Термомеханічний аналіз

Принцип методу термомеханічного аналізу (ТМА) базується на надточному вимірюванні деформації або розширення матеріалу під дією температури, навантаження або в часі. ТМА дає змогу вивчити механічні процеси в аморфних, кристалічних і сітчастих полімерних матеріалах, температурні та фазові переходи, вплив структуроутворення на термічні і механічні властивості, вплив наповнювачів та модифікаторів на механічні характеристики композиційних матеріалів, температурно-часові залежності і т.д.

Досліджувані обєкти:

Тверді матеріали, гелі та порошки.

Задачі, які вирішуються; інформація, яка отримується:

- залежність деформація-температура при різних навантаженнях (крива ТМА);

- коефіцієнт термічного розширення в широкому температурному діапазоні;

- температуру склування аморфних і температуру плавлення кристалічних полімерів;

- модуль Юнга полімерних матеріалів в області малих навантажень при різних температурах;

- повзучість (деформація матеріалу в часі під дією навантаження) при різних температурах;

- релаксаційні параметри матеріалу при знятті навантаження;

- деформаційні характеристики під навантаженням при високих температурах (термостійкість).

Реологічний аналіз

Реологія – це наука про течію та деформацію матеріалів. Реологічний метод дає можливість вивчати вязкість та вязкоеластичність розплавів полімерних, композиційних та біоматеріалів, а також олігомерів.

Досліджувані обєкти:

Рідини у широкому діапазоні вязкості.

Задачі, які вирішуються; інформація, яка отримується:

- вязкість матеріалу, як функцію зсуву або деформації, часу та температури;

- вязкоеластичні властивості (G', G'', tan d) в залежності від часу, температури, частоти та деформації;

- теплопровідність та теплоємність матеріалів;

- відклик матеріалу на деформацію (модуль релаксації, повзучість, релаксація напруження і т.д.);

- кінетику реакцій та полімеризації.

Зупинимося більш детально на методі диференційної сканувальної калориметрії (ДСК).

Калориметрія (англ. Calorimetry) – сукупність методів вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається при протіканні різних фізичних або хімічних процесів. Кількість теплоти Q, яка передається тілу (системі) або відібрана від нього, пропорційна зміні температури тіла ΔТ та його масі m:

,

де с – питома теплоємність.

Основна вимірювана величина в калориметричному досліді — ΔТ. Методами ДСК визначають теплоємність індивідуальних речовин та фізико-хімічних систем, теплоти фазових переходів, теплові ефекти хімічних реакцій, розчинення, змочування, сорбції, радіоактивного розпаду та ін. Дані ДСК використовують для розрахунку термодинамічних властивостей речовин, складання теплових балансів технологічних процесів, розрахунку хімічної рівноваги, встановлення зв’язку між термодинамічними характеристиками речовин та їх властивостями, будовою, стійкістю, реакційною здатністю. ДСК застосовується також для вивчення кінетики та визначення ентальпій повільних процесів розчинення, змішування, гелеутворення тощо.

Основною величиною, зміну якої вивчають за допомогою ДСК є теплоємність.

Теплоємність – фізична величина, яка визначається кількістю теплоти, яку потрібно надати тілу для підвищення його температури на один градус. Позначається здебільшого великою латинською літерою C. Питома теплоємність – теплоємність одиничної маси тіла, позначається малою латинською літерою c. Часто визначається також молярна теплоємність – теплоємність одного моля речовини.

Кількість теплоти в термодинаміці визначається величиною

,

де T – температура, S – ентропія.

Проте, кількість теплоти, яку отримує тіло при тому чи іншому процесі залежить від умов, при яких проходить процес. При сталому об’ємі робота з розширення тіла при нагріванні не виконується, тому для нагрівання на один градус при таких умовах потрібно менше тепла, ніж при сталому тиску, коли тіло може розширятися. Тому розрізняють два значення теплоємності:

– теплоємність при сталому об’ємі

– теплоємність при сталому тиску

Справедливе співвідношення .

Теплоємність можна також виразити у вигляді похідних від термодинамічних потенціалів. При сталому об’ємі використовується внутрішня енергія U:

При сталому тиску – ентальпія Н:

.

Теплоємність пов’язана з термодинамічним потенціалом Гіббса наступним співвідношенням: