Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
Dinamik Mekanik Analiz yöntemi, bir diğer adıyla DMA, numune üzerinde küşük bir gerilim döngüsünün uygulandığı bir tekniktir. Bu teknik ile numunenin gerilime, sıcaklığa ve frekansa karşı gösterdiği tepki ölçülür. DMA karakterizasyon tekniği ayrıca Dinamik Mekanik Termal Analiz (DMTA) yöntemi olarak da isimlendirilir.
DMA yöntemi moleküllerin hareketlerinden kaynaklanan hal değişimlerini saptar. Viskoelastik malzemelerin mekanik özellikleri sıcaklık, frekans ve zamana göre belirlenebilir. Yapı-morfoloji ilişkisi hakkında da bilgi almak mümkündür. Aşağıda Şekil 1′de görüleceği gibi, polimerlerin moleküler yapı-özellik karakterizasyonu, camsı geçiş dönüşümleri, kristalleşme, molekül kütlesi/moleküler bağlayıcılar, faz ayrımları, malzemede yaşlanma (aging) ve sünme (creep) gibi özellikler termosetlerde, termoplastiklerde, kauçuklarda, kompozitlerde ve biyomalzemelerde görülebilir.
Bir malzeme üzerine yük uygulandığında, deformasyon gerçekleşir. Eğer yük uygulanan malzeme ideal elastik bir malzeme ise, uygulanan yük kaldırıldığında deformasyon kaybolur. Buna elastik deformasyon denir. Elastik deformasyon, malzemeye uygulanan yük ile doğru orantılıdır ve yük uygulandığında gecikmeksizin deformasyon görülür ve yük kaldırıldığında da tamamen kaybolur. Bazı malzemelerde ise, örneğin polimerlerde, deformasyon doğrusal değildir ve uygulanan yüke gore gecikmeli gerçekleşir. Elastik davranışın karşıtı yapışkan (vizkoz) davranıştır. Yapışkanlık katılara özgü değil, sıvıların bir davranış biçimidir. İdeal yapışkan bir malzemede “deformasyon hızı” yük ile doğru orantılıdır. İdeal yapışkan bir malzemede bu orantı sabit, ancak gerinim zamana bağımlıdır. Vizkoz malzemede görülen deformasyon geri dönmez ve malzeme üzerinde kalır. PolimerNedir sayfasında da tanımladığımız gibi, polimerler, hem elastik hem de vizkoz davranış gösteren özel malzemelerdirler ve ‘viskoelastik malzeme’ olarak adlandırılırlar. Metal ve seramiklerin sahip olmadığı ancak polimerlerin sahip olduğu birçok özgün özellik, viskoelastik davranıştan kaynaklanmaktadır.
Viskoelastik davranışı ölçmek için kullanılan yöntemlerden biri olan DMA tekniği, belirlenmiş bir geometriye sahip numuneye sinüsoidal deformasyon uygulanarak çalışır. Numune gerilim kontrollü (stress-controlled) teste ya da gerinim (deformasyon) (strain-controlled) kontrollü teste tabi tutulur. Örneğin, bilinen bir gerilim altında, numune belirli bir ölçüde deformasyon gösterir. DMA yönteminde bu sinusoidal bir şekilde uygulanır ve numunenin ne kadar deformasyon göstereceği malzemenin sertliğine (direngenlik, rijitlik) bağlıdır.
Daha genel bir tanımla, DMA sertliği ve sönümü ölçer ve bu ölçümleri modül ve tan delta olarak verir. Ölçümler sinusoidal kuvvet uygulanarak alındığı için, modül iki bileşenden oluşur, sinusoid kuvvetin eş fazlı bileşeni depolama modülünü (storage modulus), dışarı fazlı bileşeni ise loss modülünü (loss modulus) verir. Örnek veri için Şekil 1′i inceleyeniz. Depolama modülü, E’ ya da G’, numunenin elastik davranışını gösterirken, loss modülü (E” ya da G”) ise malzemenin viskoz davranışını belirtir. Loss modülünün depolama modülüne oranı ise sönümü, yani tan deltayı verir (tan delta = G”/G’). Tan delta, malzemenin enerji harcanımının ölçümüdür.
Şekil 1. DMA testinde numuneye uygulanan kuvvet ve görülen deformasyon. Şekil kuvvet (gerilim)-kontrollü test için verilmiştir.
Modülün sıcaklığa bağlı değişimini ölçmek neden önemlidir ve bize hangi bilgileri verir?
Bir malzemenin modül değerleri sıcaklıkla değişim gösterir ve ısıl geçişler depolama modulünde (E’) ya da tan delta eğrilerindeki değişimlerle gözlemlenebilir. Ölçülen değişimler sadece camsı geçiş ve erime sıcaklıklarıyla sınırlı değil; ayrıca camsı ve kauçuğumsu bölgedeki diğer değişimleri de gösterir. Mesela DMA, termoset polimerlerin kürleşme prosesini ölçmek için kullanılır. Kürleşme reaksyonu sırasında artan molekül ağırlığı numunenin modülünü önemli ölçüde arttırır ve bu artış DMA ölçümünde hassas bir şekilde görülür. Ayrıca DMA termosetlerin reaksiyonu sırasındaki jelleşme noktasını ve camsılaşma noktasını da ölçmekte kullanılır. Kürleşme hem sıcaklık değişiminin bir fonksiyonu olarak ya da sabit sıcaklıkta ölçülebilir. Bir DMA testinden elde edilebilecek veri Şekil 2′de gösterilmektedir. Şekil 2, hem lokal moleküler, hem de genel malzeme içindeki değişimleri göstermektedir. Malzemenin kristalliğine ve çapraz-bağlanmasına göre farklı eğriler elde edilebilir. Ancak, Şekil 2 genel olarak DMA deneyinden elde edilecek örnek bir eğriyi göstermektedir.
Şekil 2. DMA deneyinden elde edilecek tipik bir DMA eğrisi. Numarayla gösterilmiş alanlar farklı ısıl ve moleküler değişimleri göstermektedir: (6) local molekül hareketleri; (5) molekül omurgasındaki dönmeler ve esnemeler; (4) moleküllerin omurgasındaki yan zincirlerin hareketi; (3) ana molekül zincirinin hareketlenmesi; (2) molekül zincirinin büyük ölçekte gördüğü değişimler; (1) zincirlerin kayması.
Camsı geçiş sıcaklığını gösteren en hassas yöntemlerden biri DMA’dır. DMA analizinde ölçülen depolama modülünde görülen hızlı azalış (sıcaklık - log modül grafiği), ve aynı zamanda tan delta eğrisinde görülen tepe noktası Tg’yi gösterir. DSC yöntemine gore, DMA daha hassas ve doğru Tg sonuçları verir.
DMA ve TMA yöntemleri arasındaki fark nedir?
Termomekanik Analiz (TMA) yöntemi ile numuneye sabit statik kuvvet uygulanırken, malzemenin zamana ve sıcaklığa bağlı değişimi gözlemlenir. TMA yöntemi boyutsal değişimi rapor eder. Öte yandan, DMA yönteminde ise numuneye belirli bir frekansta salınımlı kuvvet uygulanır ve malzemedeki sertlik ve sünme değişimi raporlanır. DMA yöntemiyle elde edilen veri malzemenin modülünü verirken, TMA ile genleşme katsayısı ölçülür. Her iki yöntem de malzemedaki geçişleri saptar ancak DMA salınımlı kuvvet uygulaması sebebiyle daha hassas ölçümler verir.
Polimer Karakterizasyonu sayfasına geri dönmek için tıklayınız.
Bu yazının kaynakça gösterilmeden başka bir sitede ya da basılı yayında yayımlanması yasaktır. Lütfen metni ve resimleri alıntı yaparken PolimerNedir.com sitesinden alıntı yaptığınızı belirtiniz.