RSA-G2 Solids Analyzer

Der RSA-G2 ermöglicht die unabhängige Messung von Schubspannung und Deformation.

Wenn mechanische Messungen so präzise wie möglich sein sollen, sind zwei Köpfe besser als einer. Das mechanische Verhalten feststofflicher Polymere und weiterer Materialien wird mithilfe von Materialfunktionen wie z. B. Modul oder Nachgiebigkeit beschrieben. Beim Modul handelt es sich um das Schubspannung/Deformations-Verhältnis und bei der Nachgiebigkeit um das Verformungs-Schubspannungs-Verhältnis. Möglichst unverfälschte und genaue viskoelastische Messungen werden durch die unabhängige Messung der grundlegenden Schubspannungs- und Verformungsparameter gewährleistet. Beim TA Instruments RSA-G2 kommt dieses Konzept zum Einsatz, sodass über einen weiten Schubspannungs-, Verformungs- und Frequenzbereich Messungen ohne Messgeräteartefakte möglich sind.

Überragende Konstruktion des RSA-G2

Das Kernstück des Dual Head Feststoffanalysator RSA-G2 bilden der Hochleistungsantriebsmotor und der einzigartige Messwandler. Die Probe wird mit einem direkt angetriebenen DC-Servomotor mit neuartiger DSP-Steuerung von der Unterseite her deformiert. Die in der Probe erzeugte Kraft wird an der Oberseite mit dem patentierten Normalkraft-Nullabgleichssensor (FRT, Force Rebalance Transducer) gemessen. Der FRT des RSA-G2 verfügt zur möglichst präzisen Kraftmessung über einen äußerst empfindlichen Wegaufnehmer und einen Linearmotor mit temperaturkompensierten Seltene-Erden-Magneten. Der FRT misst die Probenkraft direkt anhand des Stroms, der erforderlich ist, damit der Linearmotor des Messwandlers die Null-Position hält. Sowohl der Antriebsmotor als auch der Messwandler verfügen über Präzisionsluftlager, die für eine steife und reibungsfreie lineare Bewegung sowie eine höhere Kraftempfindlichkeit sorgen. Dank der unabhängigen Kraftmessung werden ohne Motorreibungs- und Trägheitskorrektur unverfälschte Kraftmessungen erzielt. Der RSA-G2-Messwandler ist über einen Linearschlitten mit Schrittmotor am Geräterahmen montiert, sodass eine unabhängige vertikale Positionierung möglich ist. Die Messwandlerbewegung erfolgt über eine mit einem starren, vorgespannten Doppellager am Mikroschrittmotor angebrachte Präzisionsleitspindel. Dadurch tritt kein Spiel auf. Der lineare optische Wegaufnehmer wird direkt zwischen dem festen Rahmen und der beweglichen Klemme montiert. Dies ermöglicht die Kopfpositionierung mit der Genauigkeit von 0,1 µm. Vorteile der unabhängigen Wegaufnehmerpositionierung:

• Einfache Klemmeninstallation und Probenbeladung
• Ausgleich von Probendeformation/-kontraktion während Experimenten
• Zusätzliche Funktionen für starke Verformungen, beispielsweise die Prüfung der Dehnrate bis zum Reißen der Probe

Temperaturregelung

Die Temperatur- und Umgebungsregelung des RSA-G2 erfolgt über den neuen Zwangskonvektionsofen (FCO, Forced Convection Oven). Beim FCO handelt es sich um einen Luft-/N2-Gaskonvektionsofen, der für optimale Temperaturstabilität, äußerst schnelles Heizen und Kühlen, einfache Bedienung und einen Temperaturbereich von -150 bis 600 °C ausgelegt ist. Die maximale kontrollierte Heizrate beträgt 60 °C/min. Für die Minimaltemperatur von -150 °C ist die optionale Flüssigstickstoff-Kühleinheit erforderlich. Alternativ ist eine optionale mechanische Kühlung auf eine Minimaltemperatur von -80 °C möglich. Doppelheizelemente, die in der Ofenkammer für eine gegenläufige Luftströmung sorgen, gewährleisten eine herausragende Temperaturstabilität. Der FCO kann auf beiden Seiten des Messgeräts angebracht werden und verfügt standardmäßig über eine langlebige LED-Beleuchtung im Innenraum sowie ein Sichtfenster.

Extrem schnelle Elektronik und Datenverarbeitung

Der RSA-G2 ist mit einer neuen Hochgeschwindigkeitselektronik mit digitaler Signalverarbeitung für die Wegaufnehmermessungen sowie die Motorsteuerung ausgestattet. Während viele Hersteller Kosten einsparen, indem Sie Messgerät und Elektronik in einem Gehäuse unterbringen, lassen sich mit dem TA Instruments RSA-G2 dank der separatenElektronik, präzise Messungen ohne störenden Einfluss durch Vibrationen oder Wärme der Elektronik durchführen. Dieses Konzept gewährleistet eine herausragende Empfindlichkeit des Messgerät sowie die hohe Datenqualität. Die Elektronik ermöglicht eine vollständig integrierte Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung bei transienten- (bis zu 8.000 Hz) und Oszillationsmessungen (bis zu 15.000 Hz). Die hohe Abtastgeschwindigkeit sorgt für eine herausragende Größen- und Phasenauflösung der gemessenen Signale. Außerdem ergibt sich bei der automatischen Analyse im Rahmen von Oszillationsversuchen oder der Analyse im Anschluss an die Fourier-Transformation eine bedeutend höhere harmonische Auflösung. Die bei Oszillationsversuchen in den Schubspannungs-(Kraft-)Signalen auftretenden höheren ungeradzahligen Oberschwingungen sind das Ergebnis nicht linearer Reaktionen. Das Verhältnis der Grundfrequenz zu den ungeradzahligen Oberschwingungen (z. B. jede dritte. fünfte usw.) lässt sich berechnen und als Signal speichern. Außerdem lassen sich die Wellen während Oszillationsversuchen in Echtzeit anzeigen und mit Datenpunkten speichern. Intensitätsverhältnis, Qualität und Form der Wellen sind von unschätzbaren Wert bei der Bestimmung der Datenintegrität sowie der Validierung.

Touchscreen und Tastenfeld

Diese grafische Benutzeroberfläche vereinfacht die Bedienung erheblich. Aufgaben wie die Nullpunkteinstellung der Klemmen, das Bestücken mit Proben und das Einstellen der Temperatur lassen sich direkt am Messgerät vornehmen. Wichtige Daten zum Versuchs- und Gerätestatus wie z. B. Temperatur, Spalt, Kraft und Motorposition werden angezeigt. Der Touchscreen bietet zudem einfachen Zugriff auf Geräteeinstellungen und Diagnoseberichte. Das Tastenfeld am Sockel des Geräts ermöglicht eine problemlose Positionierung des Messkopfs.

FCO-Kamera

Der FCO lässt sich mit einer Zubehörkamera ausstatten. Die Kamera bietet zusätzliche Beleuchtungs- und Fokuseinstellungen, die über die Software TRIOS vorgenommen werden können. Die Software gibt während des Experiments Echtzeitbilder wieder. Die Bilder lassen sich auch gemeinsam mit Datenpunkten zur späteren Anzeige speichern.

Dreipunktbiegung

Bei diesem Modus wird die Probe über Kontakte an drei Punkten (an beiden Enden und in der Mitte) deformiert. Dieses Verfahren wird als die reinste Form der Deformation bezeichnet, da die Probe an den Dreh- und Angelpunkten frei aufliegt und somit die Klemmwirkung keine Rolle spielt. Dies eignet sich ideal für massive Stangen aus steifen Materialien wie z. B. Verbundstoffe, Keramik, glasartige und teilkristalline Polymere sowie Metalle. Die Klemme ist für die standardmäßige Gerätekalibrierung im Lieferumfang des RSA-G2 enthalten. Probengröße: Umfasst Wechselspannvorrichtungen für Probenlängen von 10, 25 und 40 mm. Die maximale Probenbreite beträgt 12,8 mm und die maximale Dicke 5 mm.

Zug

Bei diesem Modus wird die Probe unten und oben eingeklemmt und unter Zug gehalten. Die Zugklemme eignet sich für Zugprüfungen dünner Folien wie z. B. Mülltüten, Verpackungsfolien sowie Einzelfasern und Faserbündeln. Probengröße: Bis zu 35 mm lang, 12,5 mm breit und 1,5 mm dick.

Doppelter und einfacher Cantilever

Die Cantilever-Modi werden auch als „geklemmte“ oder „aufliegende“ Biegemodi bezeichnet, da die Aufliege- und Deformationspunkte mechanisch an der Probe angebracht werden. Im doppelten Cantilever wird die Probe an beiden Enden und in der Mitte geklemmt. Dieselbe Klemme kommt auch als einfacher Cantilever zum Einsatz, wobei die Probe hier zwischen dem einen Ende und der mittleren Klemme eingeklemmt wird. Der einfache Cantilever ermöglicht die Untersuchung kürzerer Proben. Der Cantilever eignet sich ideal für allgemeine Prüfungen von Thermoplasten, Elastomeren und anderen hochgradig gedämpften Materialien sowie zum Messen der Übergänge von Beschichtungen auf einem Trägermaterial.

Probengröße: Bis zu 38 mm lang, 12,5 mm breit und 1,5 mm dick.

Scher-Sandwich

Im Scher-Sandwich-Versuch werden zwei gleich große Materialproben zwischen den beiden Enden und der Mittelplatte eingespannt. Die angelegte Verformung verläuft senkrecht zur Probendicke und stellt eine einfache Scherung der Probe dar. Zu den typischen Proben zählen Polymerschmelzen, Schäume, Elastomere, Gele, Pasten und weitere weiche Feststoffe bzw. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität.

Probengröße: Umfasst drei austauschbare Mittelscherplatten für Probendicken von 0,5, 1,0 und 1,5 mm. Die Scherfläche ist quadratisch (15mm*15mm).

Kompression

In diesem Modus liegt die Probe zwischen oberer und unterer Rundplatte und wird unter verschiedenen Kompressionsbedingungen verformt. Kompression eignet sich zur Prüfung zahlreicher Materialien mit kleinem bis mittlerem Modul, darunter Schäume, Elastomere, Gele und weitere weiche Feststoffe.

Probengröße: Umfasst drei austauschbare Plattensätze mit jeweils einem Durchmesser von 8, 15 und 25 mm. Die maximale Probendicke beträgt 15 mm.

Kontaktlinsenvorrichtung

Die Kontaktlinsenvorrichtung dient zur Prüfung der dynamischen mechanischen Eigenschaften von Kontaktlinsen in einer Salzlösung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs.

Tauchversuch

Das RSA-G2-Tauchsystem wurde für die mechanische Prüfung von eine Flüssigkeit getauchten Feststoffen entwickelt. Die Temperatur der Fluidumgebung wird mit einem in die Flüssigkeit getauchten Platinwiderstandsthermometer gemessen, sodass der Standardregelkreis des Zwangskonvektionsofens umgangen werden kann. Der verfügbare Temperaturbereich liegt zwischen -10 und 200 °C. Das System umfasst Zug-, Kompressions- und Dreipunktbiege-Geometrien. Der Probenbecher lässt sich zum einfachen Bestücken entfernen.

RSA-G2-Tauchversuch

In Abbildung 1 werden Speichermodul, Verlustmodul und tan δ für Temperaturanstiegsprüfungen an einer Fahrzeugbeschichtung an der Luft sowie in einer Lösung dargestellt. Die Lösung hat einen deutlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung. Das Wasser hat eine Weichmacherwirkung auf das Material. Die Glasübergangstemperatur sinkt um fast 29 °C von 102 °C auf 73 °C.

In Abbildung 2 wird eine Reihe von Frequenzdurchläufen an einer über drei Tage bei 25 °C in ein synthetisches Öl getauchten Elastomerprobe dargestellt. Der Frequenzverlauf am ersten Tag erfolgte direkt nach dem Eintauchen der Probe und wurde an den beiden folgenden Tagen wiederholt. Der Speichermodul E’ wies im Verlauf der drei Tage einen Schwund von 16 % auf.

Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)

Bei der DMA handelt es sich um das häufigste Verfahren zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Materialien. Es können sowohl die elastischen als auch die viskosen Materialmerkmale untersucht werden, indem sinusförmige Deformation (oder Schubspannung) angelegt und die sich daraus ergebene sinusförmige Schubspannung (oder Deformation) zusammen mit der Phasendifferenz zwischen den beiden Sinuswellen (Ein- und Ausgang) gemessen wird. Der Phasenwinkel beträgt bei rein elastischen Materialien 0 Grad und bei rein viskosen Materialien 90 °. Viskoelastische Materialien weisen je nach Verformungsgrad einen Phasenwinkel zwischen diesen beiden Idealfällen auf. In den folgenden Abbildungen werden diese sinusförmige Reaktionssignal sowie die verschiedenen ermittelten rheologischen Parameter dargestellt. Die viskoelastischen Parameter lassen sich in Abhängigkeit von Verformungsamplitude, Frequenz, Zeit und Temperatur messen. Zudem werden Beispiele für die einzelnen wichtigen Experimente angeführt.

Deformationsdurchlauf

In dieser Prüfung wird die Deformation bei konstanter Frequenz und Temperatur verändert. Mit Deformationsdurchlaufprüfungen wird der lineare viskoelastische Bereich (Linear Viscoelastic Region, LVR) untersucht. Versuche innerhalb des LVR ergeben wichtige Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, da sich die molekulare Anordnung eines Materials stets nahe dem Gleichgewicht befindet und das Reaktionssignal die inneren dynamischen Prozesse widerspiegelt. Abbildung 3 stellt einen Deformationsdurchlauf an einer gefüllten Elastomerprobe bei 10 Hz in einer Biegungsgeometrie mit doppeltem Cantilever dar. Bei geringer Deformation ist der Modul in der LVR unabhängig von der Deformationsamplitude. Bei einer Deformation von ca. 0,1 % nimmt der Modul ab, sodass das Ende des LVR sichtbar wird. Außerhalb des LVR verläuft die Ausgangsspannungsreaktion auf die Eingangsdeformation nicht länger sinusförmig. Nicht lineare Effekte werden als höhere ungeradzahlige Oberschwingung dargestellt, die vom RSA-G2 erfasst werden können. Die Abbildung zeigt für die einzelnen Deformationswerte das Intensitätsverhältnis von der dritten zur ersten Oberschwingung. Deformationsversuche werden zu zahlreichen weiteren Zwecken durchgeführt, z. B. um den Mullins-Effekt von Kautschuk zu untersuchen oder die Elastizität von Materialien zu vergleichen.

Temperaturrampen

Hierbei handelt es sich um die häufigsten DMA-Experimente. Bei der Messung der viskoelastischen Eigenschaften über einen Temperaturbereich handelt es sich um ein äußerst empfindliches Verfahren, mit dem sich α oder die Glasübergangstemperatur Tg ebenso ermitteln lassen wie weitere β- oder γ-Übergänge von Materialien. Bei Temperaturrampen kommt eine lineare Heizrate zum Einsatz. Die typischen Heizraten bewegen sich in der Größenordnung von 1 bis 5 °C/min. Die Materialreaktion wird bei einer oder mehreren Frequenzen an einer Amplitude innerhalb des LVR beobachtet, wobei im definierten Zeitintervall Daten gemessen werden.

Abbildung 4 zeigt eine Temperaturrampe für Polycarbonat in einem einfachen Cantilever. Beachten Sie, dass die Daten im glasartigen Bereich beginnen und bis zur Schmelze gemessen werden: ein Beleg für die Vorteile der RSA-G2-Technologie. Die Übergänge lassen sich anhand mehrerer Parameter ermitteln, darunter der Anfangspunkt E’ oder die Spitzen von E” oder tan δ. Bei welcher Temperatur der Übergang erfolgt, ist abhängig vom ausgewählten Parameter.

Da der Glasübergang eine kinetische Komponente beinhaltet, ist der stark von der Frequenz (Rate) der Verformung beeinflusst. Mit zunehmender Frequenz können die molekularen Relaxationen nur bei höheren Temperaturen auftreten, sodass der Glasübergang bei einer höheren Temperatur erfolgt. Ein Beispiel für die Frequenzabhängigkeit eines Glasübergangs finden Sie in Abbildung 5 für eine Polyphenylsulfid-Probe. Weder die Form und Intensität der tan δ-Spitze noch die Neigung des Speichermoduls in der Übergangsregion sind betroffen.

Frequenzverlauf

In dieser Prüfung wird bei konstanter Temperatur und Deformation die Frequenz verändert. Abbildung 6 stellt den viskoelastischen Fingerabdruck eines linearen Homopolymers sowie die Abweichungen von E’ und E” in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Da es sich bei der Frequenz um die Umkehrfunktion der Zeit handelt, zeigt die Kurve die zeitabhängige mechanische Reaktion, wobei kurze Zeitwerte einem feststofflichen und lange Zeitwerte einem flüssigkeitsartigen Verhalten entsprechen. Magnitude und Form der Kurven E’ (G’) und E” (G”) sind von der Molekularstruktur abhängig. Frequenzdurchläufe bewegen sich in der Regel in einem eingeschränkten Bereich von 0,1 bis 100 Hz. Dies wird in Abbildung 7 unter Verwendung der RSA-G2-Scher-Sandwich-Klemme für einen Haftklebstoff bei 70 °C dargestellt. In diesem Temperatur- und Frequenzbereich befindet sich die Probe in den End- und Plateaubereichen.

Temperaturdurchläufe

Für dieser Prüfung wird ein Temperaturprofil eingesetzt, bei dem die Temperatur schrittweise verändert und gehalten wird. Für jeden Temperaturschritt wird die Probe über einen festgelegten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten, um eine gleichmäßige Materialtemperatur zu gewährleisten. Die Materialreaktion wird anschließend bei einer oder mehreren Frequenzen an einer Deformation im LVR gemessen.

Abbildung 8 zeigt die Ergebnisse eines Temperaturdurchlaufs an einem Haftklebstoff mit einem Temperaturbereich von 40 °C bis 80 °C. Bei allen Durchlaufschritten um 10 °C wurde die Probe in einem Frequenzbereich von 0,1 bis 100 Hz gescannt. Der Speichermodul wird für jeden 10-°C-Schritt in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet. Dies ist die bevorzugte Methode für Zeit-Temperatur-Superpositionsuntersuchungen, da alle frequenzabhängigen Daten bei derselben Temperatur erfasst werden.

Zeit-Temperatur-Superposition (Time-Temperature Superposition, TTS) dient zur Erweiterung des Frequenzbereichs, indem über einen weiten Temperaturbereich eine Reihe von Frequenzdurchläufen erfolgt. Abbildung 9 zeigt die Masterkurve für eine Acrylnitril-Butadien-Styrol-Probe bei einer Referenztemperatur von 25 °C. In diesem Beispiel wurde der ursprüngliche Frequenzbereich von zwei auf 14 Dekaden erweitert.

Zeitdurchlauf

Bei diesem Versuch werden die viskoelastischen Eigenschaften bei konstanter Temperatur, Deformation und Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Der Zeitdurchlauf ergibt wichtige Daten über die zeitabhängigen strukturellen Veränderungen wie z. B. Aushärtungsreaktionen oder Ermüdung. In Abbildung 10 dient als Beispiel ein Zweikomponentenepoxid, das mit einem doppelten Cantilever-Probenhalter auf einer Glasfaserauflage ausgehärtet wurde. Bei kurzen Zeitwerten ist der Speichermodul klein, während er mit dem Aushärten des Epoxids anwächst.

Schrittprüfungen: Kriech- und Schubspannungsrelaxation

Schrittprüfungen wie z. B. Schubspannungsrelaxation und Kriecherholung verdanken ihren Namen der schrittweisen Probenverformung oder Schubspannungsbelastung. Beides sind sehr empfindliche Prüfungen zur Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Materialien. Beim Kriech- und Regenerationsversuch wird die Probe bei t1 mit einer konstanten Schubspannung belastet, wobei die daraus resultierende Deformation über die Zeit gemessen wird. Bei t2 erfolgt eine Schubspannungsentlastung, um die Regenerations-(Rücklauf-)Deformation zu messen. Die Kriechnachgiebigkeit D(t) wird aus der Schubspannung sowie der zeitabhängigen Deformation berechnet. Bei der Schubspannungsrelaxation wird die Probe durch eine instantane Schubspannung belastet, die konstant gehalten wird. Der daraus resultierende Schubspannungsabfall wird in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und ergibt den Relaxationsmodul E(t) oder G(t).

In Abbildung 11 wird ein Beispiel für das Kriechverhalten und die Regeneration eines weichen Schaumstoffs unter Kompression dargestellt. Dabei wurde für 60 s eine Schubspannung von 2.000 Pa angelegt und die Deformationsregeneration über 60 s verfolgt.

Abbildung 12 zeigt den Schubspannungsrelaxationsmodul für PDMS in einer Scher-Sandwich-Klemme bei 25 ˚C und einer Deformation von 5 %. G(t) wird berechnet, indem der zeitabhängige Schubspannungsabfall durch die angewandte Deformation dividiert wird. Dies ist eine schnelle und einfache Methode zur direkten Messung der Relaxationszeit von Materialien.

Isostrain- und Isostress-Prüfungen

In diesem Modus werden Deformation oder Schubspannung bei linearer Heizrate auf konstanten Werten gehalten. Diese Prüfungen eignen sich zur Auswertung des mechanischen Verhaltens unter fester Last (Schubspannung) oder fester Deformation (Deformation). In Abbildung 13 wird eine PET-Folienprobe dargestellt, die in einer Zuggeometrie unter Isostress-Bedingungen und bei linearer Heizrate geprüft wird, auf die sofort eine Isostrain-Bedingung und eine lineare Kühlrate folgt. Aus der Abbildung wird ersichtlich, dass die Deformation unter Isostress größer wird, wenn die Probe erwärmt und dadurch weicher wird. Bei einer Temperatur von 85 °C wird die Deformation anschließend konstant gehalten. Beim Abkühlen der Probe steigt deren Schubspannung. Diese Prüfmodi eignen sich ideal zur Analyse von Formgedächtnismaterialien.

Axialprüfungen

Da für den Messwandler des Geräts dank des Linearschlittens und des Schrittmotors die Möglichkeit einer unabhängigen vertikalen Positionierung gegeben ist, können mit dem RSA-G2 vielfältige zusätzliche Axialversuche durchgeführt werden. Eine Probe kann unter konstanter linearer Deformationsrate, Hencky-Deformationsrate, Kraft oder Schubspannung verformt werden. Dies ergibt herkömmlichere Schubspannungs-/Deformationskurven.

Abbildung 14 zeigt eine Polyethylenfolie, die bei 25 °C mit der Zuggeometrie und einer konstanten linearen Rate von 5 µm pro Sekunde geprüft wurde. Es ergibt sich eine klassische Schubspannungs-/Deformationskurve mit Dehngrenze, Bruchfestigkeit und Bruchpunkt.