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ⓘ Analisi meccanica dinamica. L analisi meccanica dinamica, nota anche come spettroscopia meccanica dinamica, è una tecnica di analisi termica utilizzata per lo s ..




Analisi meccanica dinamica
                                     

ⓘ Analisi meccanica dinamica

L analisi meccanica dinamica, nota anche come spettroscopia meccanica dinamica, è una tecnica di analisi termica utilizzata per lo studio delle proprietà viscoelastiche dei materiali. Viene realizzata applicando a un provino in esame una forza oscillante ad una data temperatura.

Tramite lanalisi meccanica dinamica è possibile determinare la temperatura di transizione vetrosa, la composizione dei polimeri, e parametri quali il modulo complesso di Young, i moduli di conservazione e di perdita, oltre al fattore di smorzamento tan δ e lo scorrimento viscoso creep.

                                     

1. Teoria

Applicando uno stress sinusoidale, se il materiale è puramente elastico esso subirà una deformazione istantanea costante nel tempo; rimuovendo la forza applicata il materiale tenderà a recuperare immediatamente e in modo completo il suo stato originario. Nel caso di sistemi viscosi, lo stress applicato provocherà una deformazione che aumenterà proporzionalmente nel tempo finché lo stress non verrà rimosso; in questo caso, una volta cessato lo stress, la deformazione subirà un arresto ma non si avrà un recupero.

Nel caso di un materiale puramente elastico, quindi, lo sforzo e la deformazione sono in fase, mentre nel caso di un materiale puramente viscoso sforzo e deformazione risulteranno fuori fase di 90º. I polimeri presentano comunemente una differenza di fase tra sforzo e deformazione, indicata con la lettera greca δ, compresa tra 0 e 90º. La trattazione matematica del comportamento viscoelastico di un materiale porta alla definizione del modulo di conservazione e del modulo di perdita.

Il modulo di conservazione, che misura lenergia immagazzinata e che è legato al comportamento elastico, viene indicato con e si ricava dallequazione

E ′ = σ 0 ε 0 cos ⁡ δ {\displaystyle E={\frac {\sigma _{0}}{\varepsilon _{0}}}\cos \delta }

mentre il modulo di perdita, che misura lenergia dissipata sotto forma di calore e che è legato al comportamento viscoso, è dato dallequazione

E ″ = σ 0 ε 0 sin ⁡ δ {\displaystyle E={\frac {\sigma _{0}}{\varepsilon _{0}}}\sin \delta }

dove in entrambe le equazioni:

  • ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} è lampiezza della deformazione;
  • σ 0 {\displaystyle \sigma _{0}} è lampiezza dello stress;
  • δ {\displaystyle \delta } è lo sfasamento tra stress e deformazione.

Il rapporto tra il modulo di perdita e il modulo di conservazione fornisce la tangente dello sfasamento tra stress e deformazione:

tan ⁡ δ = E ″ E ′ {\displaystyle \tan \delta ={\frac {E}{E}}}

Nella caratterizzazione dei materiali polimerici si è soliti riportare in grafico i valori di E, e tan δ in funzione della temperatura.

Prendendo in considerazione lapplicazione di uno sforzo di taglio, si procede alla definizione dei moduli G e G in modo analogo a quanto detto prima.

                                     

2. Strumentazione

La strumentazione in uso per lanalisi meccanica dinamica consente di effettuare sia misure su campioni solidi sia su fluidi. Il campione, fissato tra due bracci o piatti, può essere sottoposto a stress in vari modi tramite lausilio di un motore elettromagnetico: esso può essere sottoposto a piegamento oppure compressione, taglio o torsione. La deformazione indotta viene misurata tramite un trasduttore di spostamento induttivo LVTD in grado di rilevare spostamenti dellordine di frazioni di micron.

A seconda delle diverse finalità, è possibile effettuare misure a frequenza costante variando la temperatura, a temperatura costante variando la frequenza oppure variando sia la frequenza dello sforzo sia la temperatura in modo programmato.