Re:동적기계분석기(DMA / DMTA ; Dynamic Mechanical Analysis)

[주인장]

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동적기계분석기(DMA / DMTA ; Dynamic Mechanical Analysis)

 동적기계분석법(Dynamic Mechanical Analysis)에서는 온도•주파수(frequency)•진동의 함수로써 재료의 기계적 모듈러스(mechanical analysis)를 측정한다. 시료에 주기적 외력(force)를 가하면 시료 내에 주기적 stress가 발생되어 시료는 이 stress에 반응함으로써 이에 상당하는 변형(deformation)을 하게 된다. 기계적 모듈러스는 이때의 응력•변형(stress•deformation)으로부터 결정되는 것이다. 가해지는 stress 형태에 따라서 shear modulus(G)(shear stress)와 Young"s modulus(E)(stretching 또는 bending)가 측정된다. 즉, 재료의 점탄성 특성(viscoelastic)에 의한 시간지연(time delay)에 의해 주기적으로 변하는 응력(통상 사인파 응력; sinusoidal stress)에 따라 위상차가 발생되는 것이다. 이는 가해진 응력(stress)과 팽창(expansion) 사이에 위상차(phase shift)를 발생시킨다. 이 위상차를 고려해 동적으로 측정된 모듈러스는 G"(storage modulus; 저장탄성율)과 G"(loss modulus; 손실탄성율) 설명된다. G"은 DMA 측정에 에 의한 직접적인 결과로써 저장탄성율이라 하며 주기적 응력과 함께 시료의 in-phase 응답(response)이며 시료의 가역적 탄성도(reversible elasticity)에 해당한다. 가상의 성분인 G"은 손실탄성율이라 하며 90º까지 상이동(phase shift)된 응답이며 열로 전환되어 비가역적으로 손실되는 기계적 에너지에 해당된다.이 위상차(phase shift)의 tanδ(탄젠트 델타)는 loss factor이며 물질의 댐핑거동(damping behavior)을 측정하는데 사용된다.

탄성율(modulus)과 손실팩터(loss factor; tanδ)는 온도와 주파수 의존성이다(temperature-frequency dependant). 실온에서 고무상 물질의 storage modulus는 0.1MPa에서 10MPa까지의 값을 가진다.

그림 1. 비정질고분자(amorphous)와 결정성고분자(crystalline)의 저장탄성율과 손실탄성율의 전형적 거동: Amorphous(blue) 고분자와 급속냉각시킨 semicrystalline 고분자에 대한 온도의 함수로써 storage modulus(실선)와 loss modulus(점선)의 전형적인 DMA 측정 곡선

저온에서 물질은 유리상(glassy state)이며 모듈러스는 약 2GPa로 상대적으로 높다. 이 상에서는 종종 secondary relaxation(1)이 측정된다. 여기에서 모듈러스의 실제성분(real part)은 비교적 넓은 온도범위에서 조금씩 감소하며 가상의 성분(imaginary part)은 broad한 peak으로 나타난다. Secondary relaxation은 side chain의 운동에 기인한다고 알려져 있다. 고분자의 주쇄(main chain)의 회전운동(rotational movements)에 의한 glass transition(2)영역에서는 저장탄성율(storage modulus)이 크게 변한다. Loss modulus는 확연한 peak으로 나타난다. 재료는 이 영역에서 glassy 상에서 탄성상(rubbery-elastic state)으로 바뀐다.

완화영역(relaxation)에서 storage modulus는 감소하고 loss modulus는 최대가 된다. Peak의 최대온도는 frequency 의존성이다. 따라서 측정 frequency를 높일수록 완화영역은 고온쪽으로 이동한다. 이는 완화거동이 분자재배열(molecular rearangement)의 동적특성에 의해 결정되기 때문이다. 최대 완화영역이 지난 후 모듈러스는 거의 일정하다. 이는 소위 rubbery plateau(3)라 하며 고분자 중합(polymerization)이나 가교도(degree of cross linking)에 따라 다르다. 더욱 고온으로 올라가면 시료의 모듈러스는 감소한다.

DMA는 비정질 고분자의 완화거동(relaxation behavior)외에도 semicrystalline 물질의 상전이를 측정할 수 있다. 결정화(5)와 용융거동(6)은 완화거동과는 다르다. 결정화나 용융 시 저장탄성율의 증가나 감소는 손실탄성율과 유사하다. 게다가 이 과정에서 온도범위는 frequency에 비의존성이다.

DMA 측정 시 전단하중(shear stress)이나 굴곡하중(bending stress)외에도 온도, frequency, amplitude등이 다양하게 적용될 수 있다.

Variation of the temperature	Variation of the frequency	Variation of the amplitude
» Temperature of relaxation transitions » Glass transition » Crystallization » Melting » Compatibility » Damping behavior	» Relaxation behavior » Glass transition » Molecular interation » Damping behavior	» Non-linear mechanical behavior » Effect of fillers