RSA-G2 Solids Analyzer

El RSA-G2 brinda mediciones independientes del esfuerzo y la deformación

Cuando se trata de obtener las mediciones mecánicas más precisas, dos cabezales son mejores que uno. El comportamiento mecánico de los polímeros sólidos y otros materiales se describe mediante funciones materiales tales como módulo o cumplimiento. El módulo es la relación esfuerzo/deformación y el cumplimiento es la relación deformación/esfuerzo. Para obtener las mediciones viscoelásticas más puras y exactas, lo mejor es medir los parámetros fundamentales de esfuerzo y deformación de manera separada. Este abordaje, adoptado por el RSA-G2 de TA Instruments, conduce a mediciones libres de errores de los instrumentos en amplios rangos de esfuerzo, deformación y frecuencia.

Ventajas del diseño del RSA-G2

En el corazón del analizador de sólidos de cabezal doble RSA-G2 se encuentra el motor de alto rendimiento y transductor exclusivo. La muestra se deforma desde abajo gracias a la acción de un servomotor de CC directo con un procesador digital de señales (DSP, Digital Signal Processing) electrónico nuevo. El transductor de reequilibrio de fuerzas (FRT, Force Rebalance Transducer) patentado mide la fuerza generada en la muestra en la parte superior. El FRT del RSA-G2 incorpora un sensor de posición de alta sensibilidad y un motor lineal con imanes de tierras raras compensados por temperatura para garantizar mediciones de fuerza más exactas. El FRT mide la fuerza de la muestra directamente a partir de la corriente requerida para hacer que el motor lineal del transductor se mantenga en posición cero. Tanto el motor como el transductor incluyen cojinetes de aire de alta precisión para lograr un soporte rígido y sin fricción del movimiento lineal y mayor sensibilidad a fuerzas. La medición de fuerzas independiente elimina las correcciones por inercia y fricción del motor y se traduce en la medición de fuerzas más pura disponible. El transductor del RSA-G2 se encuentra montado a la estructura del instrumento mediante una corredera lineal y un motor paso a paso que permite la ubicación vertical independiente. El movimiento del transductor se produce mediante un tornillo de anclaje de precisión de plomo sujeto a un motor por microstepping mediante un cojinete doble precargado rígido que elimina el contragolpe. Un codificador óptico lineal se monta directamente entre el marco estático y el soporte móvil para lograr precisión en la ubicación del cabezal, hasta una exactitud de 0,1 micras. Los beneficios de la colocación de un transductor independiente son los siguientes:

• Facilidad de instalación de abrazaderas y carga de muestras
• Compensación de la expansión/contracción de las muestras durante los experimentos
• Capacidades de análisis adicionales para deformaciones grandes, tales como pruebas de tasa de esfuerzo para estirar las muestras hasta la falla

Control de la temperatura

El nuevo horno de convección forzada (FCO, Forced Convection Oven) proporciona el control ambiental y de la temperatura para el RSA-G2. El FCO es un horno de convección de aire/gas N2 diseñado para una estabilidad térmica óptima, calentamiento y enfriamiento extremadamente rápidos y facilidad de uso en un rango de temperatura de -150 °C a 600 °C. La velocidad de calentamiento controlada máxima es de 60 °C/min. Para obtener la temperatura mínima de -150 °C es necesario un dispositivo de enfriamiento por nitrógeno líquido optativo. Además, es posible un enfriamiento mecánico optativo de hasta una temperatura mínima de -80 °C. El uso de calentadores de elementos gemelos, que proporcionan un flujo de aire en sentido contrario a la rotación dentro de la cámara del horno, logra una estabilidad térmica superior. El FCO puede montarse en cualquier lado de la estación de prueba y se provee estándar con una lámpara de LED interna de larga duración y un puerto de visualización.

Procesamiento de datos y electrónica de alta velocidad

El RSA-G2 se encuentra equipado con un sistema electrónico de alta velocidad con procesamiento digital de señales para las mediciones del transductor y el control del motor. Mientras que muchos fabricantes abaratan costos al combinar la estación de pruebas y el sistema electrónico en una sola caja, el enfoque de sistema electrónico separado del RSA-G2 de TA Instruments aísla mediciones precisas de calor y vibración. Este enfoque garantiza que la estación de pruebas brindará la mayor sensibilidad y la mejor calidad de datos posibles. El sistema electrónico permite la adquisición a alta velocidad de datos completamente integrados para mediciones de oscilación (hasta 15 000 Hz) y transitorias (hasta 8000 Hz). La alta velocidad de muestreo brinda una resolución de magnitud y fase de las señales medidas superior, y permite una resolución armónica más alta mucho mejor para el análisis automático durante las pruebas de oscilación o después de los análisis de transformación de Fourier. Las armonías impares más altas que surgen en la señal de esfuerzo (fuerza) en las pruebas de oscilación son el resultado de una respuesta no lineal. El cociente entre la frecuencia fundamental y las armonías impares, tales como la 3.ª, la 5.ª, etc., puede calcularse y almacenarse como una señal. Además, las ondas en tiempo real durante las pruebas de oscilación pueden presentarse y guardarse con los puntos de datos. El cociente de intensidad y la calidad y la forma de la onda son herramientas invaluables de validación e integridad de los datos.

Pantalla táctil y teclado

Esta interfaz gráfica añade una nueva dimensión en lo que se refiere a la facilidad de uso. Las actividades interactivas, tales como la puesta en cero de las abrazaderas, la carga de las muestras y la configuración de la temperatura, pueden llevarse a cabo en la estación de pruebas. Se visualizan datos importantes, como el estado de los instrumentos e información de las pruebas, p. ej., temperatura, separación, fuerza y posición del motor. La pantalla táctil también brinda fácil acceso a la configuración de los instrumentos y a los informes diagnósticos. El teclado en la base del instrumento permite el fácil posicionamiento del cabezal medidor.

Visor de cámara del FCO

Al FCO se le puede incorporar un accesorio visor de cámara optativo. La cámara incluye controles de enfoque e iluminación adicionales, que pueden ajustarse mediante el software de control TRIOS. Durante el experimento, el software presenta imágenes en tiempo real, que pueden almacenarse con puntos de datos para su posterior revisión.

Flexión de tres puntos

En este modo, la muestra se deforma alrededor de tres puntos de contacto, en los dos extremos y en el medio. Se considera un modo de deformación “puro”, ya que la muestra se encuentra apoyada libremente sobre fulcros y se eliminan los efectos del agarre con abrazaderas. Es ideal para el análisis de barras sólidas de materiales rígidos, tales como compuestos, cerámicos, polímeros vidriados y semicristalinos, y metales. La abrazadera se incluye en todo RSA-G2 estándar para la calibración de rutina del instrumento. Tamaño de la muestra: Incluye piezas de extensión intercambiables para longitudes de muestras de 10, 25 y 40 mm. El ancho de muestra máximo es 12,8 mm y el espesor máximo es 5 mm.

Tensión

En este modo, la muestra se sujeta con abrazaderas en los extremos superior e inferior, y se encuentra en tensión. La abrazadera de tensión es para el análisis ténsil de capas finas, tales como bolsas de basura, capas de empaque, fibras individuales y manojos de fibras. Tamaño de la muestra: Hasta 35 mm de largo, 12,5 mm de ancho y 1,5 mm de espesor.

Soporte simple y doble

Los modos de soporte también se conocen como modos de doblado “con abrazadera” o “soportado” porque los puntos de soporte y deformación se fijan a la muestra de forma mecánica. Con un soporte doble, la muestra se sujeta con abrazaderas en ambos extremos y en el centro. La misma abrazadera se usa para el soporte simple, en el que la muestra se sujeta entre un extremo y la abrazadera central. El soporte simple permite el análisis de longitudes de muestra más cortas. El soporte es ideal para el análisis general de termoplásticos, elastómeros y otros materiales muy húmedos, así como para medir las transiciones de los revestimientos en los sustratos.

Tamaño de la muestra: Hasta 38 mm de largo, 12,5 mm de ancho y 1,5 mm de espesor.

Abrazadera de tres capas

En una abrazadera de tres capas, dos porciones de igual tamaño de un material se colocan entre dos extremos y un plato central. La deformación aplicada es paralela al espesor de la muestra y la deformación resultante es el simple excedente. Entre las muestras analizadas de manera típica se encuentran polímeros fundidos, elastómeros, geles, pastas y otros sólidos blandos o líquidos de gran viscosidad.

Tamaño de la muestra: Incluye tres platos de esquileo centrales intercambiables para adaptarse a espesores de muestra de 0,5, 1,0 y 1,5 mm; la superficie de esquileo es de 15 mm².

Compresión

En este modo, la muestra se coloca entre un plato redondo superior y uno inferior, y se la deforma bajo distintas condiciones de compresión. La compresión puede usarse para analizar muchos materiales de módulo de bajo a moderado, entre ellos, espumas, elastómeros, geles y otros sólidos blandos.

Tamaño de la muestra: Incluye tres juegos de platos intercambiables de 8, 15 y 25 mm de diámetro; el espesor de muestra máximo es 15 mm.

Accesorio para lentes de contacto

El accesorio para lentes de contacto se diseñó para el análisis de las propiedades mecánicas dinámicas de los lentes de contacto sumergidos en solución salina en un rango específico de temperatura.

Pruebas de inmersión

El sistema de inmersión RSA-G2 se diseñó para el análisis mecánico de materiales sólidos mientras se encuentran sumergidos en un líquido. La temperatura del entorno fluido se mide mediante un termómetro de resistencia de platino (PRT, Platinum Resistance Thermometer) sumergido en el líquido, que sobrepasa el circuito de control estándar del horno de convección forzada. El rango de temperatura posible es de -10 °C a 200 °C. El sistema incluye geometría de tensión, compresión y doblado en tres puntos. La copa que rodea la muestra es extraíble, para facilitar la carga de las muestras.

Aplicación de inmersión RSA-G2

La Figura 1 muestra el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdidas y tan δ para las pruebas de aumento de la temperatura que se ejecutan sobre un revestimiento automotriz analizado en aire y sumergido en un solvente. El solvente tiene un efecto radical sobre las propiedades mecánicas del revestimiento. El agua le da plasticidad al material. Se observa que la temperatura de transición del vidrio disminuye casi 29 °C, de 102 °C a 73 °C.

La Figura 2 presenta una serie de barridos de frecuencia realizados a una muestra de elastómero sumergida en aceite sintético a una temperatura de 25 °C durante tres días. El barrido de frecuencia se realizó ni bien se sumergió la muestra el día uno y se repitió los días dos y tres. El módulo de almacenamiento E’ mostró una disminución de la magnitud del 16 % en tres días.

Análisis mecánico dinámico, DMA

El DMA es el tipo de prueba más común para la medición de las propiedades viscoelásticas de los materiales. Es posible estudiar las características elásticas y viscosas del material al imponer una deformación (o esfuerzo) sinusoidal y medir el esfuerzo (o deformación) sinusoidal resultante junto con la diferencia de fase entre las dos ondas sinusoidales (entrada y salida). El ángulo de fase es cero grados para los materiales puramente elásticos y 90° para los materiales puramente viscosos. Los materiales viscoelásticos presentan un ángulo de fase en cualquier punto intermedio entre estos dos casos ideales, según la tasa de deformación. Las figuras a continuación presentan estas respuestas sinusoidales junto con la variedad de parámetros reológicos obtenidos. Los parámetros viscoelásticos pueden medirse como una función de la amplitud de deformación, su frecuencia, tiempo y temperatura, y se incluyen ejemplos de cada experimento importante.

Barrido de deformaciones

En esta prueba, la frecuencia y la temperatura se mantienen constantes y se varía la deformación. Las pruebas de barrido de deformaciones se usan para identificar la región viscoelástica lineal (LVR, Linear Viscoelastic Region). Las pruebas realizadas dentro de la LVR brindan relaciones propiedades/estructura poderosas, ya que la disposición molecular de un material nunca se encuentra lejos del equilibrio y la respuesta es un reflejo de procesos dinámicos internos. La Figura 3 presenta un barrido de deformaciones en una muestra de elastómero lleno analizada a 10 Hz en geometría de flexión con soporte doble. A deformaciones bajas, dentro de la LVR, el módulo es independiente de la amplitud de deformaciones. A una deformación de aproximadamente el 0,1 %, la magnitud del módulo comienza a disminuir hacia el fin de la LVR. Fuera de la LVR, la respuesta del esfuerzo de la salida al esfuerzo de entrada ya no es sinusoidal. Los efectos no lineales se presentan como armonías impares más altas, que el RSA-G2 logra recoger. La figura muestra el cociente de intensidad de las armonías de la tercera a la primera en cada valor de deformación. Las pruebas de barrido de deformaciones pueden usarse para muchas razones adicionales, tales como el entendimiento del efecto Mullins en el caucho o la comparación de la resiliencia de los materiales.

Aumentos de temperatura

Estos son los experimentos DMA más comunes. La medición de las propiedades viscoelásticas en un rango de temperaturas se realiza mediante una técnica extremadamente sensible para obtener α o la temperatura de transición del vidrio, Tg, al igual que las transiciones adicionales β o γ en un material. En un aumento de temperatura, se aplica una velocidad de calentamiento lineal. Las velocidades de calentamiento típicas se encuentran entre los 1 °C y 5 °C/min. La respuesta del material se monitorea a una o varias frecuencias a una amplitud dentro de la LVR, con datos tomados en un intervalo de tiempo definido.

La Figura 4 muestra una prueba de aumento de temperatura realizada sobre policarbonato a un soporte único. Observe que los datos comienzan en la región vidriada y se miden en la fusión, lo cual demuestra la ventaja de la tecnología RSA-G2. Se pueden usar varios parámetros para determinar las transiciones, entre ellos el punto de aparición E’ o los picos en E” o tan δ. La temperatura a la que ocurre la transición depende del parámetro seleccionado.

Tg es fuertemente influido por la frecuencia (tasa) de deformación debido a su componente cinético. A medida que aumenta la frecuencia, las relajaciones moleculares solo pueden producirse a temperaturas mayores y, por lo tanto, Tg cambiará a una temperatura mayor. En la Figura 5 se presenta un ejemplo de la dependencia de la frecuencia de una transición a vidrio de una muestra de polímero semiconductor. Observe la forma y la intensidad del pico tan δ y la pendiente del módulo de almacenamiento en la región de transición se verá afectada.

Barrido de frecuencias

En esta prueba, la temperatura y la deformación se mantienen constantes y se varía la frecuencia. La Figura 6 ilustra la huella viscoelástica para un homopolímero lineal y muestra la variación de E’ y E” como una función de la frecuencia. Como la frecuencia es la inversa del tiempo, la curva muestra la respuesta mecánica dependiente del tiempo, con tiempos cortos que corresponden a comportamiento similar al de sólidos y tiempos prolongados que corresponden a comportamiento similar al de líquidos. La magnitud y la forma de las curvas de E’ (G’) y E”(G”) dependen de la estructura molecular. Los barridos de frecuencias suelen ejecutarse en un rango limitado de 0,1 a 100 Hz, tal como lo muestra la Figura 7 para un adhesivo sensible a la presión a 70 °C mediante la abrazadera de tres capas del RSA-G2. A este rango de frecuencia y temperatura, la muestra se encuentra en las regiones estable y terminal.

Barridos de temperaturas

En esta prueba, se aplica un perfil de saltos de temperatura. En cada salto de temperatura, la muestra se mantiene a esa temperatura durante un periodo definido a fin de garantizar la uniformidad térmica del material. A continuación, la respuesta del material se mide a una o varias frecuencias con una deformación dentro de la LVR.

La Figura 8 presenta los resultados de un barrido de temperaturas realizado a un adhesivo sensible a la presión en un rango de temperatura de entre 40 °C y 80 °C. La muestra se escaneó en un rango de frecuencia de entre 0,1 y 100 Hz en cada salto de 10 °C. El módulo de almacenamiento se grafica como una función de la frecuencia para cada salto de 10 °C. Este es el método elegido para los estudios de superposición tiempo/temperatura, ya que todos los datos dependientes de la frecuencia se obtienen a la misma temperatura.

La superposición tiempo/temperatura (TTS) se usa para extender el rango de frecuencia al realizar una serie de barridos de frecuencia en un amplio rango de temperatura. La Figura 9 presenta una curva maestra construida a una temperatura de referencia de 25 °C para una muestra de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). En este ejemplo, el rango de frecuencia original de dos décadas se extendió a 14 décadas.

Barrido de tiempos

En esta prueba, la temperatura, la deformación y la frecuencia se mantienen constantes mientras se miden las propiedades viscoelásticas como una función del tiempo. El barrido de tiempos brinda información importante sobre los cambios estructurales dependientes del tiempo, tales como una reacción de curado o estudios de fatiga. La Figura 10 presenta un ejemplo de un poliepóxido de dos partes curado sobre una banda de fibra de vidrio de soporte con una abrazadera de soporte doble. En tiempos cortos, el módulo de almacenamiento es bajo y aumenta en magnitud a medida que el poliepóxido se cura y endurece.

Pruebas paso a paso: Creep (deformación por fluencia lenta) y relajación del esfuerzo

Las pruebas paso a paso, entre ellas las de relajación del esfuerzo y recuperación de creep, se denominan de ese modo porque la deformación de la muestra o el esfuerzo se aplican en pasos. Ambas pruebas son altamente sensibles para la medición de las propiedades viscoelásticas de los materiales. En creep y recuperación, a la muestra se le aplica un esfuerzo constante en t1 y la deformación resultante se mide en el tiempo. En t2 se elimina el esfuerzo y se mide la deformación en la recuperación (retroceso). El cumplimiento de creep, D(t), se calcula a partir del esfuerzo y la deformación dependiente del tiempo. En la relajación del esfuerzo, a la muestra se le aplica una deformación instantánea que se mantiene constante. El deterioro del esfuerzo resultante se mide como una función del tiempo que arroja un módulo de relajación E(t) o G(t).

La Figura 11 presenta un ejemplo de una prueba de creep y recuperación realizada a un material de espuma suave en compresión. Se aplicó un esfuerzo de 2000 Pa durante 60 s y se monitoreó la recuperación del esfuerzo durante 60 s.

La Figura 12 presenta el módulo de relajación del esfuerzo para polidimetilsiloxano (PDMS) en una abrazadera de tres capas a 25 ˚C y con un 5 % de esfuerzo. G(t) se calcula a partir del deterioro del esfuerzo dependiente del tiempo dividido por el esfuerzo aplicado, y brinda un modo fácil y rápido de medir de forma directa los tiempos de relajación de los materiales.

Pruebas de isoesfuerzo e isodeformación

En este modo, la deformación o el esfuerzo son mantenidos en un valor constante y se aplica una velocidad de calentamiento lineal. Estas pruebas son valiosas para evaluar el comportamiento mecánico bajo condiciones de carga fija (esfuerzo) o deformación fija (deformación). La Figura 13 presenta una muestra de una capa de PET analizada en geometría de tensión bajo condiciones de isoesfuerzo con una velocidad de calentamiento lineal seguida de inmediato por una condición de isodeformación y una velocidad de enfriamiento lineal. En la figura puede observarse que, bajo isoesfuerzo, la deformación se agranda a medida que la muestra se calienta y ablanda. A una temperatura de 85 °C, la deformación se mantiene constante y, a medida que la muestra se enfría, el esfuerzo de la muestra aumenta. Estos modos de prueba son ideales para la caracterización de los materiales con efecto térmico de memoria.

Pruebas axiales

Una corredera lineal y un motor paso a paso que permite la ubicación vertical independiente del transductor del instrumento permiten que el RSA-G2 realice pruebas axiales adicionales para lograr la máxima flexibilidad de análisis. Una muestra puede deformarse bajo velocidad de deformación lineal constante, velocidad de deformación de Hencky, fuerza o esfuerzo para generar curvas de esfuerzo/deformación más tradicionales.

La Figura 14 presenta una película de polietileno analizada con geometría de tensión a 25 °C y una velocidad lineal constante de 5 micras por segundo. Se observa una curva de esfuerzo-deformación clásica con el límite de resistencia, la tensión de rotura y el punto de fractura.