强文推荐 | 动态机械分析实验示例（上）

引言

医疗设备的塑料到轮胎的橡胶，我们使用的材料必须满足越来越高的要求。产品制造商和消费者希望他们的材料外观漂亮，性能好，成本低，同时对环境友好。如需满足上述需求，就必须深入了解从分子水平到实际机械性能的材料特性。由于影响材料特性的因素有很多，因此需要精确的测量工具和方法来确保材料满足应用的高期望值。在开发和生产的各个阶段，评估材料特性的一个关键测量和分析方法是动态机械分析（DMA）。DMA，最基本的是测量材料的粘弹性能，通常以储能模量问损耗模量和损耗因子形式进行量化。DMA测量是通过在材料上施加力和变形，并与其他因素（如温度、时间和频率）的影响一起进行分析而获得。

实验示例

该图显示了 DMA 上三个 PET 样品进行拉伸时的对比:其中一个样品具有均匀的粘胶层且性能良好，一个样品具有不均匀的涂层且性能不佳，还有一个样品无涂层。因粘合剂产生的转化峰值以tanδ显示，在“良好”样品中为40°C左右，而“不佳”样品的峰值要小得多。了解良好样品和不佳样品的特性可以对涂层工艺和制成品进行质量控制。诸如此类的微妙变化需要极高的灵敏度和精确度来测量。

随着材料和产品开发的进展，科学家和工程师需要更大的样品和更高的力来实现更强的测试能力。这种需求可能来自许多领域，包括：

• 不能微型化的材料（如3D打印或复合材料） 

• 高硬度的样品，需要更大的力量来变形 

• 需要在线性黏弹性区域（LVR）之外变形的真实外部条件 

• 复杂几何形状 

通常情况下，通过更大的力测试所产生的数据直接用于设计和验证材料或产品的最 终使用状况。随着测试和测试样品开始接近真实条件，样品的大小和力量可以变得相对较大，施加的力可超过10,000N，动态位移为10mm或更大。 力DMA测试看起来与传统的DMA测试非常不同，因为它通常是为了了解特定的信息。这些测试可能只包括适用于最 终用途的测试变量，甚至不包括温度的影响! 例如，一些客户可能在室温下使用强 力DMA作为隔振器或其他成品部件的质量控制检查。

由于这些类型的DMA测试通常在开发周期的后期进行，因此通常与其他强度和疲劳测试一起进行。在材料和设计向最 终产品迭代的过程中，材料强度、疲劳寿命和DMA特性都必须一并考虑在内。

引言

动态力学分析 (DMA) 是一种测量材料在受到动态或循环力时的响应的技术。通常情况下，动态力学分析包括观察材料处于小幅振荡负荷下时的弹性和粘性反应，探测分子结构对扰动的响应。其他变量，如温度、时间和频率作为测试的一部分可以被改变，以表征材料在不同环境条件下的表现。 

动态力学分析方法是设计和开发材料（包括可持续聚合物）的关键部分。在这一应用中，动态力学分析用来测量重要的特性，如玻璃化转变和熔化温度，以及这类材料的固化和老化行为。 

这些特性对所有类型的聚合物的行为都至关重要。例如，结晶度影响材料的刚度，以及刚度如何随温度的变化而变化。了解玻璃化转变行为可以揭示聚合物共混物是否可混溶。在可持续聚合物开发中，这些都是至关重要的测试，可确保起始材料和最 终产品的一致性，并满足最 终使用的性能预期，特别是在与更传统的聚合物进行基准比较时。

DMA 测量应对可持续聚合物挑战

对于可持续聚合物，最 大的挑战之一是确定消费后回收材料与传统的原生树脂在物理特性上有何不同。动态力学分析可以通过筛选和了解此类材料的行为和特性来帮助应对这一挑战。反过来，这些结果可以预测使用回收材料对产品性能的任何不利影响，从而改进新的可再生或可生物降解聚合物候选材料的设计。 

动态力学分析通常涉及对样品施加某种类型的应力，然后使用某种类型的力传感器或位移测量来跟踪样品的变化。首先将样品夹在仪器中。然后，施加具有周期性的力，通常由某种类型的驱动电机来完成。

动态力学分析仪可以用来表征各种样品特性，包括玻璃转化温度和材料硬度。 

根据待测样品的类型来选择合适的动态力学分析仪。测量条件最 好能反映出样品在实际应用范围中可能经历的条件与参数。聚合物制造商使用DMA来确认他们的材料符合应用范围内的任何不同要求，以确保安全性和所需的性能。 

还需要考虑仪器上的夹具类型。一些夹具被优化用于固体，或者可以加热以在不同温度下进行测量。

TA 的动态力学分析仪

TA提供的一系列适用于不同测量手段和不同种类聚合物材料的仪器，包括DMA 850、Electroforce DMA 3200和3550。这些仪器的设计考虑到了易用性，并可直接集成到现有的工作流程和工艺中。每台仪器都得益于TA仪器的专 利技术，可以对样品进行定位和施力，这是史 无前例的。 

Electroforce DMA 3200拥有最 大500N的力，加速度可达80g，是最苛刻的动态力学分析测试的理想选择。Electroforce 3550型号在类似的大范围内非常适合许多机械疲劳和动态特性测试。DMA 850是各种动态力学分析测试的理想工具，采用空气轴承和光学编码器技术来获得最 精确的力灵敏度和位移分辨率。

引言

什么是生物塑料？塑料制造商如何利用它们来改善其产品的环境影响？面对如此多的新兴绿色技术，生产商和消费者需要区分洗绿和真正的进步。此外，如果一项新的发展被认为对环境有利，那么塑料供应链的所有阶段，尤其是加工厂，就必须学习如何在不损害其工艺或产品的情况下采用新技术。 

术语”生物塑料”或”生物聚合物”实际上可以指两种类型的材料。生物基塑料是由可再生原料生产的，如甘蔗或玉米。生物降解塑料可以通过微生物或酶的分解过程完全分解，产生对环境无害的天然副产品，如气体（CO²、N²）、水、生物质和无机盐。生物降解也可以应用于某些类型的化石燃料塑料，如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚己内酯（PCL）。值得注意的是，并非所有的生物基塑料都是可生物降解的，反之亦然。

使用生物基塑料的制造

生物基塑料很有吸引力，因为它们可以具有与传统塑料相同的化学结构和特性。因此，它们通常被用于需要高耐久性和高强度的产品。用生物基塑料取代化石燃料塑料材料，可以减少我们对不可再生资源的消耗，并且从长远来看更具有可持续性。然而，生物基塑料有可能带来与传统化石燃料塑料一样的可持续处置挑战。另一个挑战是生命周期的可持续性分析，以及最 大限度地减少生物基成分耕作过程中的水和燃料使用。研究新型生物塑料的研究人员必须在保持高效生产和高质量产品的同时平衡这些可持续性要求。当新的生物基塑料配方被开发出来时，制造商需要进行严格的测试，以确保他们的最 终产品满足客户的性能和可加工性期望，并且成本与化石燃料来源的塑料相当。为此，必须对材料强度、耐久性、粘度、热稳定性、相变和其他质量等参数进行量化。

生物塑料的材料分析

在任何塑料原料中，材料分析对于优化加工条件和最 终使用性能至关重要。新的生物塑料配方需要更严格的测试，以确保其符合用户标准，同时最 大限度地实现可持续性。以下材料分析技术在塑料开发中已经很常见，但对于成功的生物塑料创新来说更为关键。热分析测量温度的变化如何影响材料的特性。热分析仪器通常测量热流、重量损失、尺寸变化或机械性能与温度的关系。表征热性能对于生物塑料材料的选择和优化至关重要，它可以回答以下问题。

• 这种材料在加热加工时（包括成型或挤压）会有什么表现？

• 如果在运输或使用过程中被加热或冷却，该塑料是否能保持其稳定性？

• 该材料将如何分解？我们能否优化可生物降解塑料的材料？

生物塑料最常见的热分析仪器是差示扫描量热仪（DSC），它测量热稳定性和相变， 以分析塑料在不同条件下的行为。生物塑料开发商使用热重分析仪（TGA）进行精确的成分测定，包括挥发性或溶剂含量和填料含量（残留物）。TGA还测量分解温度以及分解产物，这对设计可持续的生物降解塑料至关重要。机械分析包括各种技术来描述材料的机械性能或确定结构对力的反应。生物塑料制造商使用动态机械分析（DMA）来测量储能模量、损耗模量、tan、delta和玻璃化转变（Tg）；这些测量有助于预测塑料材料在设定温度下对力和变形的反应。

材料强度（用杨氏模量、屈服强度、极限强度、断裂伸长率、疲劳和耐久性来测量）对于预测最 终产品的行为至关重要，可以在机械测试负载框架上有效测量。

流变学是对材料的流动和变形的研究。流变仪测量生物塑料的粘度，这对优化加工性能至关重要，特别是通过挤压和吹塑。流变学还支持在开发新混合物时分析塑料的均匀性和耐久性。

这些材料测量有助于生物塑料生产的每一步，从评估特定原料的质量到测试最 终产品的特性。随着新的生物塑料配方的开发，制造商将需要系统化的方法来加入新的混合物，同时保持效率，满足客户的期望，并使可持续性最 大化。

引言

冻干（也称为冷冻干燥）是从样品中去除水分的过程，通常用于样品的保存。冻干通常通过快速冷冻过程让样品中的水升华，进而降低样品的水含量。快速冷冻材料有助于避免因大冰晶的形成而对样品的细胞壁产生破坏。

冻干的常见应用包括材料的保存，特别是用于药物运输。如果以液体形式运输，非肠道药物可能会丧失稳定性或效力。因此在用于患者之前，需要使用冻干技术来制造更易于运输和复溶的药物产品。

此外，许多新型治 疗药物的溶解度差，应用常规药物交付方法时通常会损失药物的生物利用度。应用冻干技术可以制造可通过固态形式运输的无定形固体分散体。

虽然冻干是制药行业中常规使用的技术，但该技术具有高度的特异性，并且需要高度可控的生产方案。不适当的程序可导致冷冻不足、过载以及设备或样品损坏。生物样品尤其易于遭受由冷冻引起的损害，进而降低了药品的功效和效力。因此，详细的表征对于优化样品制备、冻干和产品交付至关重要。

如何量化冻干

研究人员需要在整个冻干过程中测量关键参数和材料性能，以优化其工艺和产品。应用热分析测量温度变化如何影响样品的材料性能。

玻璃化转变和DSC

玻璃化转变温度（Tg）是冻干样品从冷冻、易碎状态转变为更粘稠状态并出现流动性增加时的温度。3研究人员需要确定玻璃化转变温度，以优化冻干后样品复溶的过程。

差示扫描量热法（DSC）测量与材料的热转变（包括玻璃转变）相关的温度和热流。对于样品的结晶温度接近于玻璃化转变温度的复杂情况，温度调制式差示扫描量热法可帮助确定这些材料的性能。使用线性温度斜坡调节样品温度可以测量样品的热容量以及测试期间的总热流。

TA仪器提供唯 一的可用于热分析的调制动态扫描量热仪，包括可同时运行3个样品并可在更短的时间内提供更多数据的多样本 X3 DSC（Multi-Sample X3 DSC）。X3 DSC应用 TA仪器专利的Fusion Cell设计，可提供具有最 高水平性能的最 准确、最 可靠的热分析测量。

NANO DSC也可用于复溶后样品的分析，以查看产品的稳定性或功效是否发生了变化。NANO DSC可有效表征分子的稳定性、确定高亲和力配体结合以及反卷积多结构域结构。

干燥和TGA

冻干样品后，如何确认样品已完全干燥？热重分析仪(TGA)甚至可以可靠地检测出最 少量的残留水分。该分析可用于评估冻干工艺的质量，预测产品可能保持的稳定性，并确定冻干的最 佳参数。

卡尔费休滴定法（Karl Fischer titration）是最 广泛使用的检测残留水分的方法，并可在 TGA 仪器上运行；此外，TGA 还可用于测试与卡尔费休滴定法不兼容的化学品。TGA 还提供有关冻干样品在不同温度和压力下的表现数据。

TA仪器提供一系列的热重分析仪，可满足每个实验室的需求。TGA 55是一款坚固、可靠且具有成本效益的选项，配有专有的Tru-Mass天平，是竞争性型号中可进行最 准确测量的仪器。TGA 550通过附加功能和可选扩展功能提供了更高的性能和灵活性。TGA 5500提供了最 强的性能，与任何竞争性TGA相比，该仪器的漂移更小并可提供最 快的加热和冷却速率。对于任何实验室和冻干工艺，总有一款TGA可以满足您的需求并推进您的研究。

引言

全固态电池是一种新的电池体系，采用固态电极和固体电解质取代传统的液体或聚合物凝胶电极和电解质。范德比尔特大学机械工程、材料科学以及化学和生物分子工程系的研究人员研究了全固态电池 (ASSBs) 中复合电极的油墨配方。 

全固态电池中的电极涂层

复合电极的量产依赖于集合电极固体材料、粘结料和溶剂的油墨的生产。油墨工程包括优化油墨的流变性、聚集行为和稳定性，以实现所需的涂层工艺，从而提高ASSB中复合电极的性能。由Shen、Dixit、Zaman、Hortance、Rogers和Hatzell组成的范德比尔特团队使用TA仪器的Discovery混合流变仪来评估溶剂和粘结料的不同组合。他们发现，松油醇溶剂和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粘合剂（电池行业不太常见的组合）可以提高固-固界面润湿性和粘附性，同时改善动态表面张力和流变性能，从而改善电极和容量性能。流变学测量帮助他们确定这种理想的组合。流变学对于设计油墨制造过程和确定可行的工艺条件至关重要。来自蒙特利尔大学化学系的研究人员 Khakani、Verdier、Lepage、Rochefort、Prébé、Aymé-Perrot和Dollé、Hutchinson和Total SA采用一种不同的方法，设计一种无溶剂工艺来简化复合锂离子电池电极的制造，这种工艺更具环境可持续性和成本效益。他们的干法工艺使用聚合物加工助剂 (PPA),避免了基于溶剂的湿电极加工的传统问题。他们的干涂层需要具有足够黏度的均一混合物来均匀地涂覆电极。TA仪器的Discover混合流变仪(DHR)帮助研究人员优化他们的混合物，并确定应用该混合物所需的剪切力范围。他们得到的混合物具有理想的黏弹性，并在全电池测试中被证明是成功的，为更环保和低成本的电池制造铺平了道路。

固体聚合物电解质

尽管大多数商用电池使用液态有机电解质，但这些有机溶剂易燃，并不适用于所有应用。目前有研究人为固体聚合物电解质(SPEs)是一种更安全的替代品，其可燃性降低，机械性能提高，有助于抑 制枝晶的形成。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Brian Jing和Christopher Evans从具有动态共价交联的聚合物网络中开发了SPE，提高了电解质的安全性和性能，兼具可持续和可回收性。他们开发了聚环氧乙烷（PEO）网络，并研究了 LiTFSI 盐对其转变温度的影响。成功设计电池材料的其中一个关键点是了解材料在不同温度下的行为。这对基于PE的材料更为重要，因为其模量在加热过程中会大幅下降。Jing和Evans使用TA仪器的Discovery混合流变仪来确定他们基PEO的SPE 的模量随温度的变化。他们观察到，虽然材料在更高的温度下变得更软、更易流动，但所产生的材料的剪切模量却大于1MPa。这是一项重要成就，因为这些材料的高模量可能有助于在电池最 终使用温度较高的情况下抑 制枝晶形成，同时网络结构的化学属性保证了高导电性。使用硼酸酯形成动态共价交联也可以在 30 分钟内将电解质溶解在纯水中并回收原料单体。这些电解质在机械损伤后还表现出自修复性，同时保持95%以上的导电和机械性能，这进一步巩固了该行业为实现更好的电池可持续性而在可回收和可再加工材料方向发展所做出的努力。

流变学持续推动电池创新

正如这些研究实例所表明的，对锂离子电池的高需求正在全 球范围内挑战制造业的极限，使得在材料开发阶段思考工艺优化变得更加重要。随着创新以惊人的速度发展，世界各地的实验室都在努力开发性能和安全性适当平衡的电池。这些例子说明了流变学是科学家设计和高效生产更安全、性能更好的电池的关键技术。他们研究背后的驱动因素–更快的生产过程、更高的安全性、卓 越的终端使用性。我们不断改进电池生产和产品时，电池科学家可以自信地学习他人的突破，并采用他们的技术。

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引言

电芯是电池可采取的最小组装形式。锂离子电池的电芯有四种形式：圆柱形、棱柱形、袋形和硬 币形。前三种用于产品中，而硬 币形通常只用于研究目的。将电芯组合成更大的模块和电池组之前，电芯测试是优化电池设计和组件的重要步骤。电池研究科学家们需要确定电芯的效率以及循环使用过程中的衰减情况。差示扫描量热法 (DSC) 和热重分析 (TGA) 可用于研究电芯材料在不同条件下的分解和蒸发情况以及热稳定性。而等温微量热法 (IMC) 可用来分析电池的电芯整体，为寿命预测、电芯性能排序和热管理评估提供数据支持。

应用示例——工况条件下的电池全部电芯量热测试

电池中发生的电化学过程，无论是在负载还是充电条件下，都会引起与周围环境的热交换。电芯内部带电物质流动时所做的功会产生热量，并引起阳极和阴极的氧化还原反应和各种依附性的不良副反应，这些会限制电池的使用寿命。等温微量热法 (IMC) 是一种非特异性和非破坏性技术，用于测量物理化学过程中材料发生的最微弱的反应，通过在恒温下测量流入/流出样品的热流量来实现。在电池研究中，锂离子电芯的等温量热分析主要用于三个领域：第 一，从热管理的角度测试电芯的热输出。第二，以焓变为依据，了解活性材料的结构演化。第三，通过单独分析依附性副反应产生的热量对电芯性能进行排序。袋形、硬 币形电池、起搏器电池、手机电池和圆柱形电池的评估可在被动储存条件下进行，也可以与充放电循环装置串联后进行。

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DMA（动态热机械分析法）用于测定材料（主要是聚合物）在长期保持恒定的振荡载荷（应变或应力）下的粘弹性。DMA主要用于检测玻璃化转变，但还可以用于测定二次转变、材料刚度、固化程度和结晶度。

DMA如何工作

首先将样品夹在DMA仪器的测量夹具上，控制样品温度变化，并对样品施加正弦力。随后测定所施力与随之产生的形变之间的关系。

可以通过施加的应力和应变（绘制成时间或温度的函数）计算样品性能（粘弹性）。

上述DMA输出图形显示了通常通过DMA测量绘制的三项参数。

• E'是储能模量或弹性模量，表示样品的弹性以及储存和恢复的能量相对于施加的力的程度。

• E"是损耗模量或非弹性模量，表示样品的粘性以及转化为热量的能量相对于施加的力的程度。

• Tanδ是损耗角正切，表示E'与E"的比值，反映振动吸收能力。此参数也称为振动吸收系数或阻尼。

从根本上而言，这些参数提供了聚合物在某温度范围内的刚度和阻尼变化相关信息。

2/ DMA提供哪些热性能相关信息

首先将样品夹在DMA仪器的测量夹具上，控动态热机械分析法能够测量随温度曲线变化而发生的刚度和阻尼变化，并助力了解温度对材料物理性能的影响。

这种技术具有高灵敏度，允许检测松弛现象，例如可以观察到玻璃化转变、侧链松弛和局部模式松弛。这种方法还能提供聚合物的分子结构和分子运动相关信息。

通过同时测量温度分散和频率分散，可以获得频率对材料性能的影响及其对松弛转变的影响，由此可以了解材料在预期使用条件下的性能。 

DMA可用于测定剪切模量（G）或杨氏模量（E）。

3/ 如何根据特定ASTM方法解读DMA分析结果

我们选择了ASTM D4065-20《塑料动态机械特性的标准实施规程——程序报告及测定法》。本实施规程旨在提供通过自由振动和共振或非共振强制振动技术在某温度、频率或时间范围内测定塑料的转变温度、弹性和损耗模量的方法。

弹性模量和损耗模量图表指示塑料的粘弹性特征。这些模量是塑料中温度或频率的函数，并在特定温度或频率下迅速发生变化。模量快速变化的区域通常称为过渡区域。

如供参考的试验方法中所列，已使用不同的形变模式（如拉伸、弯曲和剪切）。

上述DMA曲线显示了在张力下分析聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜的结果。三条曲线显示了与材料粘弹性能相关的不同信息。E'是储能模量，其提供与材料刚度相关的材料弹性分量相关信息。

可以在任何点测量材料的刚度，如本文所示的25℃时模量值。对于PMMA等非晶态或部分非晶态材料，DMA具有高灵敏度，非常适合用于检测玻璃化转变（Tg）。在这种情况下，通过储能模量获得的玻璃化转变温度为115.3℃。

此外，还可以使用E"检测玻璃化转变，E"是使用损耗模量的峰值温度；在这种情况下，峰值温度为116.9℃。最 后，Tanδ还可以用于玻璃化转变温度为129.9℃的情况，并用于了解材料吸收振动的程度，这也称为阻尼。

E'、E"和Tanδ测量聚合物的不同性能，因此通常给出不同的值。重要的是将所得结果与相同类型的测量结果（E'、E"或Tanδ）进行比较。

4/ 使用DMA有什么优势

DMA主要用于检测较弱的转变，如玻璃化转变。DMA还可用于测定聚合物的粘弹性和松弛现象，以及了解材料性能如何受频率影响。DMA能够检测尺寸更大的样品，确保这种样品更近似于用作真实零件时的状况。不同的测量夹具还能确保测量结果更适合材料的预期使用方式（如拉伸或剪切模式）。

5/ 日立DMA分析仪可实现热机械分析法产品更好的飞跃

日立DMA仪器可帮助记录模量变化，了解样品损坏或颜色变化等意外性能，并检查每个数据点的可靠性，即使在完成测量后也是如此。DMA7100具有非常大的模量范围，非常适合极软和极硬的样品，可以从许多不同的形变模式中进行选择。标配主曲线分析和活化能计算等高级功能，可以实现热固性塑料、热塑性塑料、共混聚合物的全面表征，还可进行复合材料的固化研究。

日立创新型Real View®相机系统与DMA7100系列相结合，因此可以在分析过程中实时了解样品状态的变化。图像显示了样品形状、尺寸、颜色和其他性能的变化，还可对这些图像进行记录，并通过时间轴自动将其与热力学数据相联系。