Wie die Entwicklung nachhaltiger Polymere durch die dynamisch-mechanische Analyse unterstützt wird

Bharath Rajaram | Morgan Ulrich
April 04, 2022

Was ist die dynamisch-mechanische Analyse?

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine Messtechnik, mit der die Reaktion von Materialien auf dynamische oder zyklische Kräfte gemessen wird. Typischerweise wird bei der dynamisch-mechanischen Analyse die elastische und viskose Reaktion des Materials unter einer kleinen oszillierenden Last untersucht, um die Reaktion der Molekularstruktur auf die Störung zu prüfen. Im Rahmen der Tests können auch andere Variablen wie Temperatur, Zeit und Frequenz verändert werden, um zu charakterisieren, wie sich das Material unter verschiedenen Umgebungsbedingungen verhält.

Die Methoden der dynamisch-mechanischen Analyse spielen eine wichtige Rolle beim Design und der Entwicklung von zahlreichen Materialien, einschließlich nachhaltiger Polymere. Für diese Anwendung wird die dynamisch-mechanische Analyse verwendet, um wichtige Eigenschaften wie die Glasübergangs- und Schmelztemperaturen sowie das Aushärtungs- und Alterungsverhalten der Materialien zu messen.

Diese Eigenschaften sind entscheidend für das Verhalten aller Arten von Polymeren. So beeinflusst beispielsweise die Kristallinität die Steifigkeit des Materials und die Art und Weise, wie sich die Steifigkeit als Funktion der Temperatur verändert. Ein Verständnis des Glasübergangsverhaltens kann Aufschluss darüber geben, ob Polymerblends mischbar sind oder nicht. Bei der Entwicklung nachhaltiger Polymere sind dies entscheidende Tests, mit denen sichergestellt wird, dass sowohl die Ausgangsmaterialien als auch die Endprodukte konsistent sind und die Leistungserwartungen für den Endverbraucher erfüllen, insbesondere wenn sie mit herkömmlichen Polymeren verglichen werden.

DMA-Messungen für Herausforderungen bei nachhaltigen Polymeren

Bei nachhaltigen Polymeren besteht eine der größten Herausforderungen darin, herauszufinden, inwieweit sich die physikalischen Eigenschaften von recycelten Materialien von denen herkömmlicher neuer Kunststoffe unterscheiden. Dynamisch-mechanische Analysen können bei dieser Herausforderung helfen, indem sie das Verhalten und die Eigenschaften solcher Materialien untersuchen. Im Gegenzug können die Ergebnisse nachteilige Auswirkungen der Verwendung von recycelten Materialien auf die Leistung des Produkts vorhersagen und zu Verbesserungen bei der Entwicklung neuer erneuerbarer oder biologisch abbaubarer Polymer-Kandidaten führen.

Bei der dynamischen mechanischen Analyse wird in der Regel eine bestimmte Art von Spannung auf eine Probe ausgeübt und dann eine Art von Kraftaufnehmer oder Wegmessung verwendet, um die Veränderungen der Probe zu verfolgen. Die Probe wird zunächst in das Gerät eingespannt. Anschließend wird eine oszillierende Kraft aufgebracht, in der Regel durch eine Art Antriebsmotor.

Mit einem einzigen DMA-Instrument lassen sich eine Vielzahl von Probeneigenschaften ermitteln, darunter Glasübergangstemperaturen und Materialsteifigkeit.

Das richtige Instrument für die dynamisch-mechanische Analyse hängt von der Art der zu messenden Proben ab. Die Messbedingungen müssen idealerweise die Parameterbereiche erfassen, denen die Probe im Feld wahrscheinlich ausgesetzt ist. Polymerhersteller nutzen die DMA, um zu bestätigen, dass ihre Materialien alle erforderlichen Toleranzen innerhalb der Anwendungsbereiche einhalten, um Sicherheit und die gewünschte Leistung zu gewährleisten.

Auch die Art der Probenhalter, die für das Instrument verfügbar sind, muss berücksichtigt werden. Bestimmte Halter sind für die Verwendung mit Festkörpern optimiert oder können beheizt werden, um Messungen bei verschiedenen Temperaturen durchzuführen.

Dynamisch-mechanische Analysegeräte von TA

TA Instruments ist ein weltweit führender Anbieter von Instrumenten für die dynamisch-mechanische Analyse und Versuchsplanung. Wir führen eine Reihe von Geräten, die für verschiedene Messungen und Arten von Polymermaterialien geeignet sind.

Die Produktpalette von TA Instruments umfasst u. a. den DMA 850, den Electroforce DMA 3200 und 3550. Diese Geräte zeichnen sich durch ihre Benutzerfreundlichkeit aus und lassen sich problemlos in bestehende Arbeitsabläufe und Prozesse integrieren. Jedes Gerät profitiert von den patentierten Technologien von TA Instruments, die eine unvergleichliche Kontrolle über die Probenpositionierung und Kraftanwendung ermöglichen.

Der Electroforce DMA 3200 bietet eine maximale Kraft von 500 N bei einer schnellen Beschleunigung von bis zu 80 G – ideal selbst für die anspruchsvollsten Tests der dynamisch-mechanischen Analyse. Das Electroforce 3550 Modell ist für viele mechanische Ermüdungs- und dynamische Charakterisierungstests über einen ähnlich großen Bereich hervorragend geeignet. Der DMA 850 ist das ideale Arbeitstier für eine breite Palette von dynamisch-mechanischen Analysetests und verwendet Luftlager- und optische Encoder-Technologien für die genaueste Kraftsensitivität und Auslenkungsauflösung.

Wenden Sie sich an TA Instruments, um zu erfahren, wie unsere Geräte eine neue Dimension von Informationen und Effizienz in Ihre DMA-Messungen bringen und Ihre Entwicklungen bei nachhaltigen Polymeren beschleunigen können.

Quellennachweise:

1. Menard, K. P., & Menard, N. R. (2020). Dynamic mechanical analysis. CRC press.
2. TA Instruments (2022), DMA instruments, https://www.tainstruments.com/products/rheology/dynamic-mechanical-analyzers/, accessed February 2022