DMAによるガラス温度の測定

イントロダクション 

ガラス転移温度は、ポリマー材料を技術的に使用するための重要な基準です。エラストマーの適用範囲は、通常、変形挙動が可能な限りエントロピー弾性になるように、ガラス転移温度を大幅に上回る温度に制限されています。

ただし、ポリマーのガラス転移温度は周波数に強く依存し、エラストマーの変形は通常時間に依存します(シーリングシステム、タイヤの表面など)。これは、準スタティック条件(DSCなど)で測定したガラス転移温度が、動的応力を受けた材料の低温挙動の特性評価の適切な基準ではないという意味です。動的応力を受けたエラストマー材料の温度限界値は、周期的な応力を加える方法を使用してガラス転移温度を測定することで測定できます。 もちろん、測定周波数は、コンポーネントに実際にストレスがかかる周波数に対応している必要があります。そのような測定が不可能な場合、例えば、機器の測定範囲よりも著しく高いまたは低い周波数では、時間-温度重ね合わせ原理を使用した外挿によってガラス転移温度を得ることができます。ガラス転移温度と測定周波数の定量的な関係は、半経験的WLFまたは類似のVogel-Fulcher式によって得ることができます。

この記事では、温度依存および周波数依存のせん断弾性率測定から、いくつかの一次エラストマー(NR、BR、SBR、NBR、IIR)の周波数と時間の実験的関係を決定します。時間-温度重ね合わせ原理の定量的記述は、半経験的WLFまたは類似のフォーゲル-フルヒャー式を使用して実行されます。

サンプルとサンプル調製

周波数と温度依存測定用のサンプルを、80°Cで2MPaの圧力下で生のポリマーを2mm厚のシートに圧縮することによって調製しました。 DMAのダブルサンドイッチサンプルホルダーでの使用に適した直径6mmの2枚の円筒型ディスクを、各測定のシートから打ち抜きました。動的機械的測定は、メトラー・トレドの DMA/SDTA861e動的機械分析装置を使用して、NR(天然ゴム)およびBR(ポリブタジエン)ホモポリマー、およびSBR、NBR、EPDM、およびIIRコポリマーで実行されました。

測定と結果 

まず、サンプルごとに複素せん断弾性率を温度の関数として測定した。これを行うために、最初に原料ポリマーをそのガラス転移温度を十分に下回るまで冷却した。次に、複素弾性率を5つの周波数(1Hz、10Hz、100Hz、300Hz、1000Hz)で1K/minの昇温速度で100°Cの温度まで測定しました。

サマリー

異なる周波数での温度依存性弾性率測定と異なる温度での周波数依存測定の両方を、研究対象のすべてのポリマーで実行しました。2つの方法を組み合わせることで、実験データを経験的なVogelFulcher式に当てはめることで、ガラスプロセスの温度と周波数の位置の実験関係を決定し、定量化することができました。ポリイソブチレン(IIR)を除いて、研究されたすべての試料は、同一のVogel-Fulcherパラメータ、f0およびDEによって測定 正確さ内で記述できることが示された。ガラス転移温度は低温でのエラストマー材料の実用化限界値。ガラスプロセスも周波数に依存するため、低温でのこれらの材料の挙動は動的応力の周波数にも依存します。低温挙動は、せん断弾性率の温度/周波数依存性測定と、経験的なVogel-Fulcher式を使用した時間-温度重ね合わせ原理に基づく定量的記述の組み合わせによって特徴付けることができます。

_{Determination of the Glass Temperature by Dynamic Mechanical Analysis | Thermal Analysis Application No. UC 163 | Application published in METTLER TOLEDO Thermal Analysis UserCom 16}