Nota applicativa | DMA con nanoindentazione
Analisi dinamico-meccanica di tappi in sughero mediante nanoindentazione
Confronto di rigidità e risposta elastica e viscosa di tappi da vino naturali e sintetici
Ricerca e prove sperimentali
Frank Liu
Progetto grafico e redazione
Andrew Shore
Introduzione
L'analisi dinamico-meccanica (DMA) è una tecnica efficace per studiare le proprietà meccaniche dei materiali. In questa applicazione ci concentriamo sul sughero, materiale molto usato nella chiusura e nell'affinamento del vino.
Il sughero, ricavato dalla corteccia della quercia da sughero Quercus suber, presenta strutture cellulari particolari che gli conferiscono proprietà meccaniche simili a quelle dei polimeri sintetici. Lungo un asse il sughero ha una struttura a nido d'ape. Gli altri due assi sono strutturati in numerosi prismi quasi rettangolari. Per questo il sughero ha proprietà meccaniche diverse a seconda dell'orientamento provato.
Perché la DMA è importante per la qualità dei tappi in sughero
La qualità dei tappi dipende molto dalle loro proprietà meccaniche e fisiche, decisive per l'efficacia nella chiusura del vino. I fattori chiave della qualità sono flessibilità, isolamento, resilienza e impermeabilità a gas e liquidi. Con l'analisi dinamico-meccanica (DMA) possiamo valutare quantitativamente la flessibilità e la resilienza dei tappi, ottenendo un metodo di valutazione affidabile.
Il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità nanoindentazione consente di caratterizzare queste proprietà, in particolare modulo di Young, modulo di conservazione, modulo di perdita e tan delta (tan (δ)). La DMA fornisce anche preziosi dati su sfasamento, durezza, sollecitazione e deformazione del sughero. Queste analisi complete permettono di comprendere meglio il comportamento meccanico dei tappi e la loro idoneità alla chiusura del vino.
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Obiettivo della misura
In questo studio eseguiamo un'analisi dinamico-meccanica (DMA) su quattro tappi in sughero con il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità nanoindentazione. Le qualità dei tappi sono indicate come: 1 – Flor, 2 – First, 3 – Colmated, 4 – gomma sintetica.
Per ogni tappo sono state eseguite indentazioni DMA in direzione assiale e radiale. Analizzando la risposta meccanica dei tappi, volevamo comprenderne il comportamento dinamico e valutarne le prestazioni nei diversi orientamenti.
NANOVEA PB1000 Large Platform
Tester meccanico
Parametri di prova
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Forza massima | 75 mN |
| Velocità di carico | 150 mN/min |
| Velocità di scarico | 150 mN/min |
| Ampiezza | 5 mN |
| Frequenza | 1 Hz |
| Creep | 60 s |
| Tipo di indentatore | Sfera |
| Materiale dell'indentatore | Acciaio 51200 |
| Diametro dell'indentatore | 3 mm |
Parametri della prova DMA con nanoindentazione sui tappi in sughero.
Risultati
Nelle tabelle e nei grafici seguenti si confrontano modulo di Young, modulo di conservazione, modulo di perdita e tan delta per ogni campione e orientamento.
- Modulo di Young: rigidità; valori alti indicano un materiale rigido, valori bassi uno flessibile.
- Modulo di conservazione: risposta elastica; energia immagazzinata nel materiale.
- Modulo di perdita: risposta viscosa; energia dissipata come calore.
- Tan (δ): smorzamento; valori alti indicano uno smorzamento maggiore.
| Orientamento assiale | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tappo n. | Modulo di Young (MPa) | Modulo di conservazione (MPa) | Modulo di perdita (MPa) | Tan (δ) |
| 1 | 22.5675 | 22.27209 | 3.624947 | 0.162964 |
| 2 | 18.54664 | 18.27153 | 3.162349 | 0.17409 |
| 3 | 23.75381 | 23.47267 | 3.617819 | 0.154592 |
| 4 | 23.6972 | 23.58064 | 2.347008 | 0.099539 |
Tabella 1: risultati DMA dei quattro tappi in orientamento assiale.
| Orientamento radiale | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tappo n. | Modulo di Young (MPa) | Modulo di conservazione (MPa) | Modulo di perdita (MPa) | Tan (δ) |
| 1 | 24.78863 | 24.56542 | 3.308224 | 0.134865 |
| 2 | 26.66614 | 26.31739 | 4.286216 | 0.163006 |
| 3 | 44.07867 | 43.61426 | 6.365979 | 0.146033 |
| 4 | 28.04751 | 27.94148 | 2.435978 | 0.087173 |
Tabella 2: risultati DMA dei quattro tappi in orientamento radiale.
Tra i diversi tappi, il modulo di Young non varia molto in orientamento assiale. Solo i tappi n. 2 e n. 3 hanno mostrato una differenza evidente del modulo di Young tra direzione radiale e assiale. Di conseguenza, anche i moduli di conservazione e di perdita sono più alti in direzione radiale che in direzione assiale.
Il tappo n. 4 mostra caratteristiche simili ai tappi in sughero naturale, tranne nel modulo di perdita. È piuttosto interessante, perché significa che i sugheri naturali hanno un comportamento più viscoso della gomma sintetica.
Conclusioni
In questo studio è stata eseguita un'analisi dinamico-meccanica su quattro tappi, tre in sughero naturale (Flor, First, Colmated) e uno in gomma sintetica, con il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità nanoindentazione, in direzione assiale e radiale.
Tra i diversi tappi il modulo di Young variava poco in orientamento assiale, mentre i tappi n. 2 e n. 3 mostravano una differenza evidente tra direzione radiale e assiale. Il tappo in gomma sintetica ha mostrato caratteristiche simili ai tappi naturali tranne nel modulo di perdita: i sugheri naturali hanno quindi un comportamento più viscoso della gomma sintetica.
La DMA valuta quantitativamente la flessibilità e la resilienza dei tappi, fattori chiave per la loro efficacia nella chiusura del vino, e fornisce anche dati su sfasamento, durezza, sollecitazione e deformazione.
Domande frequenti sull'analisi dinamico-meccanica del sughero
Che cos'è l'analisi dinamico-meccanica (DMA) con nanoindentazione?
La DMA con nanoindentazione sovrappone una piccola forza oscillante al carico di indentazione e misura la risposta del materiale. La risposta separa la parte elastica, il modulo di conservazione, da quella viscosa, il modulo di perdita; il loro rapporto è tan δ. In questo studio una sfera d'acciaio da 3 mm ha applicato fino a 75 mN con un'ampiezza di 5 mN a 1 Hz.
Perché l'orientamento del sughero conta nelle prove meccaniche?
Il sughero ha una struttura a nido d'ape lungo un asse, mentre gli altri due assi sono strutturati in numerosi prismi quasi rettangolari. Ciò gli conferisce proprietà meccaniche diverse a seconda dell'orientamento provato, quindi ogni tappo è stato provato in direzione assiale e radiale.
Che cosa dicono modulo di conservazione, modulo di perdita e tan δ di un tappo?
Il modulo di conservazione è la risposta elastica, l'energia immagazzinata nel materiale. Il modulo di perdita è la risposta viscosa, l'energia dissipata come calore. Tan δ descrive lo smorzamento: valori più alti indicano maggiore smorzamento. Il modulo di Young descrive la rigidità: valori alti indicano un materiale rigido, valori bassi uno flessibile.
Come si confronta il sughero naturale con un tappo in gomma sintetica?
Il tappo in gomma sintetica (n. 4) ha mostrato caratteristiche simili ai tappi in sughero naturale, tranne nel modulo di perdita, il più basso dei quattro in entrambi gli orientamenti (2,347008 MPa assiale, 2,435978 MPa radiale). I sugheri naturali hanno quindi un comportamento più viscoso della gomma sintetica.
Quali proprietà del sughero contano per la chiusura del vino?
I fattori chiave della qualità di un tappo sono flessibilità, isolamento, resilienza e impermeabilità a gas e liquidi. La DMA valuta quantitativamente la flessibilità e la resilienza dei tappi, offrendo un metodo affidabile per valutarli.
Quale strumento NANOVEA è stato usato per la DMA del sughero?
Il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità nanoindentazione. Oltre a modulo di Young, modulo di conservazione, modulo di perdita e tan δ, la DMA sul PB1000 fornisce anche dati su sfasamento, durezza, sollecitazione e deformazione.
