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第074篇｜動態機械分析
第074篇｜動態機械分析
Dynamic Mechanical Analysis (DMA)
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一句話定義
動態機械分析（Dynamic Mechanical Analysis, DMA）是一種利用週期性振動應力或應變測量材料黏彈性（Viscoelasticity）行為的分析技術，可同時獲得儲能模數（Storage Modulus, E’ 或 G’）、損耗模數（Loss Modulus, E’’ 或 G’’）及損耗因子（Tan δ），是高分子材料研究中最重要的熱機械分析工具之一。
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為什麼重要
高分子材料看起來像固體。
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實際上卻會隨時間變形。
⸻
受到溫度影響時。
⸻
其力學性質也會改變。
⸻
傳統拉伸試驗。
⸻
只能得到某一瞬間的強度。
⸻
無法觀察材料內部結構變化。
⸻
DMA則不同。
⸻
DMA能觀察：
• 分子運動
• 相轉變
• 黏彈性變化
• 交聯程度
• 結構穩定性
⸻
因此在高分子領域。
⸻
DMA常被稱為：
高分子材料的顯微鏡。
⸻
許多材料問題。
⸻
透過DMA比拉力試驗更容易找到原因。
⸻
基本原理
DMA利用小幅度週期性振動。
⸻
持續施加於材料。
⸻
並量測材料反應。
⸻
由於高分子具有黏彈性。
⸻
因此施加外力後。
⸻
材料反應並不完全同步。
⸻
會出現：
Phase Lag
相位差。
⸻
透過分析此相位差。
⸻
即可計算：
• Storage Modulus
• Loss Modulus
• Tan δ
⸻
進而分析材料結構。
⸻
DMA測試原理
當施加正弦波變形：
⸻
材料產生應力反應。
⸻
若材料為理想彈體。
⸻
應力與應變同步。
⸻
若材料為理想液體。
⸻
應力與應變相差90°。
⸻
實際高分子介於兩者之間。
⸻
因此形成：
黏彈性反應。
⸻
DMA正是利用此特性進行分析。
⸻
DMA主要測試數據
Storage Modulus（E’ 或 G’）
儲能模數。
⸻
代表：
彈性能力。
⸻
反映材料儲存能量能力。
⸻
Loss Modulus（E’’ 或 G’’）
損耗模數。
⸻
代表：
黏性能力。
⸻
反映材料耗散能量能力。
⸻
Tan δ
損耗因子。
⸻
代表：
黏性與彈性的比例。
⸻
常用於分析：
• Tg
• 阻尼性能
• 相容性
⸻
Tan δ定義
DMA最常見參數之一。
⸻
其公式為：
Tan,\delta=\frac{E’’}{E’}
⸻
或：
Tan,\delta=\frac{G’’}{G’}
⸻
當：
Tan δ高
⸻
代表黏性較強。
⸻
當：
Tan δ低
⸻
代表彈性較強。
⸻
DMA測試模式
常見模式包括：
Temperature Sweep
溫度掃描。
⸻
最常見DMA測試方式。
⸻
用於分析：
• Tg
• 相轉變
• 熱穩定性
⸻
Frequency Sweep
頻率掃描。
⸻
分析不同時間尺度下的行為。
⸻
Time Sweep
時間掃描。
⸻
分析固化反應。
⸻
Strain Sweep
應變掃描。
⸻
分析線性黏彈區域。
⸻
DMA與Tg關係
DMA是測定Tg最敏感的方法之一。
⸻
當材料接近Tg時。
⸻
分子鏈開始活化。
⸻
儲能模數下降。
⸻
損耗模數上升。
⸻
Tan δ出現峰值。
⸻
因此：
Tan δ Peak
常被定義為DMA Tg。
⸻
DMA與DSC差異
兩者皆可測量Tg。
⸻
但原理不同。
⸻
DSC
測量熱流變化。
⸻
DMA
測量力學變化。
⸻
通常DMA對Tg更敏感。
⸻
尤其適用於：
• 高交聯系統
• 複合材料
• TPU
• PSA
⸻
重要數據或表格
DMA主要測試參數
參數 意義
E’ 或 G’ 儲能模數
E’’ 或 G’’ 損耗模數
Tan δ 損耗因子
Tg 玻璃轉移溫度
Frequency 頻率
Temperature 溫度
⸻
DMA可分析內容
分析項目 可行性
Tg分析 ★★★★★
相分離分析 ★★★★★
交聯程度分析 ★★★★★
固化反應分析 ★★★★☆
耐熱性分析 ★★★★☆
阻尼性能分析 ★★★★★
⸻
DMA與交聯密度
交聯程度提高。
⸻
鏈段活動受限。
⸻
儲能模數提高。
⸻
Tan δ降低。
⸻
因此DMA常用於：
• PU
• Epoxy
• Silicone
交聯程度分析。
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DMA與相分離
TPU。
⸻
PUD。
⸻
Block Copolymer。
⸻
皆可能產生相分離。
⸻
DMA可透過：
多重Tan δ峰值
分析不同相區存在。
⸻
因此是研究TPU的重要工具。
⸻
DMA與PU系統
PU由：
Soft Segment
與
Hard Segment
組成。
⸻
DMA可觀察：
• 軟鏈段轉變
• 硬鏈段轉變
• 相分離程度
⸻
因此是PU開發的重要分析工具。
⸻
DMA與PSA系統
壓敏膠性能高度依賴黏彈性。
⸻
DMA可分析：
• 初黏力
• 持黏力
• 剝離力
相關結構基礎。
⸻
因此PSA研究幾乎必定搭配DMA。
⸻
與接著工程的關係
DMA直接影響：
Tack
初黏力。
⸻
Holding Power
持黏力。
⸻
Peel Strength
剝離強度。
⸻
Heat Resistance
耐熱性。
⸻
Viscoelasticity
黏彈性。
⸻
Crosslink Density
交聯密度。
⸻
因此DMA是接著劑研發的重要分析工具。
⸻
常見應用
PU接著劑
Polyurethane Adhesive。
⸻
PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。
⸻
TPU
Thermoplastic Polyurethane。
⸻
Epoxy
環氧樹脂。
⸻
Silicone
矽膠系統。
⸻
複合材料
Composite Materials。
⸻
相關名詞
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• Complex Modulus（複數模數）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
• Time Sweep（時間掃描）
⸻
FAQ
Q1：DMA與DSC哪個測Tg比較準？
兩者測量原理不同。
DMA通常對Tg變化更敏感。
⸻
Q2：DMA是否可以分析交聯程度？
可以。
儲能模數與Tan δ常用於評估交聯密度。
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Q3：DMA是否只能分析塑膠？
不是。
橡膠、接著劑、塗料、複合材料皆可分析。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，DMA是連結材料結構與實際性能最有效的分析工具之一。
許多接著劑問題無法透過黏度或拉力測試解釋，但透過DMA分析儲能模數、損耗模數與Tan δ後，往往能快速找到問題根源。
在PU、PSA、PUD與高功能接著系統開發過程中，DMA不僅能分析Tg，更能協助理解相分離、交聯程度與長期可靠性。
因此DMA已成為高階接著劑研發的重要標準工具之一。
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延伸閱讀
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• Complex Modulus（複數模數）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
• Time Sweep（時間掃描）
• Gel Point（凝膠點）
⸻
參考文獻
1. Menard, K.P. Dynamic Mechanical Analysis: A Practical Introduction.
2. Ferry, J.D. Viscoelastic Properties of Polymers.
3. Ward, I.M. & Sweeney, J. Mechanical Properties of Solid Polymers.
4. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
5. Journal of Rheology.
6. Polymer.
7. Progress in Polymer Science.
8. Rheologica Acta.
Dynamic Mechanical Analysis (DMA)
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一句話定義
動態機械分析（Dynamic Mechanical Analysis, DMA）是一種利用週期性振動應力或應變測量材料黏彈性（Viscoelasticity）行為的分析技術，可同時獲得儲能模數（Storage Modulus, E’ 或 G’）、損耗模數（Loss Modulus, E’’ 或 G’’）及損耗因子（Tan δ），是高分子材料研究中最重要的熱機械分析工具之一。
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為什麼重要
高分子材料看起來像固體。
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實際上卻會隨時間變形。
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受到溫度影響時。
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其力學性質也會改變。
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傳統拉伸試驗。
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只能得到某一瞬間的強度。
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無法觀察材料內部結構變化。
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DMA則不同。
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DMA能觀察：
• 分子運動
• 相轉變
• 黏彈性變化
• 交聯程度
• 結構穩定性
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因此在高分子領域。
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DMA常被稱為：
高分子材料的顯微鏡。
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許多材料問題。
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透過DMA比拉力試驗更容易找到原因。
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基本原理
DMA利用小幅度週期性振動。
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持續施加於材料。
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並量測材料反應。
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由於高分子具有黏彈性。
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因此施加外力後。
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材料反應並不完全同步。
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會出現：
Phase Lag
相位差。
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透過分析此相位差。
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即可計算：
• Storage Modulus
• Loss Modulus
• Tan δ
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進而分析材料結構。
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DMA測試原理
當施加正弦波變形：
⸻
材料產生應力反應。
⸻
若材料為理想彈體。
⸻
應力與應變同步。
⸻
若材料為理想液體。
⸻
應力與應變相差90°。
⸻
實際高分子介於兩者之間。
⸻
因此形成：
黏彈性反應。
⸻
DMA正是利用此特性進行分析。
⸻
DMA主要測試數據
Storage Modulus（E’ 或 G’）
儲能模數。
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代表：
彈性能力。
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反映材料儲存能量能力。
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Loss Modulus（E’’ 或 G’’）
損耗模數。
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代表：
黏性能力。
⸻
反映材料耗散能量能力。
⸻
Tan δ
損耗因子。
⸻
代表：
黏性與彈性的比例。
⸻
常用於分析：
• Tg
• 阻尼性能
• 相容性
⸻
Tan δ定義
DMA最常見參數之一。
⸻
其公式為：
Tan,\delta=\frac{E’’}{E’}
⸻
或：
Tan,\delta=\frac{G’’}{G’}
⸻
當：
Tan δ高
⸻
代表黏性較強。
⸻
當：
Tan δ低
⸻
代表彈性較強。
⸻
DMA測試模式
常見模式包括：
Temperature Sweep
溫度掃描。
⸻
最常見DMA測試方式。
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用於分析：
• Tg
• 相轉變
• 熱穩定性
⸻
Frequency Sweep
頻率掃描。
⸻
分析不同時間尺度下的行為。
⸻
Time Sweep
時間掃描。
⸻
分析固化反應。
⸻
Strain Sweep
應變掃描。
⸻
分析線性黏彈區域。
⸻
DMA與Tg關係
DMA是測定Tg最敏感的方法之一。
⸻
當材料接近Tg時。
⸻
分子鏈開始活化。
⸻
儲能模數下降。
⸻
損耗模數上升。
⸻
Tan δ出現峰值。
⸻
因此：
Tan δ Peak
常被定義為DMA Tg。
⸻
DMA與DSC差異
兩者皆可測量Tg。
⸻
但原理不同。
⸻
DSC
測量熱流變化。
⸻
DMA
測量力學變化。
⸻
通常DMA對Tg更敏感。
⸻
尤其適用於：
• 高交聯系統
• 複合材料
• TPU
• PSA
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重要數據或表格
DMA主要測試參數
參數 意義
E’ 或 G’ 儲能模數
E’’ 或 G’’ 損耗模數
Tan δ 損耗因子
Tg 玻璃轉移溫度
Frequency 頻率
Temperature 溫度
⸻
DMA可分析內容
分析項目 可行性
Tg分析 ★★★★★
相分離分析 ★★★★★
交聯程度分析 ★★★★★
固化反應分析 ★★★★☆
耐熱性分析 ★★★★☆
阻尼性能分析 ★★★★★
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DMA與交聯密度
交聯程度提高。
⸻
鏈段活動受限。
⸻
儲能模數提高。
⸻
Tan δ降低。
⸻
因此DMA常用於：
• PU
• Epoxy
• Silicone
交聯程度分析。
⸻
DMA與相分離
TPU。
⸻
PUD。
⸻
Block Copolymer。
⸻
皆可能產生相分離。
⸻
DMA可透過：
多重Tan δ峰值
分析不同相區存在。
⸻
因此是研究TPU的重要工具。
⸻
DMA與PU系統
PU由：
Soft Segment
與
Hard Segment
組成。
⸻
DMA可觀察：
• 軟鏈段轉變
• 硬鏈段轉變
• 相分離程度
⸻
因此是PU開發的重要分析工具。
⸻
DMA與PSA系統
壓敏膠性能高度依賴黏彈性。
⸻
DMA可分析：
• 初黏力
• 持黏力
• 剝離力
相關結構基礎。
⸻
因此PSA研究幾乎必定搭配DMA。
⸻
與接著工程的關係
DMA直接影響：
Tack
初黏力。
⸻
Holding Power
持黏力。
⸻
Peel Strength
剝離強度。
⸻
Heat Resistance
耐熱性。
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Viscoelasticity
黏彈性。
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Crosslink Density
交聯密度。
⸻
因此DMA是接著劑研發的重要分析工具。
⸻
常見應用
PU接著劑
Polyurethane Adhesive。
⸻
PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。
⸻
TPU
Thermoplastic Polyurethane。
⸻
Epoxy
環氧樹脂。
⸻
Silicone
矽膠系統。
⸻
複合材料
Composite Materials。
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相關名詞
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• Complex Modulus（複數模數）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
• Time Sweep（時間掃描）
⸻
FAQ
Q1：DMA與DSC哪個測Tg比較準？
兩者測量原理不同。
DMA通常對Tg變化更敏感。
⸻
Q2：DMA是否可以分析交聯程度？
可以。
儲能模數與Tan δ常用於評估交聯密度。
⸻
Q3：DMA是否只能分析塑膠？
不是。
橡膠、接著劑、塗料、複合材料皆可分析。
⸻
APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，DMA是連結材料結構與實際性能最有效的分析工具之一。
許多接著劑問題無法透過黏度或拉力測試解釋，但透過DMA分析儲能模數、損耗模數與Tan δ後，往往能快速找到問題根源。
在PU、PSA、PUD與高功能接著系統開發過程中，DMA不僅能分析Tg，更能協助理解相分離、交聯程度與長期可靠性。
因此DMA已成為高階接著劑研發的重要標準工具之一。
⸻
延伸閱讀
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• Complex Modulus（複數模數）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
• Time Sweep（時間掃描）
• Gel Point（凝膠點）
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參考文獻
1. Menard, K.P. Dynamic Mechanical Analysis: A Practical Introduction.
2. Ferry, J.D. Viscoelastic Properties of Polymers.
3. Ward, I.M. & Sweeney, J. Mechanical Properties of Solid Polymers.
4. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
5. Journal of Rheology.
6. Polymer.
7. Progress in Polymer Science.
8. Rheologica Acta.
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