Dynamisch-mechanische Analyse

Wofür wird DMA verwendet?

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA), auch bekannt als dynamisch-mechanisch-thermische Analyse (DMTA), ist eine thermoanalytische Methode, die zur Charakterisierung von Materialeigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit, Frequenz, Spannung und Atmosphäre oder einer Kombination dieser Parameter eingesetzt wird.

DMA wird häufig zur Analyse der mechanischen Eigenschaften von polymeren Materialien eingesetzt, da diese sehr empfindlich auf Temperatur und Belastungsfrequenz reagieren. DMA kann auch Umwandlungstemperaturen wie Glasübergang und Schmelzen charakterisieren, die für die Prozessoptimierung und Materialvalidierung von wesentlicher Bedeutung sind. Darüber hinaus wird DMA häufig im Rahmen der Materialentwicklung eingesetzt, bei der das Ziel darin besteht, ein Material zu entwickeln, das gewünschten Temperaturen, Atmosphären und physikalischen Belastungen standhalten kann.

Wie funktioniert die DMA?

Bei der DMA wird das Probenmaterial bei einer festgelegten Frequenz unter kontrollierter Temperatur oszillierenden Spannungen ausgesetzt, während gleichzeitig die Steifigkeit und Dämpfung gemessen werden. Oszillierende Spannungen können als Spannungs- oder Dehnungskräfte auf das Material ausgeübt werden, wobei verschiedene Belastungsmodi zur Verfügung stehen. DMA-Messgeräte verfügen in der Regel über einen weiten Betriebstemperaturbereich, typischerweise von -150 °C bis 600 °C.

Gemessene Parameter

Je nach den Eigenschaften des getesteten Materials kann die DMA zur Messung der Viskosität oder Elastizität verwendet werden. Genauer gesagt misst die DMA Steifigkeit und Dämpfung. Diese werden als Modul (Steifigkeit) und Verlustfaktor (Dämpfung) angegeben. Der Modul kann weiter in Speichermodul (G') und Verlustmodul (G'') unterteilt werden, welche die elastischen bzw. viskosen Komponenten darstellen.

Der Modul ist das Maß für das elastische Verhalten der Probe, während die Dämpfung die Energiedissipation unter zyklischer Belastung beschreibt. Die Dämpfung gibt Aufschluss über die Fähigkeit des Materials, Energie zu absorbieren. Sowohl Modul als auch Dämpfung variieren mit dem Zustand des Materials, seiner Temperatur und der Frequenz der auf die Probe einwirkenden Spannung. Der Speichermodul ist nicht identisch mit dem Elastizitätsmodul (E), der aus einem Zugversuch ermittelt werden kann.

Die DMA ist auch ein hervorragendes Werkzeug zur Bestimmung von Phasenübergangstemperaturen, wie beispielsweise der Glasübergangstemperatur (Tg) eines Materials. Der Glasübergang ist eine Übergangsstemperatur zweiter Ordnung, bei der sich das Material von einem harten und „glasartigen” Zustand in einen viskoseren oder gummiartigen Zustand verwandelt. Dieser Parameter ist wichtig für die Bestimmung der Herstellungsbedingungen und der Formbarkeit von Kunststoffen.

Die DMA kann auch zur Untersuchung der Aushärtekinetik verwendet werden, einschließlich des Verglasung­spunktes und des Gelierungspunktes von duroplastischen Materialien.

Probenanforderungen und -vorbereitung

Die Probenvorbereitung für die DMA ist sehr wichtig, da die Reinheit, Gleichmäßigkeit und Abmessungen die mechanischen Eigenschaften des Materials direkt beeinflussen. Die DMA ist für Feststoffe, Flüssigkeiten und gelartige Materialien geeignet. Die Probengeometrie hängt vom physikalischen Zustand der Probe zu Beginn des Experiments und der gewünschten Art des Experiments ab. Typische Probenhalterungen umfassen Einfachbiegung, Doppelbiegung, 3-Punkt-Biegung, Zug, Druck und Scherung. Bei Proben, die ihr eigenes Gewicht nicht tragen können, kann eine spezielle Halterung verwendet werden.

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