Análisis mecánico diferencial

El análisis mecánico dinámico conocido por sus siglas en inglés como DMA. Es un análisis utilizado en estudios de procesos de relajación y en reología, para estudiar y caracterizar el comportamiento de materiales viscoelásticos como polímeros y sus respuestas ante impulsos, estrés, deformación en tiempo y frecuencia.

Este estudio es importante para la comprensión de la mecánica de materiales poliméricos utilizados como hules, fibras textiles, empaques, plásticos, espumas y diferentes compuestos.

DMA utiliza el principio de estímulo-respuesta, para ello una fuerza oscilante es aplicada a la muestra y el desplazamiento resultante es medido, la rigidez de la muestra puede ser determinada y el módulo de la muestra puede ser calculado. Por medio de la medición del lapso entre el desplazamiento y la fuerza aplicada es posible determinar las propiedades de deformación del material.

Los materiales viscoelásticos como los polímeros existen típicamente "en dos estados", es decir, muestran propiedades vítreas con un módulo considerablemente alto a bajas temperaturas y un estado ahulado, con un módulo relativamente bajo a temperaturas altas. Por medio de un barrido de temperaturas durante un estudio de DMA, se obtiene este cambio de estado entre vítreo y ahulado, se obtiene la transición vítrea dinámica y transición α. La temperatura de transición vítrea o Tg es obtenida en cambio, por medio de estudios de DSC. La transición vítrea dinámica, análoga a la transición vítrea térmica (Tg) provee de datos más útiles para el estudio de los polímeros, puede ser utilizada para investigar la frecuencia (y con las transformaciones matemáticas adecuadas, también el tiempo) en dependencia de la transición. Relajaciones secundarias como la transición β también pueden ser obtenidas para muchos materiales viscoelásticos mientras que por DSC no es posible.

Antecedentes

Los primeros intentos de realizar un estudio oscilatorio fueron hechos por Poyting en 1909.[4] los instrumentos desarrollados en esta etapa eran difíciles de utilizar, lentos, limitados y tenían baja resolución. Perkin Elmer fue una de las primeras compañías es desarrollar un equipo de análisis de estrés controlado, basándose en un equipo previo de tecnología de análisis termomecánico (TMA), este equipo se convirtió en el primer equipo DMA de uso amigable incluyendo el programa computacional "Pyris", para uso en "Windows".

Aunque el análisis mecánico diferencial es una técnica de estudio principalmente utilizado en la investigación científica ha encontrado rápidamente aplicación industrial para efectos de control de calidad y desarrollo de nuevos materiales viscoelásticos. Diversos fenómenos relacionados con este análisis no han sido completamente entendidos y siguen en investigación. Diversas teorías han tratado de explicar estos fenómenos como la del Profesor Wagner.


Antecedentes teóricos Cuando los materiales viscoelásticos son deformados una parte de la energía resultante es almacenada en forma de energía potencial y otra parte es disipada como calor resultante de fricción en interacciones intramoleculares. El estudio de DMA implica la determinación de las propiedades mecánicas dinámicas de los polímeros y sus compuestos, esto se logra por medio del análisis entre las propiedades dinámicas y los parámetros estructurales como cristalinidad, peso molecular, estructura y cantidad de ramificaciones, tipo de copolímero u homopolímero, plastificantes, rellenos, mezclas y orientación. Otros factores influyen directamente en el comportamiento mecánico dinámico de los materiales viscoelásticos como son temperatura, tiempo, frecuencia, presión, tipo de deformación, humedad, agentes corrosivos y oxidantes, coalescencia y degradación del material.

Existen tres tipos de vibraciones utilizadas comúnmente por DMA:

1. Vibraciones libres Se utilizan cuando las propiedades del polímero son lineares, es decir, independientes de la amplitud. En frecuencias arbitrarias de vibración, el periodo y el decremento logarítmico definen el comportamiento mecánico del polímero.
2. Vibraciones resonantes Se utiliza fijando la amplitud de una fuerza oscilante y variando su frecuencia. La frecuencia de resonancia propia de cada material viscoelástico depende de las características elásticas del polímero. Se obtienen también relaciones sobre las fuerzas de disipación.
3. Propagación de ondas Basado en la capacidad de propagación de ondas en los sólidos, estas ondas pueden ser elásticas o inelásticas de naturaleza diferente como de extensión, de flexión y torsión. La velocidad con la cual son propagadas estas ondas en un material dado dependen de constantes elásticas, arreglos de compuestos y de la densidad del material. Se obtienen de este tipo de vibraciones la cantidad de energía disipada, el ángulo de fase entre estrés y deformación y la amplitud en diferentes puntos de la muestra.


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