DMA 1 - METTLER TOLEDO

Termická analýza Excellence
DMA 1
Systém STARe
Moderní technologie
Všestranná modularita
Švýcarská kvalita
Dynamická mechanická analýza
Kompletní charakterizace materiálu
DMA Excellence
Víceúčelová DMA
dokonalé řešení pro analýzu materiálu
Dynamická mechanická analýza (DMA) je důležitá technika používaná pro měření mechanických a viskoelastických vlastností takových materiálů jako jsou termoplasty, termosety,
elastomery, keramika a kovy. V DMA je vzorek vystaven periodickému napětí v jednom
nebo několika různých módech deformace. Analyzuje se amplituda síly a posunu a fázový
posun jako funkce teploty, času a frekvence.
Vlastnosti a výhody METTLER TOLEDO DMA 1:
n Flexibilní polohování měřicí hlavy – měření ve všech deformačních módech i v kapalinách nebo při různých úrovních relativní vlhkosti
n Snadná obsluha – umožňuje rychlou výměnu deformačních módů
n TMA měření – pro měření koeficientu roztažnosti, efekty způsobené creepem a relaxační časy
n Vlhkostní modul – pro sorpční a desorpční měření
n Ergonomický design s velkým dotykovým displejem – pro pohodlné upnutí vzorků a monitorování měření
n Široký teplotní rozsah – od –190°C do 600°C
n Mimořádně efektivní a ekonomické chlazení – šetří drahocenný čas a významně snižuje spotřebu kapalného dusíku
Unikátní vlastností DMA 1 je jeho otáčivá
měřicí hlava. Měření může být prováděno
ve všech standardních deformačních
módech, i v kapalinách nebo při definovaných
úrovních realtivní vlhkosti.
2
Nepřekonatelná všestrannost
optimální konfigurace pro všechny aplikace
Nepřekonatelná všestrannost DMA 1 umožňuje provádění aplikací při
optimální konfiguraci měření. DMA 1 lze velice rychle a snadno upravit,
ať už pro konvenční DMA analýzy nebo pr experimenty používající statické síly nebo měření v kapalinách.
Měření za řízené relativní vlhkosti
Modul Humidity se skládá ze speciální vlhkostní komory, cirkulační ohřívací
lázně a generátoru vlhkosti. Umožňuje provádět měření za optimálních
podmínek ve všech deformačních módech. Po instalaci vlhkostní komory
není nutné žádné přejustování systému.
Měření se statickými silami
Kromě dynamického módu umožňuje DMA 1 provádět měření pomocí
statických sil (TMA mód). Pro DMA 1 mohou být použity všechny deformační módy.
Typická TMA aplikace obsahuje:
• Stanovení koeficientu teplotní roztažnosti
• Měření creepu a zotavení
• Diagramy napětí-deformace
• Diagramy deformace-relaxace
• Teploty měknutí materiálů
Měření v kapalinách
Modul Fluid Bath umožňuje provádění DMA nebo TMA experimentů
v kapalinách s využitím všech standardních deformačních módů. Celý
držák vzorku a vzorek jsou ponoření do kapaliny. Modul Fluid Bath
se skládá ze speciální ponorné lázně a externí regulace teploty pomocí
cirkulační lázně nebo chladiče.
3
Inovace
Rychlé výsledky
díky mnoha inovacím
Pohodlné upínání vzorků
Měřicí hlava může být umístěna
v mnoha pohodlných pozicích
pro instalaci držáků vzorků a pro
uchycení vzorků. Poté je nastavena
do optimální pozice pro měření
v jednotlivých deformačních módech.
Aktuální orientace měřicí hlavy je
pak automaticky detekována
indikátorem pozice.
I když jsou pozice odlišné, systém
nevyžaduje žádné kalibrace ani
justování.
Kompletní termoanalytický systém
Kompletní termoanalytický systém se skládá ze čtyř různých měřicích technik. Každá z nich charakterizuje vzorek
svým vlastním specifickým způsobem. Kombinace všech čtyř výsledků dává kompletní obrázek a zjednodušuje
interpretaci. DMA měří mechanický modul, DSC a Flash DSC tok tepla, TGA hmotnostní křivku, a TMA délkové změny.
Všechny tyto veličiny jsou funkcí času.
DMA
4
DSC
Flash DSC
TGA
TMA
Perfektní konstrukce
do posledního detailu
Dotykový displej DMA 1
Dotykový displej umožňuje vizuální kontakt
s přístrojem i z větší vzdálenosti a má dvě velmi
důležité funkce:
•Zobrazuje aktuální posun pružiny při instalaci
držáku vzorku a při upínání vzorku. Tím chrání
celý měřicí systém a zajišťuje, že se při upínání
vzorku nic nepoškodí.
•Monitoruje sinusovou excitační funkci. To je
mimořádně důležité, obzvláště na začátku
měření. Ukazuje vám zda byl vzorek řádně upnut
do držáku vzorku.
Titanové vzorkové svorky
Vzorkové svorky jsou mimořádně
důležité pro přesná měření. DMA 1
svorky jsou vyrobeny ze speciální
titanové slitiny. Díky tomu získávají
následující výhody:
•Přirozená rezonanční frekvence
systému je posunuta k vyšším
frekvencím díky nižší hmotnosti
svorek.
•Svorky jsou vysoce odolné korozi,
protože titan tvoří při kontaktu
se vzduchem inertní vrstvičku
oxidu. Tato skutečnost je mimořádně výhodná zvláště pro měření
v kapalinách.
•Svorky také mohou být ohřívány
nebo chlazeny rychleji, protože
tepelná vodivost titanu je lepší,
než u většiny jiných potenciálně
vhodných materiálů.
Příslušenství
Sady příslušenství Accessory Box obsahuje všechny držáky vzorku
a vzorkové svorky potřebné pro instalaci držáků vzorku a teplotního čidla.
Sada Calibration Box obsahuje všechny materiály potřebné pro provádění
jednotlivých teplotních justování. To je klíčový faktor pro dosažení přesných
a spolehlivých výsledků měření.
5
Švýcarská kvalita
Spolehlivý, prvotřídní výkon
v celém teplotním rozsahu
Princip měření
V dynamické mechanické analýze
(DMA) je vzorek podroben oscilující
síle a výsledkem je naměřená amplituda posunu. Fázový posun mezi
působící silou a signálem posunu
je odvozen z časového zpoždění
mezi oběma naměřenými křivkami.
Vysoce přesné měření posunu
Klíčovou komponentou DMA 1 je
LVDT (Linear Variable Differential
Transformer). LVDT měří délkové
změny v celém měřicím rozsahu
±1 mm se středním rozlišením
2 nm. Je umístěn blízko vzorku,
aby se minimalizovaly jakékoliv vlivy způsobené deformací měřicího
systému. Tím se zlepšuje přesnost
měření časového zpoždění (fázový
posun) mezi silou a posunem.








Legenda
1 LN2 vstup/výstup
2 Topný prvek
3 Držák vzorku
4Vzorek
5 Hnací hřídel
6 LVDT senzor posunu
7 Hnací motor
8 Vedení hnací hřídele (pružina)
Vzorky s Pt100
Pt100 teplotní čidlo je umístěno co nejblíže vzorku. Teplotní justování
v požadovaném deformačním módu zajišťuje, že teplota je měřena správně.
6
Optimalizované držáky vzorku
Pohodlná a snadná manipulace
DMA 1 nabízí výběr ze šesti
různých deformačních módů.
Nejvhodnější deformační mód pro
určitou aplikaci závisí na požadované informaci a povaze a geometrii
vzorku. Tuhost vzorku musí být
zvolena tak, aby byla znatelně
nižší, než je tuhost vlastního
měřicího systému. Všech šest
měřicích módů může být použito
pro dynamická a statická měření.
Důležitým aspektem systému
držáku vzorku je jednoduchost,
se kterou může být délka vzorku
v držáku vzorku nastavena.
Příslušná délka může být nastavena
v krocích 2.5 mm od minimální délky
definované v jednotlivých módech
a ž po maximální délku. Délka
vzorku může být také pomocí speciálních šroubů nastavena spojitě.
Deformační mód
Single cantilever ohyb
D
B
C
E
F
Různé deformační módy
3-bodový ohyb (A): Tento mód se používá pro přesná měření velice
tuhých vzorků, jako jsou kompozitní materiály nebo termosety, zvláště
pod teplotou skelného přechodu. Je také velice významný pro TMA
měření.
Single cantilever ohyb (B): Tento mód je vynikající pro materiály
ve tyčinky (kovy, polymery), které vykazují velmi vysoký stupeň tuhosti.
Single cantilever je ideální metodou pro měření pod teplotou skelného
přechodu a je doporučeným módem pro stanovení ztrátového faktoru
(tan delta) práškových materiálů.
Dual cantilever ohyb (C): Tento mód je vhodný pro měkčí materiály
s nižším stupněm tuhosti, obzvláště pro velice tenké vzorky, jako jsou
fólie.
Tah (D): Toto je běžný deformační mód pro vlákna. Je také velice
důležitý pro TMA měření.
Tlak (E): Kompresní mód se používá pro měření pěn, gelů a potravin
a pro měření se statickou silou (TMA).
Smyk (F): Smykový mód je ideální pro měkké vzorky, jako jsou
elastomery, lepidla citlivá na tlak a pro studium vytvrzovacích reakcí.
Max. efektivní délka vzorku (mm)
Max. efektivní šířka vzorku (mm)
Standardní pozice hlavy (bez kapaliny)
17.5
13
horizontální
Dual cantilever ohyb
35
13
horizontální
3bodový ohyb
45
13
vertikální (nahoru)
Tah
20
13
horizontální
Deformační mód
7
A
Max. průměr vzorku (mm)
Max. tloušťka vzorku (mm)
Standardní pozice hlavy (bez kapaliny)
Smyk
10
12
horizontální
Tlak
10
16
vertikální (nahoru)
Nepřekonatelný chladicí výkon
ušetří drahocenný čas
Teplotní rozsah a chladicí moduly
Chladicí výkon systému DMA 1 je
je impozantní. Dokáže zchladit
vzorek z pokojové teploty
až na –190°C ze méně než 10 minut
při mimořádně nízké spotřebě
kapalného dusíku – méně než 1 litr
pro 3 chladicí cykly na –100°C.
Tím se ušetří jednak čas a jednak
náklady, protože zásobník nemusí
být doplňován tak často. Hlavní
výhodou je zvýšený počet
naměřených vzorků.
Pokud měření začíná při pokojové
teplotě (RT), DMA 1 může být
používáno bez chladicího mudulu.
LN2 chlazení
1 litr-Dewar
35 litrů-Dewar
Teplotní rozsah
–190 °C až 600 °C
–190 °C až 600 °C
Spotřeba LN2 pro jedno chlazení z RT
na –190 °C
<1 litr LN2
~1.8 litr LN2
Spotřeba LN2 pro jedno chlazení z n RT
na –100°C
<0,3 litr LN2
<0,4 litr LN2
Čas pro chlazení z RT na –190 °C
<10 min
<15 min
Moduly
DMA měření
TMA měření
Relativní vlhkost
Kapaliny
Všechny módy
Všechny módy
Všechny módy
Všechny módy
Chladicí modul 1 litr Dewar
•
•
Chladicí modul 35 litrů Dewar
•
•
DMA základní přístroj
Vlhkostní komora
•
Generátor vlhkosti
•
Lázeň s kapalinou
Cirkulační lázeň nebo chladič
•
•
•
8
Flexibilní DMA
pro DMA a TMA měření
Teorie DMA
Modul je vždy vypočten z aplikované amplitudy síly, Fa,
naměřené amplitudy posunu, La, a fázového posunu δ
mezi signálem síly a posunu. Typy modulů jsou následující:
•Komplexní modul, M*, (modul pružnosti, E*, pro tah;
G* pro smyk)
•Elastický modul, M‘, (přímo úměrný energii akumulované elasticky a vratně)
•Ztrátový modul, M‘‘, (přímo úměrný energii přeměněné
na teplo a nevratně ztracené)
Hodnota modulu může být použita pro výpočet ztrátového faktoru (tanδ), který odpovídá poměru M‘‘ k M‘.
Zcela elastické materiály mají ztrátový faktor 0, zatímco
zcela viskózní materiály mají ztrátový faktor nekonečně
velký (δ= 90°).
Moduly jsou vypočteny z naměřené tuhosti vzorku
S (N/m) an geometrického faktoru g. S je veličina aktuálně měřená.
M‘ = |M*| cos δ M‘‘ = |M*| sin δtan δ = M‘‘ / M‘
|M*| = S*g = Fa/La*g; tvrdost S = Fa/La
Force
Sílain N
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
– 0.2
– 0.4
– 0.6
– 0.8
–1.0
–1.2
Síla N
Posunutí v μm
∆
Čas
Time
in s
0
0.2
0.4
0.6
Force in N
a posun
při frekvenci
Displacement
in µm
0.8
1.0
1.2
1.4
AGC Thermal
Book 20%
Cyan
Analysis
Síla
f, 1Hz. Fázový posun δ, může být vypočten
z časového zpoždění ∆, použitím rovnice δ = 2πf∆.
Application
Handbook
Thermal Analysis in Practice
Collected Applications
Termomechanická měření
Konstrukce DMA 1 umožňuje jeho použití pro TMA měření (použití
statické síly). Držáky vzorků a vzorkové svorky jsou instalovány úplně
stejným způsobem, jako pro standardní DMA měření. Některé speciální
typy TMA měření zahrnují:
•Creep/zotavení
Vzorky jsou náhle podrobeny vysoké statické síle. Po uplynutí určitého
času je tato síla odstraněna a měří se zotavení vzorku jako funkce
času.
•Diagram napětí-deformace
Měří se tah (síla působící na jednotku plochy vzorku) a výsledná
deformace a vynesou se do grafu. Ve většině případů je počáteční
část křivky lineární pro nízkou úroveň deformace. Pro větší úroveň
deformace je chování mnohem složitější a už není lineární
až do bodu, kdy se vzorek zlomí.
•Diagram deformace-relaxace
Tato izotermní měření ukazují, jak rychle se materiál deformuje pod
statickou silou před dosažením stavové rovnováhy. Výsledkem je
relaxační čas.
Významné servisní služby
Společnost METTLER TOLEDO je hrdá, že nabízí vynikající přístroje a podporu potřebnou, abyste byli úspěšní
ve svém pracovním oboru. Naši vyškolení servisní technici a obchodníci jsou připraveni a k dispozici pomáhat
vám všemi způsoby:
• Při servisu a údržbě
• Při kalibraci a justování
• Školením a aplikačním poradenstvím
• Kvalifikací zařízení
METTLER TOLEDO poskytuje také komplexní literaturu aplikace pro termickou analýzu.
9
Široká škála aplikací
DMA poskytuje odpovědi
v mnoha aplikačních oborech
DMA 1 je ideální přístroj pro použití pro dynamickou mechanickou analýzu a charakterizaci
materiálů, dokonce i v kapalinách nebo při různých úrovních relativní vlhkosti. Usnadňuje
velké množství aplikací a poskytuje cenné informace v kontrole kvality a v aplikovaném
nebo základním výzkumu.
Materiály jsou při praktickém používání vystaveny různým druhům
deformací. Nejdůležitějšími faktory
jsou časová závislost deformací,
teplota a prostředí, ve kterém jsou
tyto materiály deformacím vystaveny.
Dynamická mechanická analýza
umožňuje řešit takové problematiky,
jako je stabilita, praktický rozsah
použitelnosti, výrobní proces, kontrola kvality, poruchy materiálu
a defekty.
Nejčastěji analyzovanými materiály
jsou polymery, jako jsou termoplasty, termosety, elastomery
a lepidla, kovy, kompozitní materiály,
barvy a laky, fólie a vlákna, konstrukční materiály, farmaceutické
výrobky a potraviny. Mohou být
v pevném nebo vysoce viskózním
stavu.
Efekty a vlastnosti, které mohou být charakterizovány pomocí DMA 1 systému:
10
• Viskoelastické chování
• Krystalizace a tavení
• Relaxační chování
• Gelovatění
• Skelný přechod
• Fázové přechody
• Mechanické moduly
• Složení směsí
• Tlumicí vlastnosti
• Vytvrzování a polymerační reakce
• Měknutí
• Defekty materiálu
• Viskózní tok
• Efekty způsobené plnivy
Kompozitní materiály
Kompozitní materiály vyrobené z plněných
zesíťovaných polymerů mají vysoký elastický
modul při teplotách, při kterých se obvykle
používají. Modul se většinou stanovuje
3bodovým ohybem. Horní křivka zobrazuje
elastický modul desky plošného obvodu.
Hodnota naměřená při teplotě 70 °C a frekvenci 1 Hz byla 21,1 GPa. Křivka také zobrazuje proces měknutí při skelném přechodu, kde modul klesl pod hodnotu 5 GPa.
Tento krok v elastickém modulu odpovídá
píku na křivce ztrátového faktoru
tan delta.
Fázové přechody PTFE
DSC křivka PTFE vykazuje fázové přechody
při teplotách kolem −100 °C a +30 °C a také
tání při 327 °C. Fázové přechody mohou být
také měřeny pomocí DMA v tenzním módu.
Skelný přechod je navíc sledován také při
teplotě +130 °C. Přechodové teploty naměřené
dvěma metodami tak vykazují vynikající
shodu.
PET fólie
Graf zobrazuje DMA křivky PET fólie měřené
v tenzím módu při frekvenci 1 Hz. Křivky
podobné těmto se často využívají pro účely
kontroly kvality. Díky krystalizaci je změna
v modulu při skelném přechodu mezi
teplotami 80 a 150 °C pouze asi jeden řád.
Modul vykazuje další pokles hodnoty
při začátku tání při teplotě 230 °C. Křivka
tan delta vykazuje relaxační pík v oblasti
skelného přechodu. Spodní křivka je naměřena v TMA módu a zobrazuje změnu v délce
fólie. Směrnice se mění při onsetu teploty
skelného přechodu 95 °C. Smrštění fólie
nastává mezi 210 a 230 °C.
11
Styrene-butadiene rubber
Styren-butadienová pryž (SBR) se používá
pro výrobu automobilových pneumatik
a těsnění. Vzorek SBR byl měřen při frekvencích 1, 2 a 5 Hz v módu single cantilever.
Skelný přechod nastává při teplotě asi
–20 °C a definuje spodní teplotní hranici
použití tohoto materiálu. Křivky tan delta
také jasně dokladují frekvenční závislost
skelného přechodu. Při vyšších frekvencích
se skelný přechod posouvá k vyšším teplotám.
Modul pružnosti se během skelného
přechodu mění asi o dva řády.
Vliv relativní vlhkosti
Kopolymer etylenvinyl alkohol (EVOH)
se často používá při výrobě balicích fólií
pro potraviny, protože má vynikající bariérové
vlastnosti vzhledem ke kyslíku a vodním
parám. Protože EVOH je hygroskopický
a voda působí jako změkčovadlo, bariérové
vlastnosti fólie jsou ovlivněny obsahem
vody. Izotermní DMA měření při 50 °C
ukazují, že zvýšení relativní vlhkosti vede
ke snížení elastického modulu pružnosti.
Pík na tan delta křivce je způsoben snížením teploty skelného přechodu zvýšením
relativní vlhkosti. Protože skelný přechod je
frekvenčně závislý, pík naměřený při nižší
frekvenci se se objeví při nižší relativní vlhkosti.
Polyamidové vlákno ve vodě
Mechanické vlastnosti materiálů se mohou
dramaticky změnit při kontaktu s kapalinami.
Polymery v některých kapalinách tvrdnou
a křehnou, zatímco jiné kapaliny působí
jako změkčovadla. DMA 1 umožňuje měření
mechanického chování vzorků při plném
ponoření v kapalině. Uvedený příklad
ukazuje měření polyamidového vlákna
ve vodě při teplotách 20 °C a 40 °C. Teplota
skelného přechodu klesá díky absorpci
vody. Křivky modulu ukazují, že proces
změkčování probíhá rychleji při teplotě
40 °C než při teplotě 20 °C.
12
Silikonová pryž
Vulkanizační proces přeměňuje viskózní
kapalinu na kaučukovitou pevnou látku
s nízkým modulem. Tato změna v materiálových vlastnostech je zcela evidentní
z DMA křivek. Obrázek vlevo zobrazuje
křivky modulu a tan delta silikonové pryže
měřené ve smykovém módu při frekvencích
1 Hz a 10 Hz. Vulkanizace probíhá mezi
teplotami 80 °C a 90 °C. Křivky ukazují,
že modul pružnosti během vulkanizace
stoupá, zatímco tan delta vykazuje značný
pokles. Materiál je daleko více elastický
po vulkanizaci, než před ní.
Křivky napětí-deformace
Kvazi statické mechanické vlastnosti
přes velký rozsah deformací jsou často
stanovovány měřením křivek napětí-deformace
v tenzním módu. Graf zobrazuje naměřenou
křivku vzorku staré styren-butadienové
pryže (SBR) při 40 °C. Při nízké úrovni
deformace vykazují napětí a deformace
lineární závislost. Směrnice křivky v lineární
oblasti až do asi 2 % deformace je modul
pružnosti, 1,7 MPA. V nelineární oblasti
je křivka plošší a modul klesá. Maximum
křivky se nazývá mez kluzu.
Creep behavior
Vlastnosti zotavení elastomerů jsou naprosto
základní pro jejich použití jako těsnění.
Měřený vzorek byl butylová pryž (IIR).
Zpočátku byla aplikovaná síla 0,05 N. Pak
byla náhle zvýšena na 1 N. Výsledná deformace se skládá ze tří složek: okamžité
elastické deformace, časově závislé
viskoelastické deformaci a viskóznímu toku.
Zbytková deformace, která zůstává po odstranění působení síly, je permanentní
deformace způsobená viskózním tokem.
Elastomery podobné tomuto mají pouze
omezené použití jako ucpávky a těsnění.
13
DMA 1 specifikace
Teplota
Teplotní rozsah
–190 °C až 600 °C
Technické rozlišení
0.1 K
Teplotní přesnost
0.75 K
Rychlost ohřevu
0.1 K/min až 20 K/min
Rychlost chlazení
0.1 K/min až 30 K/min
Síla
Rozsah síly
±0.001 N až ±10 N
Technické rozlišení
0.25 mN
Citlivost
1 mN
Posun
Rozsah posunu
±1 mm
Technické rozlišení
2 nm
Citlivost
30 nm
Tuhost
Rozsah tuhosti
50 N/m až 105 N/m
Přesnost
0.50%
Tan delta
Tan delta rozsah
0.0001 až 50
Technické rozlišení
0.00001
Citlivost
0.0001
Frekvence
Frekvenční rozsah
0.001 Hz až 300 Hz
Technické rozlišení
0.0001 Hz
Přesnost
0.001 Hz
Frekvenční módy
• Logaritmický nebo lineární sken
• Multi-frequency (sequentially)
Maximální délka vzorku
Délka vzorku
55 mm
Modul Fluid Bath
Teplotní rozsah
–20 °C až 80 °C
Modul Humidity
Teplotní rozsah
5 °C až 85 °C
Rozsah vlhkosti
5 % RH až 85 % RH
Schválení
IEC/EN61010-1:2001, IEC/EN61010-2-010:2003
CAN/CSA-C22.2 No. 61010-1-04 & -2-010
UL Std. No. 61010-1 (2. vydání)
IEC61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (třída B)
IEC61326-1:2005 / EN61326-1:2006 (průmyslové prostředí)
FCC, část 15, třída A
AS/NZS CISPR 22, AS/NZS 61000.4.3
Značka shody: CE
Česko
Slovensko
Mettler-Toledo, s. r. o.
Třebohostická 2283/2, 100 00 Praha 10
Tel.: +420 226 808 150, Fax: +420 226 808 170
Servis: +420 226 808 163, E-mail: [email protected]
Mettler-Toledo s. r. o.
Hattalova 12, 831 03 Bratislava
Tel.: +421 2 44 44 12 20, 22, Fax: +421 2 44 44 12 23
Servis: +421 2 44 44 12 21, E-mail: [email protected]
www.mt.com
Pro více informací
Certifikát kvality. Vývoj, výroba a testování
ve shodě ISO 9001.
Systém ochrany životního prostředí
podle ISO 14001.
Technické změny vyhrazeny
Vytištěno v České republice
Evropská shoda. Značka shody CE vám
poskytuje jistotu, že naše výrobky jsou
v souladu s nejnovějšími směrnicemi EU.