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ナノインデンテーションを用いたコルクの動的力学的解析

動的機械解析

ナノインデンテーションによるコルクの

作成者

フランク・リウ(FRANK LIU

はじめに

Dynamic Mechanical Analysis (DMA)は、材料の機械的特性を調べるために使用される強力な技術です。このアプリケーションでは、ワインの封印や熟成工程で広く使われているコルクの分析に焦点を当てます。コルクは、ミズナラの樹皮から得られるもので、合成ポリマーに似た機械的特性を持つ明確な細胞構造を示しています。コルクは、1つの軸でハニカム構造になっています。一方、他の2軸は長方形のような複数のプリズム構造になっています。このため、コルクの機械的性質は、試験する方向によって異なる。

コルクの力学的特性評価における動的力学解析(DMA)試験の重要性

コルクの品質は、その機械的・物理的特性に大きく依存し、ワインの密閉性を高める上で極めて重要である。コルクの品質を決定する重要な要素には、柔軟性、断熱性、弾力性、気体や液体に対する不透過性などがあります。動的機械分析(DMA)試験を活用することで、コルクの柔軟性と弾力性を定量的に評価することができ、信頼性の高い評価方法を提供します。

のメカニカルテスター「NANOVEA PB1000」。 ナノインデンテーション モードでは、これらの特性、特にヤング率、貯蔵弾性率、損失弾性率、タンデルタ(tan (δ))の特性評価を行うことができます。また、DMAテストでは、コルク素材の位相シフト、硬度、応力、歪みに関する貴重なデータを収集することができます。これらの包括的な分析を通じて、コルクの機械的挙動とワインシーリング用途への適性について、より深い洞察を得ることができます。

測定目的

本研究では、NANOVEA PB1000メカニカルテスターのナノインデンテーション・モードを使用して、4つのコルク栓の動的機械分析(DMA)を実施します。コルク栓の品質には次のようなラベルが付けられている:1 - Flor、2 - First、3 - Colmated、4 - Synthetic Rubber。DMA圧痕試験は、各コルク栓の軸方向と半径方向の両方で実施しました。コルク栓の機械的応答を分析することで、その動的挙動を理解し、さまざまな方向での性能を評価することを目的とした。

ナノビア

PB1000

テストパラメーター

マックスフォース75 mN
荷重レート150 mN/min
アンローディングレート150 mN/min
アンプリチュード5 mN
FREQUENCY1 Hz
クリープ60 s

圧子型

ボール

51200スチール

直径3mm

結果

以下の表とグラフでは、各サンプルと配向の間で、ヤング率、貯蔵弾性率、損失弾性率、タンデルタを比較しています。

ヤング率です: stiffness;高い値はstiff、低い値はflexplexibleを示す。

貯蔵弾性率です: 弾性応答;材料に蓄えられたエネルギー。

損失弾性率です: 粘性反応;熱により失われるエネルギー。

タン(δ)です: ダンピング。値が高いほどダンピングが効いていることを示す。

じくせい

ストッパーヤング率貯蔵弾性率ロス・モジューラスタン
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



ラジアル方向

ストッパーヤング率貯蔵弾性率ロス・モジューラスタン
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

ヤング率

貯蔵弾性率

ロス・モジューラス

TAN DELTA

コルク栓同士では、軸方向で試験した場合、ヤング率に大きな差はない。ストッパー#2と#3のみ、半径方向と軸方向で明らかにヤング率に差があることがわかります。その結果、貯蔵弾性率や損失弾性率も、軸方向よりも径方向の方が高くなる。ストッパー#4は、損失弾性率を除いて、天然コルクストッパーと同様の特性を示しています。これは、天然コルクが合成ゴム素材よりも粘性の高い特性を持つことを意味するので、非常に興味深いことである。

まとめ

ナノベア メカニカルテスター Nano Scratch Tester モードでは、ペイント コーティングやハード コートの実際の多くの欠陥をシミュレーションできます。制御され綿密に監視された方法で増加する負荷を適用することにより、機器はどの負荷障害が発生したかを特定することができます。これは、耐傷性の定量的な値を決定する方法として使用できます。試験したコーティングは耐候性がなく、約 22 mN で最初の亀裂があることが知られています。 5 mN に近い値では、7 年間のラップにより塗装が劣化していることは明らかです。

元のプロファイルを補正することで、スクラッチ時の深さを補正し、スクラッチ後の残留深さを測定することができます。これにより、荷重が増加した場合の塗膜の塑性的な挙動と弾性的な挙動に関する追加情報が得られます。クラッキングと変形に関する情報は、いずれもハードコートの改良に大いに役立つものです。また、標準偏差が非常に小さいことは、本装置の技術の再現性を示しており、ハードコート/塗料の品質向上や耐候性の研究に役立てることができる。

さて、次はアプリケーションについてです。

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