橡胶测试中DMA的选型

橡胶测试中DMA仪器的选择

动态热机械分析仪DMA是材料测试分析应用中应用范围最广的一种设备，像弹性体、塑料、陶瓷、建材、金属、纸张、涂料油漆等膏状体、流体等等。尤其在弹性体研究领域，DMA测试有着不可替代的作用。但是目前市面上有多种DMA，其力值范围大小、可测试频率范围高低、机架刚度等均有差异，我们在设备选型的时候带来很多困惑 - 什么样的DMA 才真正满足我们的应用？尤其对于目前科研主流的阻尼性材料和轮胎领域的橡胶动态热分析仪研究，我们稍作探讨。

在DMA的重要指标里，不同DMA之间差异主要机架刚度设计、力值范围和频率范围、位移范围、温度范围及速率控制等。

1、力值的选择：DMA不像万能材料试验机，弹性模量高的材料并不意味着需要大力值。应根据具体情况而定。但也并不是小载荷就能满足我们的应用。载荷太小，势必被测试样也要求过小，这种试样的边界条件就会对测试结果有很大的影响，如试样的表面粗糙度、表面状态、试样形状、材料特性（纤维、晶须、颗粒复合材料）等。根据研究表明，由于橡胶材料在玻璃化转变前后的模量变化最大（有时能达到7个数量级的变化），橡胶材料需要的力值范围最大（通常建议最好5个数量级以上），尤其目前某些行业应用于阻尼减震等领域的特种硅氟橡胶，其玻璃化转变温度几乎能达到-100°C，高温耐受程度也优于常规橡胶，在进行此类测试有时可能需要进行-120°C~120°C的大范围的温度扫描，在这个过程中其力值变化要跨越数个数量级，这就要求测试设备必须有大的力值范围。比如，最大力值为500N，最小力值应小于0.005N。所以，DMA 要求的是一个力值范围，而不是一个力值。在-0.005N 到0.005N 的区间，精度范围较低（各厂家都应提供这个测试盲点范围）。而在厂家表明的力值范围内（0.005 到500N），精度较高。所以我们在选择DMA的力值时，更应关注力值范围。尤其是最小力值能达到什么样的数量级。对于橡胶、金属、复合材料等，根据我们的具体应用，可以选择100~200N 左右就够用了。较小力值的DMA，由于受其最小力值限制，在测试橡胶类的宽模量样品时无法同时兼顾高低温，略显不足（目前市场上DMA测试最小力值最好的测试最小力值能达到0.001N，像Metravib公司的DMA系列）；当然更高力值的DMA 会更好，但价格会贵很多。

2、刚度范围的选择：有了宽的力值范围，也并不意味着能有好的测试结果。力值越大，对机架的刚度要求就越高。而高的机架刚度不仅取决于机架所用材料，而且取决于机架设计结构、夹具结构和固定方式等。ISO6721 等国际标准中明确规定，夹具的一端必须固定，以确保整个测试环的刚度。双向加载结构并不符合ISO6721 等相应国际标准的规定。因此，我们在选择宽力值DMA 时，也应关注夹具和机架刚度及机架结构。

在橡胶机械性能中，人们感兴趣的一个最重要的区域是玻璃化转变(TG)区—很低的温度区，此时橡胶胶料具有极高的模量。视试样的几何结构，试样的刚度可能达到极高的值，接近于DMA仪器自身的刚度值。DMA的机械顺从性是仪器的主要特性；与仪器获取受试试样相关信息的能力直接相关。DMA永远无法正确测试刚度比DMA机械框架自身刚度还要高的试样。及时的提醒和恰当的刚度校正是获取可靠数据的主要因素。如果在操作条件下可以接受1 0 %的刚度校正，100%的校正就没有意义；这种试验不能再称为测量了。尽管如此（这种情况并不常见），由于一些DMA制造商想让用户感到DMA的使用很容易，所以就采用了一种‘黑箱软件’。这种软件可方便用户的使用，使测试数据看起来也很圆润漂亮，但实际上存在最终数据很可能不精确的问题。市场上的大多数仪器都不太关注这种现象；甚至有些使用这种仪器的工业实验室还未意识到这种问

题。从图3可以看出，仪器刚度校正可能对模量值(G’)、tanδ值，以及玻璃化转变( TG ) 都有重要的影响。此外，所观察到的两个同类DMA仪器之间的刚度变化对两仪器间的粘弹数据比较会有巨大的影响。这样的话，在同一研究组内使用不同DMA仪器的研发团队就会产生问题。

3、频率的选择：和力值选择一样，根据我们的应用选择最适合于我们的频率范围。我在这里又提到频率范围，而不是最高频率。如果我们的应用是和振动/噪音有关（阻尼材料、减震材料、隔音材料、轮胎等）、或者被研究的材料粘弹性在较大的频率范围体现，那么我们当然要选择频率范围宽的DMA。因为我们的耳朵能够听到最高大约15000Hz 左右的声音。即使我们采用WLF时温等效的方法外推到高频，更高的实测频率也更能保证外推的精度。目前，市场上的DMA的最低频率为0.00001Hz，最高频率为1000Hz。如有特殊的高频应用，有10000Hz 的超高频DMA。

另外，仪器的最高频率也受仪器机架刚度及机架设计影响。
   4、温度的选择：大部分DMA都可以从低温做到高温。一般来讲，最大变温速率取决于试样的大小。由于DMA测试不同于常规的热分析测试仪器，其测试时力求样品内外温度整体一致。这就要求试样越大，要求变温速率就越低，以便试样内外温度一致，像平面剪切测试，一般变温速率控制在1~2°C/min。通常，虽然温度箱的变温能力很强，但我们应控制的最大变温速率通常为5 度/分钟到10 度/分钟以内。

5、位移的选择：一般的DMA都可以做到动态和静态位移±1um~±6000um，基本都能满足用户的需求，但是要保证应变控制幅值平缓，不过冲，以防破坏样品，另外对于拉压模式测试，仪器有自动拉伸功能更能保证测试准确性。
   另外，如果我们主要对各种橡胶材料进行研究，还应该让各仪器供应商提供‘在单次试验中能够测量的模量最大变化范围’。像前面所提到的，有些材料的模量可能会有高达7 个数量级的变化。