Caractérisation des polymères à l'aide de l'analyse mécanique dynamique (DMA)

Whitepaper

Debra Dunson, Ph.D., EAG Laboratories

INTRODUCTION

Les polymères réagissent à l'énergie du mouvement de deux manières: la réponse élastique (1) est importante pour la récupération de la forme et la réponse visqueuse (2) est essentielle pour la dispersion de l'énergie mécanique et la prévention des ruptures. Analyse mécanique dynamique (DMA) est utilisé pour étudier ces réponses, appelées propriétés viscoélastiques, dans des conditions de faible force mécanique appliquée.

La viscoélasticité des polymères dépend de la température et du temps. Le chauffage et le refroidissement contrôlés sont incorporés dans les instruments DMA pour étudier les effets de la température sur la rigidité et la résilience du polymère. La vitesse de test ou l'échelle de temps utilisée pour déformer mécaniquement le polymère permet d'étudier les effets du temps (ou de la fréquence) sur la résistance à la déformation permanente. Les connaissances obtenues grâce à une utilisation stratégique des trois paramètres de force, température et temps constituent la base de la prévision des performances des polymères dans des applications du monde réel. Parmi les domaines d'étude clés de la DMA qui répondent au besoin d'une caractérisation rapide et efficace des propriétés mécaniques des polymères, on peut citer:

  • Cartographie du «spectre viscoélastique», qui montre les changements de module dépendant de la température (et du temps) de dur / rigide à doux / caoutchouteux
  • Détermination de la température de transition vitreuse (Tg) des polymères
  • Suivi des modifications du module d'élasticité (ou de cisaillement) en fonction de la fréquence
  • Caractérisation du comportement «amortisseur»: dissipation d'énergie mécanique par un mouvement interne (module de perte, tan delta)
  • Comparaison des propriétés mécaniques de différents polymères (qualité, analyse de défaillance, qualification de nouveaux matériaux)
  • Etude de la séparation de phases de mélanges de polymères ou de copolymères
  • Détermination des effets du vieillissement physique, de la réticulation ou du post-durcissement sur les propriétés mécaniques et la Tg
  • Evaluation des changements de performance conférés par les charges inorganiques et / ou les additifs de traitement
  • Superposition temps-température (TTS): prédire le comportement du polymère sur une fréquence ou une plage de temps plus large en utilisant quelques tests stratégiques de DMA
  • Mesures transitoires pour évaluer les propriétés de fluage, de relaxation de contrainte et de contrainte-déformation

Ce document fournit une vue d'ensemble des tests de base du DMA et des études de cas de polymères afin de démontrer en quoi cette technique répond à la nécessité d'une évaluation fondamentale des propriétés mécaniques des polymères.

LES BASES DE L’ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (DMA)

Le DMA utilise un système de pinces pour le test mécanique des matériaux polymères solides. L’échantillon de polymère doit d’abord être coupé, coupé ou moulé selon une forme qui convient au type de pince sélectionné. La sélection des pinces pour les échantillons de polymères est basée sur le type de mouvement mécanique le plus approprié pour le type d'étude spécifique:

  • Tension (étirement)
  • Compression (push)
  • Flexure (courbure)
  • Cisaillement (mouvement parallèle à la surface de l'échantillon)

Les figures 1 à 4 montrent des exemples des différents types de pinces.

Types de pinces DMA

La pince la plus appropriée ne repose pas uniquement sur le mouvement mécanique préféré (par exemple, l’étirement, la flexion, le cisaillement, etc.), elle doit fonctionner avec le type de polymère à tester. Par exemple, la pince de tension du film convient aux films minces (≤2 millimètres) et flexibles à semi-rigides. Cependant, si le film est épais ou très rigide, la substitution d'une pince de flexion donne normalement une approximation proche des propriétés de traction des matériaux polymères isotropes.

Toutes les configurations de pinces DMA comportent une pince mobile et une ou plusieurs pinces fixes, utilisées pour monter l'échantillon. La partie mobile applique une force et déplace l'échantillon en l'étirant, en le pliant, en le cisaillant ou en le comprimant. Certains types de pinces doivent appliquer une force initiale faible sur l'échantillon avant de mettre la pince en mouvement. Ceci maintient l’échantillon sous tension (tension) ou maintient le contact entre la pince mobile et l’échantillon (compression, courbure à la pointe 3) tout au long d’un test dynamique.

A test dynamique à déformation contrôlée implique la programmation de la pince pour:

  • Déplacer ou "déplacer" l'échantillon d'une distance spécifiée constante dans un cycle sinusoïdal (oscillation)
  • L'oscillation continue à une fréquence spécifiée ou une série de fréquences

Lorsque la force déplace la pince au déplacement spécifié, l'amplitude de la réponse est mesurée. Les réponses aux contraintes et aux déformations du matériau sont calculées pour chaque cycle en fonction de la géométrie et des dimensions de l'échantillon.

In essais dynamiques contrôlés par la force, le mouvement de la pince est programmé pour:

  • Appliquez une force ou une contrainte spécifiée constante pour déplacer l'échantillon dans un cycle sinusoïdal (oscillation)
  • L'oscillation continue à une fréquence spécifiée ou une série de fréquences

Comme le déplacement cyclique du matériau se produit à la force spécifiée, l'amplitude de la réponse est mesurée. Les réponses aux contraintes et aux déformations du matériau sont calculées en fonction de la géométrie et des dimensions de l'échantillon.

Les valeurs de contrainte et de déformation des matériaux viscoélastiques, y compris des polymères, sont fonction de la température, du temps, de la fréquence et de l'amplitude d'oscillation appliquée. C'est une différence importante entre les tests dynamiques et les tests mécaniques statiques. L'application d'un déplacement sinusoïdal lors d'essais dynamiques entraîne une réponse élastique sinusoïdale du matériau. L’objectif n’est pas de charger le polymère jusqu’à ce qu’il se brise ou s’effondre. Le but du DMA est d’étudier les réponses élastiques et visqueuses des matériaux dans la région viscoélastique linéaire (LVR), c’est-à-dire dans des conditions de force réduite qui ne détruisent pas la structure.

Le DMA est utilisé pour déterminer les conditions qui modifient le comportement viscoélastique «original» de l'échantillon et éventuellement une légère déformation irréversible de la structure d'origine. Un exemple est le test DMA à balayage de température, qui contrôle le module en fonction de la température. Lorsqu'un polymère thermoplastique est chauffé, il passera éventuellement par une transition de phase au cours de laquelle l'élasticité d'origine sera perdue et le polymère deviendra fluide et se déformera de manière irréversible.

C'est ce que l'on appelle la température de transition vitreuse (Tg) et, dans le DMA, c'est dans cet état que prédomine la réponse visqueuse. La faible force garantit que la Tg est une partie mesurable du spectre viscoélastique car les déformations dans le matériau sont de l’ordre du micromètre. Par conséquent, le matériau n'est pas séparé ni comprimé par les pinces lors de la mesure.

Figure 5. Diagramme représentant l'entrée et la réponse oscillatoires DMA

Figure 5. Diagramme représentant l'entrée et la réponse oscillatoires DMA

La figure 5 montre une illustration simple d'une contrainte hypothétique sinusoïdale introduite dans l'échantillon (courbe bleue) et de la réponse aux contraintes sinusoïdales mesurée par l'instrument DMA (courbe rouge). Les lignes en pointillés montrent que la réponse aux contraintes du matériau est déphasée par rapport à l’effort de déformation, qui correspond au comportement des matériaux viscoélastiques. Son degré de déphasage est appelé «angle de phase», désigné par la lettre grecque delta (δ).

La relation contrainte-déformation dépend de l'angle de phase, fonction du décalage de la réponse du polymère par rapport à l'entrée de déformation. Cette relation est utilisée pour dériver des équations trigonométriques qui produisent trois propriétés quantifiables décrivant la réponse de l'échantillon dans les conditions de test appliquées.

Ce sont:

  • E '= MODULE DE STOCKAGE
  • E ”= MODULE DE PERTE
  • E ”/ E '= TAN δ

Lorsque l'échantillon est testé en mode cisaillement, les modules de mémorisation et de perte sont respectivement notés G 'et G ”. Et tan δ devient G ”/ G '.

Le module de stockage correspond à l'énergie mécanique stockée par le matériau au cours d'un cycle de chargement. Par conséquent, le module de stockage est lié à la rigidité et à la récupération de la forme du polymère pendant le chargement. Le module de perte représente le comportement d'amortissement, ce qui indique la capacité du polymère à disperser de l'énergie mécanique par le biais de mouvements moléculaires internes.

Tan Delta est un indicateur sensible des conditions thermiques / mécaniques qui entraînent une rotation importante des liaisons ou un frottement et un écoulement intermoléculaires.

ÉTUDES DE CAS DMA DE MATIÈRES POLYMÈRES

Comme indiqué ci-dessus, les tests dynamiques utilisent des forces faibles pour s'assurer que la structure du polymère n'est pas détruite lors de la mesure des propriétés viscoélastiques. Par conséquent, la première étape de l'analyse d'un échantillon de polymère consiste à déterminer la plage de force ou d'amplitude qui agit dans la région viscoélastique linéaire (LvR) du matériau. Pour trouver le LvR, un test appelé balayage d'amplitude est effectué dans lequel l'échantillon est oscillé à travers une plage d'amplitudes de contrainte ou de contrainte (à température constante). L'objectif est de trouver la plage d'amplitude correspondant à la «réponse linéaire» souhaitée, ce qui signifie que la mesure du module est la même, quelle que soit l'amplitude de la déformation (ou de la contrainte). La figure 6 montre les données acquises pour un échantillon de polymère lors d'un balayage d'amplitude à 1 Hz (fréquence) et 25 ° C. La LvR dans ce cas est comprise entre 30 et 65 μm (pente 0). Une valeur d'amplitude comprise dans cette plage doit être choisie lors de la configuration des tests afin de mesurer le module et le delta tan de ces spécimens.

Figure 6. Données de balayage d'amplitude pour un échantillon de polymère à 1 Hz et 25 ° C

Figure 6. Données de balayage d'amplitude pour un échantillon de polymère à 1 Hz et 25 ° C

Figure 7. Module de stockage (E ') de trois polymères différents

Figure 7. Module de stockage (E ') de trois polymères différents

PROPRIETES VISCOELASTIQUES EN FONCTION DE LA TEMPERATURE

Le DMA est une technique sensible permettant d'étudier l'évolution des propriétés viscoélastiques des polymères en fonction de l'environnement thermique. Si la même fréquence est utilisée pour le cycle d'oscillation, une comparaison significative peut être faite entre différents matériaux dans des conditions thermiques identiques. Par exemple, la figure 7 compare les courbes de module de stockage (E ') de trois polymères différents obtenues à l'aide d'une vitesse de montée en température de chauffage de 3 ° C / minute et d'une fréquence d'oscillation de 1 Hz. Les régions relativement plates aux températures plus basses correspondent à l'état vitreux (rigide) de chaque polymère. La transition vitreuse polymère (Tg) commence là où les courbes se plient initialement vers le bas. Au-delà de ce point, les courbes de polystyrène et de polycarbonate montrent une chute abrupte (diminution rapide du module), qui résulte d'un ramollissement important et d'un écoulement caoutchouteux. Le polyéthylène téréphtalate (PET), qui présente une structure cristalline, présente une diminution beaucoup plus progressive du module après l’apparition de la Tg. Les cristallites dans le PET agissent comme des liaisons transversales physiques, qui renforcent le matériau et offrent un module de stockage supérieur en dessous et au dessus de la Tg. Cet exemple montre que le DMA est une technique relativement simple permettant de comparer le module et la Tg de polymères, ce qui peut faciliter la conception, le traitement et les applications.

Figure 8. Module de stockage (E ') et Delta Tan de deux polymères différents

Figure 8. Module de stockage (E ') et Delta Tan de deux polymères différents

Des diagrammes de module de stockage DMA peuvent être utilisés pour calculer la température de début de Tg d'un polymère donné. Ceci est fait en utilisant l'intersection graphique de deux lignes dessinées tangentes à la courbe E '. Tout d'abord, une tangente est dessinée le long d'une partie sélectionnée de la courbe avant la transition. Ensuite, une deuxième tangente est dessinée du point d'inflexion de la courbe jusqu'au point approximatif du milieu de la chute de module. Deux exemples sont présentés à la figure 8 (courbe noire pour le chlorure de polyvinyle et courbe verte pour le polycarbonate). Cependant, il est généralement préférable de calculer la Tg en utilisant le maximum de crête dans le graphe tan delta (Figure 8 - courbe rouge pour le chlorure de polyvinyle et courbe bleue pour le polycarbonate). La raison en est que le placement précis des tangentes est sujet à plus d'incertitude par rapport à la définition précise du sommet d'un pic.

Figure 9. Module de perte (E ”) et Delta Tan de polycarbonate (PC) et de polystyrène réticulé (PS)

Figure 9. Module de perte (E ”) et Delta Tan de polycarbonate (PC) et de polystyrène réticulé (PS)

Les températures Tg calculées par les méthodes E 'tangente et tan delta pour un polymère spécifique ne sont pas identiques. Cela souligne le fait que les transitions de verre polymère se produisent sur une plage de température (pas à une température unique). Lors de la définition des paramètres de conception et de traitement de polymères spécifiques, il est important de connaître la température à laquelle le mouvement moléculaire segmentaire commence. Le module de perte DMA, E ”, est très utile à cet égard, car il mesure la nature visqueuse des matériaux polymères. Le pic maximal de E ”correspond au début du mouvement segmentaire significatif des chaînes de polymères. Ainsi, l'apport d'énergie mécanique est dispersé sous forme de chaleur par le frottement interne provoqué par le mouvement de la chaîne, ce qui caractérise le phénomène appelé amortissement. En comparaison, le pic tan delta, qui est habituellement rapporté dans la littérature pour Tg, représente le mieux le mouvement moléculaire coopératif à plus longue distance compatible avec un écoulement caoutchouteux, une déformation permanente ou les deux, en fonction de la structure moléculaire. La figure 9 montre une superposition de tracé qui compare le module de perte (E ”) et le tan delta de deux polymères différents: le polystyrène et le polycarbonate.

Figure 10. Module de perte (E ”) des matériaux élastomères défaillants et de bonne qualité

Figure 10. Module de perte (E ”) des matériaux élastomères défaillants et de bonne qualité

Le module de perte (E ”) est un indicateur sensible des différences moléculaires et s'est révélé très utile dans les enquêtes sur les défaillances. Le graphique de la figure 10 montre une superposition des courbes en E ”d'un élastomère défaillant et de deux contrôles du même matériau. Dans ce cas, Polymer 2 était suspecté de provoquer une défaillance mécanique du matériel médical. Les polymères 1 et 3 représentaient les «bons» contrôles, qui respectaient les spécifications de conception et passaient des tests sur le terrain, respectivement. Le pic maximal de E ”du polymère 2 était significativement inférieur (-43 ° C) par rapport aux témoins. Le pic était également plus large pour le polymère 2. Par conséquent, Polymer 2 a montré une résistance moindre au mouvement au début de la Tg, ce qui suggère fortement une structure interne «plus souple» et / ou la présence de plastifiants, ce qui a conduit à une plus grande liberté de rotation. Cette réponse «visqueuse» plus élevée était un indicateur fort que la structure moléculaire du polymère 2 manquait de la résilience des polymères 1 et 3, qui est la propriété nécessaire pour retrouver la forme après application de contraintes mécaniques.

PROPRIETES VISCOELASTIQUES EN FONCTION DE LA FREQUENCE

Les études de cas ci-dessus ont démontré l'effet de la température sur les propriétés mesurées par le DMA. Une autre considération est l'effet de la modification de la fréquence du cycle de l'onde sinusoïdale appliquée pendant le test. La vitesse de déplacement des chaînes de polymères dépend non seulement de l'environnement thermique, mais aussi de la fréquence de chargement. Lorsqu'on maintient l'amplitude constante et que l'on augmente la fréquence de la déformation appliquée, les relaxations moléculaires (par exemple, E ”et tanδpeak max) sont observées à des températures plus élevées. Ces informations sont importantes pour les matériaux utilisés dans les applications où l'exposition à de multiples fréquences et températures de fonctionnement est courante, comme dans les systèmes à entraînement mécanique par courroie.

Figure 11. Recouvrement de courbe DMA pour film PET orienté testé à quatre fréquences

Figure 11. Recouvrement de courbe DMA pour film PET orienté testé à quatre fréquences

La figure 11 illustre la dépendance en fréquence du module de stockage (E ') et du delta tan d'un film PET orienté. La Tg a été calculée à partir du pic maximum en tan delta à chaque fréquence (0.1, 1, 5 et 10 Hz). La différence de Tg mesurée à 10 Hz et 0.1 Hz était de 12 ° C.

Une autre caractéristique de DMA est l'application appelée Time-Temperature Superposition (TTS). Cette technique est couramment utilisée pour prédire le comportement viscoélastique sur une plage de temps ou de fréquences plus longue que celle pouvant être mesurée de manière pratique dans un laboratoire de test. Par exemple, considérons le module de stockage du film PET mesuré à huit fréquences différentes lors d'un balayage de fréquence dans des conditions d'augmentation progressive de la température. Les données obtenues (illustrées à la figure 12) peuvent être utilisées pour générer une courbe maîtresse permettant de prévoir le module de stockage à des fréquences supérieures aux limites des tests. Pour ce faire, une seule température de référence est choisie parmi les données (par exemple 95 ° C) et les valeurs de module de mémorisation (E ') à cette température pour chaque fréquence de la série (par exemple 20, 10, 5, 2, 1, 0.5). , 0.2, 0.1 Hz) sont construits dans un «ensemble de données de référence» de E 'en fonction de la fréquence. Ensuite, le traitement mathématique TTS est utilisé pour superposer les ensembles de données restants sur les données de référence, ce qui construit une courbe maîtresse du module de stockage (théorique) en fonction de la fréquence. La figure 13 montre la courbe maîtresse (en bleu) et les données non décalées (en rouge), qui sont superposées pour illustrer les résultats obtenus pour l'étude de cas PET. Comme indiqué, la courbe maîtresse projette le module de mémorisation PET sur une plage de fréquences considérablement plus large que celle utilisée pour l'expérience.

Module de stockage (E ') en fonction de la fréquence pour une augmentation progressive de la température (plage 34.9 - 159 ° C)

Figure 12. Module de stockage (E ') en fonction de la fréquence pour une augmentation progressive de la température (plage 34.9 - 159 ° C)

Courbe maîtresse TTS du module de stockage (E ') vs fréquence superposée à des courbes «non décalées» (rouge)

Figure 13. Courbe maîtresse TTS du module de stockage (E ') vs fréquence superposée à des courbes «non décalées» (rouge)

Bien que la discussion précédente sur le STT ait été très simplifiée, les principes suivants régissant la technique sont résumés par les affirmations suivantes:

  • Les polymères viscoélastiques ont une relation particulière entre le temps (fréquence) et la température. Les polymères se relâchent ou se raidissent en fonction de l'environnement thermique. Ils se détendent ou se raidissent également en fonction du temps.
  • TTS profite de cette «équivalence» temps-température. Les propriétés viscoélastiques changent de la même manière aux températures élevées que pour les longues périodes (basse fréquence), et les propriétés changent de la même manière aux basses températures que pour les courtes périodes (haute fréquence).

EXPÉRIENCES TRANSITOIRES: TESTS DE DÉTENTE AU RAYONNEMENT ET AU STRESS PAR DMA

La plupart des instruments DMA standard sont équipés pour effectuer des expériences transitoires, qui consistent à appliquer une charge à l'échantillon et à surveiller sa réponse sur une période spécifiée. Deux types de tests transitoires sont utilisés pour étudier la réponse viscoélastique des polymères:

  • Test de fluage: un échantillon de polymère est soumis à une charge fixe et le changement de dimension est surveillé en fonction du temps.
  • Test de relaxation sous contrainte: un échantillon de polymère est chargé pour le déformer d'une quantité fixe et le changement de charge pour maintenir cette déformation est surveillé en fonction du temps.

Graphique de test de fluage DMA montrant les courbes de fluage et de récupération

Figure 14. Graphique de test de fluage DMA montrant les courbes de fluage et de récupération

Le test de fluage est utile pour mesurer la quantité de déformation récupérable et non récupérable après le retrait rapide et complet de la charge appliquée. La contrainte récupérable dépend de l'élasticité du polymère et de l'échelle de temps de l'expérience (ainsi que de l'environnement thermique). Dans des conditions isothermiques, la réponse temporelle de la réponse viscoélastique implique que la meilleure approche consiste à appliquer la charge jusqu'à ce que le matériau atteigne un état stable, suivie d'une libération instantanée de la charge et laissant un temps de récupération suffisant pour que l'échantillon atteigne un état stable. La figure 14 montre un graphique du comportement de fluage et de récupération d'un matériau polymère en fonction du temps. L'activation de la charge instantanée sur le matériau est représentée par la partie linéaire abrupte de la courbe au moment ~ 0. Le fluage à la charge est indiqué sur une période minute 5 (courbe violette - zone de fluage). Après le relâchement ultérieur de la charge, la contrainte dans le matériau a été récupérée pendant ≈ 9 minutes (courbe rouge - zone de récupération). Comme indiqué, la récupération du polymère avait presque atteint l'état d'équilibre à la fin de l'expérience. Idéalement, la période de récupération devrait être prolongée jusqu'à ce que la pente soit nulle, ce qui permet de comparer les contraintes ultimes récupérables et non récupérables dans le matériau.

Dans des conditions isothermiques, l'application d'une contrainte constante sur un matériau viscoélastique entraînera une perte progressive de la résilience mécanique due à la relaxation moléculaire. Par conséquent, il faut réduire progressivement la force au fil du temps pour maintenir la contrainte au niveau fixé. Cette propriété s'appelle relaxation de stress. Contrairement au fluage dans lequel la déformation (changement de dimension) est contrôlée, un test de relaxation de contrainte suit la diminution de contrainte sous déformation constante. La relaxation des contraintes est importante lorsque les pièces en polymère sont utilisées pour former un joint mécanique, tel que des fixations en plastique à ajustement par compression et des joints à bride en caoutchouc. Dans de telles applications, il est important que les contraintes induites par la connexion n'entraînent pas un relâchement du raccord. Les expériences de relaxation de contrainte sont conçues pour prédire la perte de propriétés mécaniques en fonction du temps, une connaissance essentielle pour le développement des matériaux et la conception mécanique.

Graphique de relaxation de stress DMA montrant le stress et la contrainte en fonction du temps

Figure 15. Graphique de relaxation de stress DMA montrant le stress et la contrainte en fonction du temps

La relaxation de contrainte des polymères dépend de la température et de l'ampleur de la déformation appliquée (déformation), ainsi que de la période de temps de l'essai. La figure 15 montre la courbe de relaxation de contrainte pour un échantillon de polypropylène soumis à une déformation 1% en mode de flexion en porte-à-faux à 25 ° C. Le module de flexion a également été calculé à partir des données (comme indiqué sur la figure 16), qui illustrent la diminution de la rigidité du matériau au fil du temps. Le graphique montre que le module de flexion du polypropylène a diminué de 110MPa au cours des minutes 22 sous la déformation 1%.

Les propriétés de fluage et de relaxation des contraintes sont essentielles à la conception des matériaux et de la conception technique, car elles sont liées à la structure moléculaire des polymères et aux chimies associées dans la formulation. Les aspects chimiques des formulations de polymères ayant une incidence sur les performances mécaniques et la conception incluent:

  • Poids moléculaire du polymère (distribution)
  • Charges inorganiques
  • Plastifiants / agents glissants
  • Réticulation (degré et type de)
  • Cristallinité
  • Orientation / alignement
  • Interactions moléculaires
  • Rigidité de la chaîne (liaisons simples vs doubles, aliphatiques vs aromatiques)
  • Groupes pendants / ramifications sur des chaînes de polymères
  • Interaction avec de petites molécules (par exemple, humidité ou monomères résiduels)
  • Impuretés, défauts, inclusions
  • Vieillissement chimique et physique (oxydation ou dégradation, par exemple)

Graphique de relaxation de contrainte DMA montrant une diminution du module de flexion

Figure 16. Graphique de relaxation de contrainte DMA montrant une diminution du module de flexion

La demande de réactivité dans la conception de nouveaux dispositifs et matériaux polymères nécessite la réalisation rapide des tests de laboratoire associés, qui incluent la caractérisation mécanique. Par conséquent, il ne serait pas pratique d'effectuer plusieurs expériences de fluage sur le polymère A en utilisant de nombreuses températures et conditions de temps différentes. Il serait certainement impraticable de comparer le polymère A avec une version modifiée du polymère A en fibre de verre dans plusieurs expériences température / temps. Heureusement, le TTS peut être appliqué à des expériences transitoires pour projeter un comportement à long terme à l'aide de quelques expériences stratégiques. La relaxation et la réorganisation moléculaires sont des processus graduels à basses températures, mais s’accélèrent considérablement à des températures plus élevées. Par conséquent, des expériences à relativement court terme peuvent être menées à des températures plus élevées, après quoi le TTS est appliqué pour décaler les courbes expérimentales le long de l'axe temporel. La courbe maîtresse résultante extrapole les données pour prédire les réponses viscoélastiques à des périodes plus longues, qu'il était impossible de mesurer expérimentalement.

Un exemple de manipulation de données TTS est présenté à la page suivante. Il est basé sur des données obtenues avec une contrainte de cisaillement faible à l'aide d'un analyseur mécanique équipé d'un rhéomètre à rotation. Bien que l'équipement ne soit pas identique au DMA, qui fonctionne en mode linéaire sur des matériaux solides, le transfert des données s'effectue exactement de la même manière pour les expériences de fluage au rhéomètre et au DMA.

Les résultats de fluage donnés à titre d'exemple ont été obtenus pour le polystyrène en appliquant une contrainte de cisaillement pendant des minutes 10 (secondes 600) à cinq températures différentes (110, 120, 140, 160 et 180 ° C). La figure 17 montre une superposition des données pour les cinq expériences: la conformité au fluage [J (t)] en fonction du temps. La conformité au fluage a des unités de m2 / N et est définie par J (t) = contrainte / (contrainte de cisaillement). La conformité au fluage à 140 ° C a été choisie comme courbe de référence, et le TTS a été utilisé pour décaler les quatre courbes restantes à gauche et à droite de la courbe de référence. La courbe maîtresse est illustrée à la figure 18, qui est un graphique logarithmique de la conformité au fluage [J (t)] en fonction du temps. La mise à l'échelle sur l'axe du temps de journalisation est en secondes. La courbe maîtresse affiche des données de conformité prédictives qui prolongent l’axe des temps jusqu’à 105 secondes. Cela permet de prédire le comportement de fluage à long terme à la température de référence choisie (140 ° C dans cet exemple). Une fonction permettant d’économiser du temps consiste à sélectionner une autre température dans la plage utilisée pour le test et à créer une courbe maîtresse prédictive pour la nouvelle sélection de température. Ceci illustre comment TTS peut économiser du temps et des ressources tout en projetant des propriétés viscoélastiques sur une échelle de temps plus longue.

Superposition des courbes de conformité au fluage: polystyrène à cinq températures

Figure 17. Superposition de courbes de conformité au fluage: polystyrène à cinq températureses

TTS Master Curve généré à partir de courbes de fluage en polystyrène

Figure 18. Courbe principale TTS générée à partir de courbes de fluage en polystyrène

CONCLUSIONS

Les cas ci-dessus ne représentent qu'un aperçu des capacités de la DMA et de la manière dont cet outil permet une caractérisation rapide des propriétés viscoélastiques des matériaux polymères. Il convient de mentionner que le DMA s'avère souvent être la technique d'analyse thermique la plus sensible pour la comparaison des propriétés et constitue souvent le meilleur outil d'analyse thermique pour l'analyse des défaillances. Veuillez contacter EAG Laboratories pour plus d'informations sur l'utilisation du DMA pour vos besoins en polymères.

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.