumulo che il modulo di perdita aumentano progressivamente. Tan (δ) diminuisce da ~0,27 a 0,18 con l'aumento della frequenza da 0,1 a 1 Hz, per poi aumentare gradualmente fino a ~0,55 quando si raggiunge la frequenza di 20 Hz. Lo sweep di frequenza del DMA consente di misurare l'andamento del modulo di accumulo, del modulo di perdita e del Tan (δ), che forniscono informazioni sul movimento dei monomeri e sulla reticolazione, nonché sulla transizione vetrosa dei polimeri. Aumentando la temperatura con una piastra riscaldante durante lo sweep di frequenza, è possibile ottenere un quadro più completo della natura del movimento molecolare in diverse condizioni di test.
EVOLUZIONE DEL CARICO E DELLA PROFONDITÀ
DELL'INTERO SWEEP DI FREQUENZA DMA
CARICO E PROFONDITÀ vs. TEMPO A DIVERSE FREQUENZE
MODULO DI ACCUMULO
A DIVERSE FREQUENZE
MODULO DI PERDITA
A DIVERSE FREQUENZE
TAN (δ)
A DIVERSE FREQUENZE
CONCLUSIONE
In questo studio, abbiamo dimostrato la capacità del tester meccanico NANOVEA di eseguire il test di analisi meccanica dinamica (frequency sweep) su un campione di pneumatico. Questo test misura le proprietà viscoelastiche del pneumatico a diverse frequenze di sollecitazione. Il pneumatico mostra un aumento del modulo di accumulo e di perdita all'aumentare della frequenza di carico da 0,1 a 20 Hz. Il test fornisce informazioni utili sul comportamento viscoelastico del pneumatico a diverse velocità, essenziali per migliorare le prestazioni dei pneumatici e ottenere una guida più fluida e sicura. Il test DMA frequency sweep può essere eseguito a varie temperature per simulare l'ambiente di lavoro realistico del pneumatico in condizioni climatiche diverse.
Nel modulo Nano del tester meccanico NANOVEA, l'applicazione del carico con il piezo veloce è indipendente dalla misurazione del carico effettuata da un estensimetro separato ad alta sensibilità. Ciò offre un netto vantaggio durante l'analisi meccanica dinamica, poiché la fase tra profondità e carico viene misurata direttamente dai dati raccolti dal sensore. Il calcolo della fase è diretto e non richiede una modellazione matematica che aggiunge imprecisione alla perdita risultante e al modulo di accumulo. Questo non è il caso di un sistema a bobina.
In conclusione, la DMA misura il modulo di perdita e di accumulo, il modulo complesso e il Tan (δ) in funzione della profondità di contatto, del tempo e della frequenza. Lo stadio di riscaldamento opzionale consente di determinare la temperatura di transizione di fase dei materiali durante il DMA. I tester meccanici NANOVEA offrono moduli Nano e Micro multifunzione ineguagliabili su un'unica piattaforma. Entrambi i moduli Nano e Micro includono le modalità scratch tester, hardness tester e wear tester, offrendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili su un singolo modulo.
