第5章 3-动态热机械分析

3 在高分子材料中的应用
3-5 未知高分子材料初步判断 T=-80℃ T=-80℃ T=-40℃ T=-40℃ T=-5℃ T=三种ABS的Tanδ 三种ABS的Tanδ-T曲线
3 在高分子材料中的应用
3-6 表征高分子材料的阻尼特性
σ = ε0 E’ sin(ωt) + ε0 E’’ cos (ωt) sin(ω (ω
E’ = ( σ0 / ε0 ) COS δ E’’ = ( σ0 / ε0 ) sin δ
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 E‘ Tanδ Tanδ 玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ β T
非晶态高聚物DMA温度谱 频率一定） 非晶态高聚物DMA温度谱（频率一定） 温度谱（
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、
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
粘性 弹性 粘弹性 应力 应变
在应力下产生流动的能力 应力后恢复原状的能力 同时具粘性液体与纯弹性质 单位面积上承受的力 ε = △L/L0
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
模量 柔量 泊松比
LDPE 苯 共 纤维
T/℃ T/℃ 例6 温度-拉伸形变曲线（拉伸法） 温度-拉伸形变曲线（拉伸法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △V
Tg Tm Tg
T/℃ T/℃
例7 天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法） 天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法）
2 动态热机械分析 2-1 基本定义
定义：在程序控温下，测量物质在振 定义：在程序控温下，测量物质在振 动载荷下的动态模量和（或）力学损耗与 动载荷下的动态模量和 下的动态模量 力学损耗与 温度的关系。 温度的关系。 的关系
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器
DMA 242 C动态热机械分析仪 C动态热机械分析仪
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 F 三点弯曲
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 双悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 单悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 纤维延伸
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 薄膜延伸
3 在高分子材料中的应用
3-3 耐寒性或低温韧性评价 1、塑料：非晶态的玻璃态（T<Tg). 塑料：非晶态的玻璃态（ 2、塑料：晶态+玻璃态（T<Tg). 塑料：晶态+玻璃态（ 3、塑料：晶态+橡胶态（T>Tg). 塑料：晶态+橡胶态（ 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。
3-3 耐寒性或低温韧性评价 E‘ E‘’，Tanδ E‘’，Tanδ 玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ β T
非晶态高聚物DMA温度谱 频率一定） 非晶态高聚物DMA温度谱（频率一定） 温度谱（
3 在高分子材料中的应用
塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 在DMA谱图上低温损耗峰位置越低，强度 DMA谱图上低温损耗峰位置越低 谱图上低温损耗峰位置越低， 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。
γ
β 尼龙66吸水前后性能变化 尼龙66吸水前后性能变化
T
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 Tanδ Tanδ 老化12h 老化12h 未老化 老化24 老化24 h T UV-固化硫醇树脂老化前后DMA UV-固化硫醇树脂老化前后DMA
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 环境因素（ 环境因素（光、热、水、氧等） 氧等）
3 在高分子材料中的应用
ASTM落锤冲击试验 ASTM落锤冲击试验： 落锤冲击试验： 测试样品多达30个以上， 29℃ 测试样品多达30个以上，在-29℃下调节 个以上 24小时。（测试结果重复性差） 24小时。（测试结果重复性差） 小时。（测试结果重复性差
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 Log(Tanδ Log(Tanδ) 50%湿度 50%湿度 a 100%湿度 100%湿度 干态
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 lgE‘ lgE’’ Tanδ Tanδ Tanδ Tanδ E‘
E’’ lgω lgω 非晶态高聚物DMA频率谱 温度一定） 非晶态高聚物DMA频率谱（温度一定） 频率谱（
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 高聚物 DMA频率谱（温度一定） DMA频率谱 温度一定） 频率谱（ 高聚物 DMA温度谱（频率一定） DMA温度谱 频率一定） 温度谱（ 由于调节温度比调频率 更容易，因此DMA DMA温度谱 更容易，因此DMA温度谱 最常用。 最常用。
应力与应变之比，刚性量度。 应力与应变之比，刚性量度。 模量的倒数，柔性量度。 模量的倒数，柔性量度。 外力下纵、横向应变之比。 外力下纵、横向应变之比。
μ= -ε2/ε1
E=2G（1+μ E=2G（1+μ）
E—杨 ，G—
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 线性粘弹性行为： 线性粘弹性行为：
ε = ε0 sin (ωt) (ω (ω σ = σ0 sin (ωt + δ )
α= △L /（L0 △T） /（
美国：-30-30℃ 美国： 30-30℃ 日本： 25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：
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度升高1度，试样体积膨 体热膨胀法： 胀（或收缩）的相对量： 或收缩）的相对量：
第5章 3-动态热机械分析
Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA
1 热机械分析 热膨胀法
1、零负荷测定 2、静态负荷测定 3、动态负荷测定
静态热机械 动态热机械
1 热机械分析 1-1 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， 关系的技术 略负荷时尺寸与温度关系的技术。 略负荷时尺寸与温度关系的技术。 尺寸
3-2 耐热性能评价 特点：热变形温度（维卡软化点） 特点：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
3-2 耐热性能评价 E’
硬PVC 0.90GPa 尼龙6 尼龙6 T T1 T2
(Dynamic Mechanical Analysis, DMA) DMA)
2 动态热机械分析 2-2 基本特点 特点1 小样品，宽温度、频率范围。 特点1：小样品，宽温度、频率范围。 特点2 表征结构变化-分子运动- 性能。 特点2：表征结构变化-分子运动- 性能。 特点3 动态载荷产品设计（轮胎）。 特点3：动态载荷产品设计（轮胎）。
γ= △V /（V0 △T） /（
γ—体膨胀系数（1/K） 体膨胀系数（1/K） V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国 热膨胀仪
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 C热膨胀仪 德国 热膨胀仪
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
Tf Tg T/℃ T/℃
例1 PMMA 温度-形变曲线（压缩） 温度-形变曲线（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
LDPE
HDPE T/℃ T/℃
例3 PE 线膨胀系数（压缩） 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
d △L/dt
Tg=128℃ =128℃
T/℃ T/℃
例4 环氧树脂 线膨胀系数（压缩） 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 针
Tg1 Tg2
T/℃ T/℃ 例5 聚酯/聚酰亚胺（针入度） 聚酯/聚酰亚胺（针入度）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 负 介质 压头 样 例6 塑料维卡软化点测定（针入度） 塑料维卡软化点测定（针入度） 温
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）
DMA分析（Tanδ DMA分析（Tanδ-T, E’’-T) E’’分析
3 在高分子材料中的应用
3-5 未知高分子材料初步判断 未知样品DMA谱图 未知样品DMA谱图 已知样品DMA谱图 已知样品DMA谱图
进行DMA 进行DMA谱图分析比较 DMA谱图分析比较
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 负 介质 压头 样 例6 塑料热变形温度测定（弯曲法） 塑料热变形温度测定（弯曲法） 温
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L PC PVC
LDPE HDPE
T/℃ T/℃
例6 温度-弯曲形变曲线（弯曲法） 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L 硬PVC
线热膨胀法 体热膨胀法
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
线热膨胀法：温度升高1度，试样某一方 线热膨胀法： 向上相对伸长（或收缩）量： 向上相对伸长（或收缩）
α= △L /（L0 △T） /（
α—线膨胀系数（1/K） 线膨胀系数（1/K） L0—初始长度 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热ຫໍສະໝຸດ 胀法3 在高分子材料中的应用
3-1 玻璃化温度测定
例1 NBR/CoCl2体系
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价
负 介质 压头
温
样 例6 塑料维卡软化点测定（针入度） 塑料维卡软化点测定（针入度）
负 介质 压头
温
样 例6 塑料热变形温度测定（弯曲法） 塑料热变形温度测定（弯曲法）
3 在高分子材料中的应用