第3章-动态热机械分析技术DMA.ppt

,第,3,章,动态热机械分析,主讲：徐立新,（化工与材料学院材料系）,浙江工业大学校重点教学建设项目（,101001315,）,材料近代分析测试技术,网络课程之,多媒体课件,目录,3.1,热分析的定义,3.2,热分析的类型,3.3,热机械分析的基本类型,3.4,动态热机械分析的基本原理,3.5,仪器结构及工作原理,3.6 DMA,在,聚合物领域中的应用,00,3.1,热分析的定义,3.1.1,热分析的基本定义,热分析,:,在程序控温下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。,Thermal Analysis,TA,01,3.1.2,热分析的基本内涵,热分析的基本标准：,须测量物质的物理性质；,须表示为与温度的关系；,须进行程序控温。,图,1,热分析的一般曲线图,02,3.1.2,热分析的基本内涵,热学（如热流速率）；,力学（如动态模量）；,电学（如介电常数）；,光学（如吸光系数）；,磁学（如磁化性质）；,声学（如声波特性）；,（,1,）何为物质的,“,物理性质,”,？,03,3.1.2,热分析的基本内涵,（,2,）何为,“,与温度关系,”,？,结果不是一个数据，而是某一物理性质随温度的变化关系，常表示为曲线。,图,2,某聚合物样品的重量,随温度的变化关系,04,3.1.2,热分析的基本内涵,（,3,）何为,“,程序控温,”,？,温度的控制须按程序方式进行，主要包括等速升温、等速降温、恒温、循环等方式。,05,3.1.3,热分析举例,图,3,一般聚合物的,DSC,升温曲线,例,1,：聚合物热转变温度的测定,测试方法：差示扫描量热法；,曲线形式：热流速率,-,温度关系；,测试结果：,T,m,，,T,g,，,T,c,，,Td,等。,06,3.1.3,热分析举例,图,4 CuSO,4,.,5H,2,O,热失重过程,例,2,：硫酸铜结晶水比例测定,测试方法：热重分析；,曲线形式：重量保持率,-,温度关系；,测试结果：,结晶水比例,。,07,3.2,热分析的类型,3.2.1,按所测物理性质的类型分类,图,5,热分析方法的基本类型,质量变化,热重法,微熵热重法,热学性质变化,差热分析,差示扫描量热法,力学性质变化,静态热机械法,动态热机械法,其他性质,热声法,热电法,热磁法,热光法,热分析技术：,P=,f(T,),08,3.2.2,按是否采用联用技术分类,图,6,热分析方法的基本类型,热分析技术：,P=,f,(T,),单一热分析技术,联用热分析技术,差热分析；,热重分析；,动态热机械分析；,热介电分析；,热折光分析；,热重,-,差热分析；,质谱,-,差热分析；,质谱,-,热重分析；,红外光谱,-,差热分析；,紫外光谱,-,差热分析；,09,3.2.3,举例,图,7,受污染土壤的热重,-,红外光谱联用分析,10,3.3,热机械分析的基本类型,3.3.1,热机械分析的基本类型,热机械分析技术,热膨胀法,静态热机械分析,动态热机械分析,体热膨胀测试；,线热膨胀测试；,零负荷下测定,拉伸法；,压缩法；,针入度法；,弯曲法；,膨胀法；,静态负荷下测定,动态热机械分析；,动态负荷下测定,11,3.3.2,热膨胀法,基本定义：,在程序控温下，测量物质在可忽略外力作用下的尺寸与温度关系的技术。根据测量的内容，分为线热膨胀法和体热膨胀法两大类技术。,图,8,线热膨胀 图,9,体热膨胀,12,点击链接观看动画,点击链接观看动画,DIL 402 PC,热膨胀仪 德国,18,3.3.2,热膨胀法,（,3,）热膨胀测试仪器,图,13 DIL 402 C,热膨胀仪 德国,19,3.3.2,热膨胀法,（,3,）热膨胀测试仪器,图,14 DIL 402 E,热膨胀仪 德国,20,3.3.3,静态热机械分析,基本定义：,在程序控温下，测量物质在非振动载荷下的形变与温度关系的技术。所采用的载荷有拉伸、压缩、弯曲、扭转和针入等方式。,图,15-18,静态热机械测试常用的载荷作用方式,21,拉伸,压缩,弯曲,针入,为应力，为应变，,为弹性模量。,（,1,）,32,请点击链接观看动画,是角频率，是相位角，是应力峰值，,是应变峰值。,41,3.4.3,贮能模量（,E,）和损耗模量（,E,）,贮能模量,；表示在应力作用下能量在样品中的贮存能力，同时也是材料刚性的反映。,损耗模量,；与应变相位差,90,度；表示能量的损耗程度，是材料耗散能量的能力反映。,内耗,；应力应变相位角之正切值，是材料贮能与耗能能力的相对强度。,42,3.4.4,动态热机械分析,图,37,振动负荷作用下的轮胎,受力示意图,动态热机械分析：,在程序控制温度下，测量材料在振动负荷下动态模量和力学损耗与温度关系的技术。,Dynamic Mechanical,Analysis,，,DMA,。,（,1,）基本定义,43,请点击链接观看动画,DMA,分析仪器结构与工作原理,3.5.1,自由振动法仪器,（,1,）扭摆式,DMA,分析仪,图,38,扭摆式,DMA,示意图及自由衰减振动振幅时间曲线,试样一端被固定，另一端随惯性摆杆振动，根据衰减振幅及周期可得,、与 。,49,3.5.1,自由振动法仪器,（,2,）扭辫式,DMA,分析仪,图,39,扭辫式,DMA,工作示意图,将待测高分子溶液或熔体均匀涂覆于扭辫表面,，小心烘干后直接进行测试。具有样品用量少,、样品形态适用范围宽,、灵敏度高等优点。,50,3.5.2,强迫共振式仪器,图,40,振簧法,DMA,工作示意图,将纤维状或片状试样一端夹持于特制的电磁换能器上，并由音频振荡电源使电磁换能器产生振动，驱动试样进行同频率振动,。振幅以电容拾振系统进行检测。,51,3.5.3,强迫非共振法仪器,图,41 DDV,型拉,-,拉粘弹谱仪结构示意图,52,3.5.3,强迫非共振法仪器,图,42,Perkin,-Elmer DMA-7,多种测量系统,53,3.5.4,美国,TA,仪器公司：,54,3.5.5 Q800,型,DMA,仪器介绍,图,43 Q800,型,DMA,仪外形（美国,TA,公司）,Q800,型,DMA,分析仪运用最先进的非接触式技术测量应力，同时采用光译码技术测量应变，具有很高的灵敏度和精度,，是目前全世界销售量最大的,DMA,仪。,55,3.5.5 Q800,型,DMA,仪器介绍,Q800 DMA,的主要性能参数,Maximum Force,18 N,Minimum Force,0.0001 N,Force Resolution,0.00001 N,Strain Resolution,1 nanometer,Modulus Range,10,3,to 310,12,Frequency Range,0.01 to 200 MHz,Temperature Range,-150,o,C,to 600,o,C,Heating Rate,0.1 to 20,o,C,/min,Isothermal Stability,0.1,o,C,56,3.5.5 Q800,型,DMA,仪器介绍,炉体,气动轴承,光译测量系统,驱动马达,轻质、高刚性,夹具,图,43 Q800,型,DMA,仪器结构示意图,57,3.5.5 Q800,型,DMA,仪器介绍,图,44,Q800 DMA,各类夹具,58,3.5.5 Q800,型,DMA,仪器介绍,图,45 Q800,型,DMA,冷却设备,59,3.5.6 DMA,仪器的基本性能指标,外力作用范围；,力测量分辨率；,应变测量分辨率；,模量测试范围；,模量测试精度；,力学损耗分辨率；,力学损耗灵敏度；,频率变化范围；,测试温度范围；,控温速度；,60,3.6 DMA,在聚合物领域中的应用,3.6.1,聚合物玻璃化转变温度的测定,图,46 NBR/CoCl,2,配位交联体系玻璃化转,变温度与交联剂含量的关系,在玻璃化转变附近聚合物的力学损耗有最大值出现，据此可测定聚合物的玻璃化转变温度。,61,3.6.1,聚合物玻璃化转变温度的测定,图,47,环氧树脂印刷电路板的,DMA,分析,在动态热机械分析曲线上，玻璃化转变呈现峰形，因而可非常方便准确地确定玻璃化转变温度。其测试的准确度优于,DSC,分析。,62,3.6.1,聚合物玻璃化转变温度的测定,聚合物,牌号,T,g,（,o,C,),天然橡胶,1151,-31,丁腈橡胶,5870,-16,硅橡胶,6143,-106,聚苯乙烯,492,110,聚苯硫醚,NOPYL GFN3,163,聚碳酸酯,PG-2,165,聚甲基丙烯酸甲酯,YB-3,130,聚甲醛,M250,-43,聚丙烯,1600,31,部分常见聚合物的,T,g,结果,63,3.6.2,高分子材料耐热性评价,图,48,万能电子拉伸试验机,为全面了解聚合物材料的耐热性能，须在不同温度下进行多次力学测试，需要大量样品。,64,3.6.2,高分子材料耐热性评价,图,49,热变形试验仪外形,热变形温度或维卡软化点，实质是在程序控温下聚合物样品达到特定杨氏模量所对应的温度,。这一单点结果与样品运动状态联系模糊，难以全面准确地评价聚合物的耐热性能。,65,3.6.2,高分子材料耐热性评价,图,50,聚合物的,DMA,曲线（温度谱）,通过动态热机械分析技术，可借助少量样品测试即可获得很宽温度范围内的力学性能如贮能模量，因而可方便而又准确地全面评价材料的耐热性能。,66,3.6.2,高分子材料耐热性评价,图,51,尼龙,6,和硬质,PVC,的,E-T,关系曲线,虽然热变形温度结果表明硬质聚氯乙烯耐热性能好于尼龙，但动态热机械分析表明在较高温度范围后者耐热性能远远优于前者。,67,3.6.3,高分子材料耐寒性评价,图,52,落锤式冲击试验仪,工业上常采用落锤式冲击试验来评价高分子材料的低温韧性和耐寒性，要求样品数量多达,30,个，而且测试前须在,-29,o,C,下调节处理,24,小时。,68,3.6.3,高分子材料耐寒性评价,图,53,聚合物的,DMA,曲线（温度谱）,图中次级松弛转变温度越低、峰强度越高，表明聚合物链中低温运动单元越多，因而具有更好的低温性能。该法具有样品少、测试方便之优点。,69,3.6.3,高分子材料耐寒性评价,图,54,改性聚丙烯低温损耗与落锤冲击强度,随次级松弛转变峰强度依次递增,，改性聚丙烯的低温韧性逐步增加，与落锤冲击试验结果一致。,70,3.6.4,高分子材料耐环境老化性能评价,各类环境因素,包括：光、热、水、氧、射线、化学物质等,影响高分子的各类结构,包括：交联、断链、分解、结晶、一次结构等,影响高分子的运动规律,高分子链的弹性变形、粘性变形,影响,DMA,分析结果,DMA,曲线上的贮能模量、力学损耗等,71,3.6.4,高分子材料耐环境老化性能评价,图,55,尼龙,66,吸水前后的,DMA,曲线,随着环境湿度增大,，尼龙吸收程度增加，由于酰胺基团水解导致分子断链使分子量下降，从而使损耗峰位置整体低温偏移。,72,3.6.4,高分子材料耐环境老化性能评价,图,56,光老化时间对,UV-,固化硫醇树脂,DMA,结果的影响,随光老化时间的延长，硫醇树脂分子量下降，导致损耗峰位置整体向低温方向偏移。,73,Thank you!,