Dynamisch-mechanische Analyse

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine Messmethode zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Kunststoffen.

Typisches DMA Thermogramm eines amorphen Thermoplasten (Polycarbonat) gemessen im Dual-Cantilever Deformationsmodus mit einer Messfrequenz von 1 Hz und einer Heizrate von 2 K/min. Die Glasübergangstemperatur, bestimmt gemäß ISO 6721-11, beträgt 151,3 °C.

Prinzip

Die dynamisch-mechanische Analyse unterwirft die zu untersuchende Probe in Abhängigkeit von Zeit und/oder Frequenz und/oder Temperatur einer sich zeitlich ändernden, mechanischen Beanspruchung – meist in der Form einer Sinuskurve. Dadurch verformt sich die Probe mit gleicher Periode. Gemessen werden die Kraftamplitude, die Verformungsamplitude sowie die Phasenverschiebung Δ $\phi$ zwischen dem Kraft- und dem Verformungssignal.

Als Ergebnis liefert die dynamisch-mechanische Analyse den komplexen Modul der Probe. Voraussetzung dafür ist, dass die Probe in keinem Fall außerhalb des linearelastischen Bereiches (Hookescher Bereich) belastet wird.

DMA-Gerät der Firma Netzsch

Aussagen

Es werden drei grundsätzlich verschiedene Verhaltensweisen der Probe unterschieden:

• Rein elastische Proben reagieren verzögerungsfrei auf die angelegte Kraft, der Phasenwinkel $\phi$ = 0. Sie schwingen verlustfrei.
• Rein viskose Proben erreichen ihr Deformationsmaximum im Nulldurchgang der Kraft. Für sie beträgt deshalb der Phasenwinkel $\phi =\pi /2$ (90°). Sie wandeln die Anregungsenergie vollständig in Wärme um.
• Viskoelastische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass die Verformung der Probe mit einer gewissen Verzögerung der einwirkenden Kraft folgt. Für den Phasenwinkel Δ $\phi$ gilt deshalb $0<\phi <\pi /2$. Je größer der Phasenwinkel, desto ausgeprägter ist die Dämpfung der Schwingung.

Anwendung

Die DMA erlaubt u. a. die Bestimmung von:

• viskoelastischen Materialeigenschaften, beispielsweise Moduln und den Verlustfaktor tan ($\delta$)
• Temperaturen, welche das viskoelastische Verhalten charakterisieren,
• Dämpfung
• speziell der Glasübergangstemperatur, für die die DMA die empfindlichste Methode darstellt
• dem Aushärteverhalten von Harzen
• dem frequenzabhängigen mechanischen Verhalten von Materialien
• Bestimmung des Kriech- und Relaxationsprozesses bei entweder konstanter Kraft oder konstanter Verformung

Die DMA kann in verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden. Üblich sind die Zug- und Kompressionsanordnung sowie 3-Punkt-Biegung und rotierende Scherung.

Siehe auch

• Scherrheometer
• Mechanische Spektroskopie

Weblinks

• Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen (Polymer Service Merseburg) [1]
• Aufbau und Funktionsweise einer DMA der Fa. Netzsch [2]
• Anwendungsgebiete DMA beim Fraunhofer-Institut LBF [3]
• Versuchsdurchführung einer DMA Messung an PET [4]