動態力學分析如何協助永續聚合物開發工作

Bharath Rajaram | Morgan Ulrich
April 04, 2022

什麼是動態力學分析？

動態力學分析 (DMA) 技術用於測量材料在動態力或循環力影響之下的反應。一般而言，動態力學分析包含探討材料處於小振盪負載下的彈性與黏性反應，進而探測分子結構對於外力擾動的反應。溫度、時間和頻率等其他變量可能會作為測試的一部分加以改變，確定材料在不同環境條件下的表現。

動態力學分析採用的方法是材料設計及開發的關鍵部分，這些材料之中包括了永續聚合物。在此應用中，動態力學分析用於測量玻璃轉移及熔化溫度等重要性質，以及這些材料的固化和老化行為。

這些特性對於所有類型的聚合物行為極為重要。例如，結晶度會影響材料剛性以及剛性隨溫度變化的方式。瞭解玻璃轉移行為可以揭示聚合物混摻體是否相容。在永續聚合物的開發工作中，這些關鍵測試確保了起始材料和最終產品的一致性，同時滿足最終用途性能預期，尤其是在與較傳統的聚合物進行基準測試時。

DMA 量測面對的永續聚合物挑戰

對於永續性聚合物而言，最大的挑戰之一是確定後消費再生材料的物理性能跟傳統原生樹脂有何不同。動態力學分析可以經由篩選及瞭解這些材料的行為和性能來幫助面對此一挑戰。這些結果反過來可以預測使用回收材料對於產品性能所造成的任何不利影響，進而改進設計催生新的再生來源或可生物降解的聚合物候選材料。

執行動態力學分析通常需要對樣品施加特定類型的應力，然後利用某種類型的力傳感器或位移量測來追蹤樣品的變化。首先把樣品夾在儀器中。然後，施加的力具有週期性，通常來自某種類型的驅動馬達。

單一動態力學分析儀可用於找出各種樣品特性，包括玻璃轉移溫度和材料剛度。

選擇合適的動態力學分析儀取決於待測樣品類型。在理想情況下，測量條件需要對應樣品在現場可能遇到的參數範圍。聚合物製造商利用 DMA 確認其材料滿足應用範圍內的任何公差要求，以便確保安全性和期望的性能。

還需要考慮儀器的夾持具類型。部分夾持具經過最佳化，可配合固體使用，也可加熱以便在不同溫度下進行測量。

TA 動態力學分析儀

TA Instruments 是動態力學分析儀和實驗設計領域的全球領先者。我們提供一系列適合不同量測及各種聚合物材料的設備。

TA Instruments 系列包括 DMA 850、 Electroforce DMA 3200 和 3550。這些設備的設計考慮了易用性，同時容易整合現有的工作流程及製程。每部儀器都受惠於 TA Instruments 專利技術，對於樣品定位及施力應用擁有無與倫比的控制能力。

Electroforce DMA 3200 具有 500 N 最大力道，加速度高達 80 G – 即便最苛刻的動態力學分析測試也是理想選擇。Electroforce 3550 型號非常適合在同樣大範圍內進行許多機械疲勞及動態特性測試。DMA 850 是廣泛動態力學分析測試的理想主力，利用空氣軸承及光學編碼器技術帶來最精確的受力靈敏度及位移分辨率。

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參考資料:

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