第第5 5章章 3-3-动态热机械分析动态热机械分析Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA1 热机械分析热机械分析 1 1、零负荷测定、零负荷测定、零负荷测定、零负荷测定2 2、静态负荷测定、静态负荷测定、静态负荷测定、静态负荷测定3 3、动态负荷测定、动态负荷测定、动态负荷测定、动态负荷测定热膨胀法热膨胀法静态热机械静态热机械动态热机械动态热机械1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法定义：在程序控温下，测量物质在可忽定义：在程序控温下，测量物质在可忽 略负荷时略负荷时尺寸尺寸与与温度温度关系的技术。关系的技术。线热膨胀法线热膨胀法体热膨胀法体热膨胀法1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法线热膨胀法线热膨胀法：温度升高：温度升高1度，试样某一方度，试样某一方向上相对伸长（或收缩）量：向上相对伸长（或收缩）量： = L /L /（L L0 0 T T） 线线膨膨胀胀系数（系数（1/K1/K） L L0 0初始初始长度度 T T试验温度差温度差1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法 = L /L /（L L0 0 T T） 美国：美国：-30-30 日本：日本： 25-80 我国：我国： 0-40注意：要求测试温度范围内无相转变注意：要求测试温度范围内无相转变1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法体热膨胀法体热膨胀法：温度升高：温度升高1度，试样体积膨度，试样体积膨胀（或收缩）的相对量：胀（或收缩）的相对量： = V /V /（V V0 0 T T） 体膨体膨胀胀系数（系数（1/K1/K） V V0 0初始体初始体积 T T试验温度差温度差1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法DIL 402 PC热膨胀仪热膨胀仪 德国德国 1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法DIL 402 C热膨胀仪热膨胀仪 德国德国 1 热机械分析热机械分析 1-1 1-1 热膨胀法热膨胀法DIL 402 E热膨胀仪热膨胀仪 德国德国 1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析 定义定义：在程序控温下，测量物质在：在程序控温下，测量物质在非非振动负荷振动负荷下的下的温度温度与与形变形变关系的技术。关系的技术。 拉伸拉伸压缩压缩弯曲弯曲扭转扭转1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析 LLT/T/T Tg gT Tf f例例1 PMMA 温度温度-形变曲线（形变曲线（压缩压缩）1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析 LLT/T/例例3 PE 线膨胀系数（线膨胀系数（压缩压缩）HDPEHDPELDPELDPE1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析LLT/T/例例4 环氧树脂环氧树脂 线膨胀系数（线膨胀系数（压缩压缩）T T T Tg g g g=128=128=128=128d L/d L/d L/d L/dtdtdtdt1 热机械分析热机械分析 1-21-2 静态热机械分析静态热机械分析针入度入度T/T/例例5 聚酯聚酯/聚酰亚胺（聚酰亚胺（针入度针入度）T T T Tg1g1g1g1 T T T Tg2g2g2g2 1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析温温度度负荷荷压头样品品介介质千分表千分表例例6 塑料维卡软化点测定（塑料维卡软化点测定（针入度针入度）1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析温温度度负荷荷压头样品品介介质千分表千分表例例6 塑料热变形温度测定（塑料热变形温度测定（弯曲法弯曲法）1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析L LT/T/例例6 温度温度-弯曲形变曲线（弯曲形变曲线（弯曲法弯曲法）PCPCHDPEHDPEHDPEHDPELDPELDPELDPELDPEPVCPVC1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析L LT/T/例例6 温度温度-拉伸形变曲线（拉伸形变曲线（拉伸法拉伸法）硬硬PVCPVCLDPELDPELDPELDPE苯苯苯苯丙共聚丙共聚丙共聚丙共聚纤维纤维素素素素1 热机械分析热机械分析 1-2 1-2 静态热机械分析静态热机械分析V VT/T/例例7 天然橡胶体膨胀曲线（天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法膨胀法）T T T Tg g g g T T T Tmmmm T T T Tg g g g 2 动态热机械分析动态热机械分析 2-1 2-1 基本定义基本定义 定义定义：在程序控温下，测量物质在：在程序控温下，测量物质在振振动载荷动载荷下的下的动态模量动态模量和（或）和（或）力学损耗力学损耗与与温度温度的关系。的关系。(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)2 动态热机械分析动态热机械分析 2-2 2-2 基本特点基本特点特点特点1：小样品，宽温度、频率范围。：小样品，宽温度、频率范围。特点特点2：表征结构变化：表征结构变化-分子运动分子运动- 性能。性能。特点特点3：动态载荷产品设计（轮胎）。：动态载荷产品设计（轮胎）。玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理粘性粘性在应力下产生流动的能力在应力下产生流动的能力弹性弹性应力后恢复原状的能力应力后恢复原状的能力粘弹性粘弹性同时具粘性液体与纯弹性质同时具粘性液体与纯弹性质应力应力单位面积上承受的力单位面积上承受的力应变应变 = L/L = L/L0 02 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理模量模量应力与应变之比，刚性量度。应力与应变之比，刚性量度。柔量柔量模量的倒数，柔性量度。模量的倒数，柔性量度。泊松比泊松比外力下纵、横向应变之比。外力下纵、横向应变之比。 = -= - 2 2/ / 1 1E=2GE=2G（1+1+ ）E E杨氏模量，氏模量，G G剪切模量剪切模量2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理线性粘弹性行为：线性粘弹性行为： = = 0 0 sin ( sin ( t) t) = = 0 0 sin (sin ( t + t + ) )角频率角频率 相位差相位差2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理线性粘弹性行为：线性粘弹性行为： = 0 sin(t) cos + 0cos (t)sin = 0 sin (t)2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理线性粘弹性行为：线性粘弹性行为： = 0 E sin(t) + 0 E cos (t) E = ( 0 / 0 ) COSCOS E = ( 0 / 0 ) sin 2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理ETan非晶态高聚物非晶态高聚物DMA温度谱温度谱（频率一定频率一定）次级松弛转变次级松弛转变玻璃化转变玻璃化转变T2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理lgETan非晶态高聚物非晶态高聚物DMA频率谱频率谱（温度一定温度一定）lg lgEEETan2 动态热机械分析动态热机械分析 2-3 2-3 基本原理基本原理高聚物高聚物 DMA频率谱频率谱（温度一定温度一定）高聚物高聚物 DMA温度谱温度谱（频率一定频率一定）由于调节温度比调频率由于调节温度比调频率更容易，因此更容易，因此DMADMA温度谱温度谱最常用。最常用。2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器DMA 242 C动态热机械分析仪动态热机械分析仪 2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F三点弯曲三点弯曲2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F双悬臂梁双悬臂梁2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F单悬臂梁单悬臂梁2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F纤维延伸纤维延伸2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F薄膜延伸薄膜延伸2 动态热机械分析动态热机械分析 2-4 2-4 分析仪器分析仪器F平行板平行板3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-1 3-1 玻璃化温度测定玻璃化温度测定TE , Tan.Tg 玻璃化转变附近玻璃化转变附近: :E ,TanE ,Tan最大最大 3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-1 3-1 玻璃化温度测定玻璃化温度测定 例例1 NBR/NBR/S,ZnO,DMS,ZnO,DM/C/C体系体系 3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-1 3-1 玻璃化温度测定玻璃化温度测定 例例1 NBR/CoClNBR/CoCl2 2体系体系 3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-2 3-2 耐热性能评价耐热性能评价温温度度负荷荷压头样品品介介质千分表千分表例例6 塑料维卡软化点测定（塑料维卡软化点测定（针入度针入度）温温度度负荷荷压头样品品介介质千分表千分表例例6 塑料热变形温度测定（塑料热变形温度测定（弯曲法弯曲法）3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-2 3-2 耐热性能评价耐热性能评价 特点特点：热变形温度（维卡软化点）测：热变形温度（维卡软化点）测定结果仅适合于同种材料间的相对比较，定结果仅适合于同种材料间的相对比较，不能全面衡量材料的耐热性能。不能全面衡量材料的耐热性能。3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-2 3-2 耐热性能评价耐热性能评价E T硬硬PVC 尼龙尼龙6T1T20.90GPa3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-3 3-3 耐寒性或低温韧性评价耐寒性或低温韧性评价1、塑料：非晶态的玻璃态（、塑料：非晶态的玻璃态（TTg).2、塑料：晶、塑料：晶态+玻璃玻璃态（TTg).塑料耐寒性塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。：低温下可运动单元情况。EE，Tan非晶态高聚物非晶态高聚物DMA温度谱温度谱（频率一定频率一定）次级松弛转变次级松弛转变玻璃化转变玻璃化转变T3-3 3-3 耐寒性或低温韧性评价耐寒性或低温韧性评价3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用塑料耐寒性塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。：低温下可运动单元情况。在在DMA谱图上谱图上低温损耗峰位置低温损耗峰位置越低，越低，强度强度越强，则塑料的低温度韧性越好。越强，则塑料的低温度韧性越好。3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用 ASTMASTM落锤冲击试验落锤冲击试验：测试样品多达品多达30个以上，在个以上，在-29下下调节2424小小时。（。（测试结果重复性差果重复性差）3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-4 3-4 评价高分子耐环境能力评价高分子耐环境能力TLog(Tan)干态干态50%湿度湿度100%湿度湿度a尼龙尼龙66吸水前后性能变化吸水前后性能变化3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-4 3-4 评价高分子耐环境能力评价高分子耐环境能力TTanUV-固化硫醇树脂老化前后固化硫醇树脂老化前后DMA未老化未老化老化老化12h老化老化24 h3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-4 3-4 评价高分子耐环境能力评价高分子耐环境能力环境因素（光、热、水、氧等）环境因素（光、热、水、氧等）结构改变（交联、断链、结晶、化学基团）结构改变（交联、断链、结晶、化学基团）DMADMA分析（分析（TanTan-T, E-T)-T, E-T)3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-5 3-5 未知高分子材料初步判断未知高分子材料初步判断未知样品未知样品DMA谱图谱图已知样品已知样品DMA谱图谱图 进行进行DMADMA谱图分析比较谱图分析比较3 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-5 3-5 未知高分子材料初步判断未知高分子材料初步判断三种三种ABS的的Tan-T曲曲线线T=-80T=-40T=-53 在高分子材料中的应用在高分子材料中的应用3-63-6 表征高分子材料的阻尼特性表征高分子材料的阻尼特性