动态热机械分析技术简介

动态热机械分析（dynamic thermomechanical analysis，DMA）是在程序控制温度下，测量物质在振荡负荷下的动态模量或阻尼随温度变化的一种技术。高聚物是一种黏弹性物质，因此在交变力的作用下其弹性部分及黏性部分均有各自的反应。而这种反应又随温度的变化而改变。高聚物的动态力学行为能模拟实际使用情况，而且它对玻璃化转变、结晶、交联、相分离以及分子链各层次的运动都十分敏感，所以它是研究高聚物分子运动行为极为有用的方法。

如果施加在试样上的交变应力为σ，则产生应变为ε。由于高聚物黏弹性的关系其应变将滞后于应力，则ε、σ分别可以下式表示

式中，ε0、σ0分别为最大振幅的应变和应力；ω为交变力的角频率；δ为滞后相位角。

复数模量可表示为

式中，E′=σ0cosδ/ε0为实数模量，即模量的储能部分；E″=σ0sinδ/ε0表示与应变相差π/2的虚数模量，是能量的损耗部分。

另外还有内耗因子Q―1或损失角正切tanδ，即(www.xing528.com)

动态热机械分析方法包括扭摆法、扭辫法、动态黏弹谱法及振簧法。常用的测试方法中，扭摆法和扭辫法属自由衰减振动类；动态黏弹谱法属强迫振动非共振类；振簧法属强迫振动共振类。与静态法相比，采用动态法可以更深入地研究聚合物的力学性能，不仅能得到聚合物的玻璃化转变温度，而且能定量地获得聚合物在受力过程中吸收的能量，即测量消耗于聚合物分子间内摩擦的能量——内耗。

在动态热―力谱中，内耗往往用内耗角正切tanδ（又称耗能因子）来衡量，有时也用内耗δ衡量。它与在一个完整的周期应力作用下，聚合物所消耗的能量与所储存的能量之比成正比，可由弹性储存模量和损耗模量求得。在动态力学方法中用不同的仪器时，表示内耗的方式亦不同，故应加以注意。用不同的仪器所测得的模量亦不同，动态黏弹谱仪测量的是杨氏模量E，扭摆仪和扭辫仪测量的是切变模量G。

图7―14为黏弹性物质在正弦交变载荷下的应力、应变的相应关系示意图。因此在程序控温的条件下不断地测定高聚物E′、E″和tanδ值，则可得到如图7―15所示的动态力学―温度谱。从图中可以看到实数模量E′呈阶梯状下降，而在与阶梯下降相对应的温度区E″和tanδ则出现高峰。表明在这些温度区内高聚物分子运动发生某种转变，即某种运动的解冻。其中对非晶态高聚物而言，最主要的转变当然是玻璃化转变，所以模量明显下降，同时分子链段克服环境黏性运动而消耗能量，从而出现与损耗有关的E″和tanδ高峰。

图7―14　黏弹性物质在正弦交变载荷下的应力应变相关图

图7―15　典型的高聚物动态力学―温度图谱