NETZSCH Инструменти за решаване на проблеми, свързани с термоелектрически и строителни материали

Въведение

"Здравейте! Казвам се Елизабет Греъм (на снимката вляво) и съм лабораторен координатор на лабораторията за физични и механични свойства в Централния център за аналитични изследвания (CARF) в Технологичния университет в Куинсланд (QUT). CARF е група от приблизително 50 души професионален и академичен персонал, който управлява портфолио от инструменти, обслужващи много от научноизследователските нужди в QUT. Аз и моят колега Джун Жанг (на снимката вдясно) предоставяме обучение и подкрепа по термичен анализ на изследователската общност на QUT, както и услуги по изпитване и консултации на австралийски изследователски и търговски организации.

Намираме се в сърцето на град Бризбейн, Куинсланд, в непосредствена близост до ботаническите градини в модерна сграда, построена за целите на науката и инженерството, с над 600 вътрешни клиенти. Нашата мисия е да осигурим оперативно обучение на студентите по HDR на QUT и на други изследователи от QUT, така че те да завършат обучението си с практически умения за работа с оборудването заедно с необходимото разбиране, за да получат най-добри резултати от анализа на данните си. Понастоящем имаме 188 обучени потребители от QUT за целия набор от инструменти на NETZSCH.

Случай 1: Макромолекулярният дизайн на поли(стирен-изопрен-стирен) (SIS) съполимери определя тяхната ефективност в гъвкави електротермични композитни нагреватели

_{Хируни Т. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal и Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesСтатия ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Вижте публикацията на acsami.org: ACS Publications}

Това изследване се фокусира върху подобряването на стабилността и ефективността на гъвкави композитни електротермични нагреватели за електрически превозни средства. Тези нагреватели се използват в приложения като автомобили, интелигентни прозорци, устройства за размразяване, дисплеи, термотерапевтични подложки и сензори. Те са от съществено значение за поддържане на ефективността на автомобила в студено време, където отоплението на кабината в студено време оказва значително влияние върху пробега на автомобила. Металните сплави и прозрачните проводящи оксиди (TCO) са често срещани материали за това приложение; те обаче имат ограничения, като например неподходящи за приложението механични свойства и недостиг на материали.

Полимерите са изследвани тук като алтернатива на металните нагревателни устройства поради тяхното ниско тегло, гъвкавост и икономическа жизнеспособност. Чистите полимери обаче обикновено имат ниска топлопроводимост и стабилност. Затова това изследване се фокусира върху композити на полимерна основа, състоящи се от съполимери на поли(стирен-изопрен-стирен) (SIS) и хидрогениран поли(стирен-етилен-пропилен-стирен) (SEPS), смесени с различни количества сажди (CB). Ролята на наличието на олефинови връзки и натоварването със СВ за определяне на термичните свойства бяха подробно изследвани.

По време на изследването изследователят синтезира и охарактеризира три вида SIS/SEPS съполимери и техните композити със сажди (CB). Свойствата на термичната стабилност са оценени с помощта на термогравиметричен анализ (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) както в инертна, така и в окислителна среда. Електротермичните характеристики бяха оценени чрез измерване на топло- и електропроводимостта и равномерността на разпределение на топлината. Съпротивлението, съпротивлението на листа и проводимостта на композитните тънки филми бяха измерени с помощта на четириточкова сонда KSR-4. Топлопроводимостта е измерена с помощта на анализатор на лазерни светкавициNETZSCH . Специфичната топлина и температурата на встъкляване са измерени с помощта на NETZSCH DSC Phoenix^®. По-долу е показана схема, показваща подхода към охарактеризирането.

DSC е използвана за изследване на влиянието на въвеждането на CB върху стъкловидните преходи в кополимерните системи. Наблюдаваните незначителни промени показват, че структурата на СВ в композитите не възпрепятства мобилността на полимерните вериги, дори при повишени концентрации на СВ, в рамките на тестваните композиции, което е от голяма полза за приложенията, включващи нагреватели на композитни филми. Основно ограничение на гъвкавите електротермични нагреватели е тяхната стабилност при високи температури или напрежение или при продължителна употреба. В опит да се разбере стареенето и деградацията на полимерните композити, която настъпва при електрическа повреда на устройствата, композитните нагреватели 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB и SEPS-28CB бяха умишлено подложени на свръхнапрежение (30 V), докато потокът на ток спре. Температурата на стъкловиден преход(_Tg) на всеки електрически отказал композитен филм беше определена с помощта на DSC анализ. Важно е да се отбележи, че _Tgна олефиновите блокове остава непроменена, което потвърждава, че по-голямата част от съполимерната матрица не се е разрушила по време на повредата.

Измерване на топлопроводимостта с помощта на NETZSCH LFA 467

Топлопроводимостта играе съществена роля в нагревателите на композитни филми, тъй като определя способността на материала да разпределя топлина. Проведени са експерименти с композитни филми за измерване на тяхната топлодифузия с помощта на лазерна светкавицаNETZSCH LFA 467, а специфичният топлинен капацитет е измерен на NETZSCH Phoenix^® DSC с цел изчисляване на стойностите на топлопроводимостта при различни натоварвания на СВ.

Проучването установи, че увеличаването на натоварването със CB от 16 тегловни % до 28 тегловни % води до значително повишаване на топлопроводимостта за всички изследвани съполимери. Подобрената топлопроводимост се дължи на способността на CB да създава пътища за топлопроводимост чрез ориентация и подреждане в матрицата. Връзката между топлопроводимостта и натоварването с пълнител е нелинейна, като показва бързо нарастване с формирането на по-съвършена мрежа от пълнители. Максимална топлопроводимост се наблюдава около 50-75 °C, с леко понижение до 150 °C, което се дължи на преминаването на полистирена в гумено състояние след стъклопрехода. Присъщата олефинова структура на съполимерните композити SIS допринася за по-високата им топлопроводимост в сравнение с композитите SEPS.

Бяха изработени прототипи на нагревателни устройства, за да се оценят електрическите и нагревателните характеристики на материалите. Включването на CB повишава електропроводимостта на всички съполимерни материали. Дори когато са подложени на еквивалентно натоварване с въглерод, следва да се отбележи, че 1,4-СИС и 3,4-СИС показват по-голяма електрическа и топлинна проводимост в сравнение със SEPS. Следователно става ясно, че както електрическата, така и топлинната проводимост на композита е пряко свързана с наличието на олефинови структури в съполимерите на SIS и концентрацията на CB.

Това изследване ясно показа, че за да се постигне максимална ефективност на електротермичните нагреватели, трябва да се оптимизират структурата и свойствата на полимера, заедно с натоварването и свойствата на електроактивния компонент на пълнителя. Когато се вземат предвид всички значими фактори, свързани с ефективността на устройството, става ясно, че композитът 3,4-SIS-28CB показва изключителна топлодифузия, електропроводимост и ефективност на електротермичното нагряване в сравнение с композитите 1,4-SIS-28CB и SEPS-28CB.

Изследването показа, че включването на CB в полимерната матрица подобрява електротермичните свойства, без да оказва съществено влияние върху присъщата структура на девствения съполимер; то обаче оказва неблагоприятно въздействие върху термоокислителната стабилност на композитите при високи работни температури (<200 °C). Изследването потвърждава, че олефиновата структура в SIS съполимерите играе решаваща роля за подобряване на електротермичните характеристики на композитните нагреватели. Композитът 3,4-SIS-28CB се откроява като ефективен материал за гъвкави и леки електротермични нагреватели, подходящи за приложения в електрически превозни средства и не само.

Случай 2: Разкриване на ефектите на вермикулита върху изпечени глинени тухли с помощта на съвременни инструменти

_{Wang, Sen; Gainey, Lloyd; Marinelli, Julius; Deer, Brianna; Wang, Tony; Mackinnon, Ian; & Xi, Yunfei (2022); Effects of vermiculite on in-situ thermal behaviour, microstructure, physical and mechanical properties of fired clay bricks. Construction and Building Materials, 316, Article number: 125828.}

Глинените тухли са основна част от строителната индустрия. Експлоатационните характеристики на тези тухли се влияят в голяма степен от техния състав и в това изследване изследователите насочват вниманието си към един по-малко изследван компонент - естествения вермикулит.

Вермикулитът, който е набъбваща глина, може да се разшири до 30 пъти от първоначалния си размер при нагряване. Въпреки че разширената форма на вермикулита е добре проучена, естественият вермикулит често се пренебрегва като добавка към тухлите поради схващането, че разширяването му при нагряване намалява здравината на тухлите. Но дали това схващане е точно?

За да отговорят на този въпрос, нашите изследователи започнаха подробно проучване на смеси от вермикулит и глина, като вермикулитът съставлява до 30 тегловни процента от сместа. Те използваха набор от усъвършенствани техники за термичен анализ и допълващи техники, включително термогравиметричен анализ (TGA), дилатометрия, рентгенова дифракция (XRD) и лазерен флаш анализ (LFA), за да интерпретират термичното поведение в реално време и да изследват микроструктурата, физичните и компресионните характеристики на изпечените глинени тухли.

Проучванията на TGA и дилатометрията (DIL ) бяха от съществено значение за разбирането на термичното поведение на тухлите на място, докато неамбиентната XRD хвърли светлина върху промените в минералогията с температурата. От друга страна, LFA беше използвана, за да се определи дали добавянето на вермикулит е повлияло на термичната дифузия на тухлите.

Изводите, направени от проучването, подчертават няколко важни констатации относно ефектите от влагането на вермикулит в тухли от изпечена глина.

Минералогия: За изясняване на минералогията на тези продукти е използвана неамбициозна XRD. Минералогията на глините е сложна. В пробата без вермикулит първоначално се наблюдава дехидроксилиране на каолинит и илит/слюда. Кварцът претърпява фазов преход от α- към β-фаза, съпроводен с потенциално развитие на микропукнатини, което налага контролирани скорости на нагряване при промишленото производство на тухли. Наблюдава се разлагане на калцит във вар.

Освен това се изяснява еволюцията на други фази, включително членове на фелдшпатовото семейство, свързани с високи температури фази като мулит и кристобалит, както и появата на микроелементи като анатаз. Добавянето на вермикулит в глинената смес въвежда нови фази и променя минералогичния състав, като влияе върху поведението на дехидратация на вермикулита и началната температура на дехидроксилиране на каолинита. Освен това се наблюдава образуване на свързани с Mg силикати/алуминосиликати и други фази, повлияни от наличието на вермикулит и свързаните с него минерални взаимодействия. Като цяло, минералогичните трансформации дават представа за сложното термично поведение на глинените тухли и влиянието на добавянето на вермикулит върху техните свойства.

Фигурата по-долу показва еволюцията на минералогията при нагряване на пробата в глината с и без добавяне на вермикулит.

Топлинно поведение: Между 25 и 1150 °C се определят пет различни стъпки на загуба на тегло и шест стъпки на дилатометрично свиване.

XRD на място в неамбициозна среда на глинената смес без вермикулит и пробата с 30% вермикулит показва ефекта от добавянето на вермикулит върху минералогията. Основните фазови преходи и връзката им с данните за загубата на маса са обобщени по-долу.

Добавянето на V не само води до значително разширяване между 450 и 750 °C, но и до свиване след 950 °C поради промененото съдържание и вид на глинестите минерали.

Данните от дилатометрията показват, че с увеличаване на съдържанието на вермикулит се наблюдават по-големи промени в размерите. Бързото разширение, наблюдавано при по-високо съдържание на вермикулит в зона "4″, се дължи на силна ексфолиация на интерстратифицирания вермикулит-биотит (vrm-bt), съчетана с леко обемно увеличение на вермикулита.

Основните фазови преходи, изяснени чрез XRD в неамбициозни условия, и връзката им с данните за промяна на размерите са обобщени по-долу.

Механични и изолационни свойства: Свиването при сушене, свиването при изпичане и плътността се повишават значително с добавянето на вермикулит. Якостта на натиск се увеличава до 5 % с добавянето на вермикулит, след което спада.

В пробата с 30 % вермикулит се появяват пукнатини между 450 и 750 °С поради ексфолирането на vrm-bt и вермикулита. Въпреки стъкмяването и свиването над тази температура, пукнатините не изчезват напълно дори след изпичане при 1150°C.

Топлинната дифузия на образеца остава непроменена при добавяне на 5 % вермикулит и се увеличава над тази стойност, което предполага, че изолационните свойства се запазват до 5 % вермикулит. Механичните и изолационните свойства са обобщени по-долу.

Въз основа на топлинните характеристики и механичните свойства 5 тегловни процента суров, необработен вермикулит се счита за оптимално съотношение за добавяне към глинена смес за производство на тухли.

В обобщение, проучването подчертава значителните ползи от влагането на вермикулит в тухли от изпечена глина, включително подобрено топлинно поведение, подобрени механични свойства и потенциални предимства за устойчивост. Тези констатации подчертават важността на проучването на нови материали и техники за справяне с предизвикателствата, пред които е изправена строителната индустрия при създаването на енергийно ефективни и трайни сгради.

"Винаги сме оценявали доброто обслужване"

Когато започнах работа в QUT през 2015 г., вече разполагахме с оборудване NETZSCH (STA 449 F3 и дилатометър). Оттогава инсталирахме втори STA (2015 г.), лазерна светкавица (2015 г.), измервател на топлинния поток (2016 г.) и нискотемпературен DSC (Phoenix^®, 2018 г.). STA бяха модернизирани през 2018 г., за да се включат автосемплери и на двата инструмента, и отново през 2020 г., за да се включат FTIR и GCMS за анализ на еволюирали газове.

Винаги сме имали отличен отговор на обслужването на клиентите от NETZSCH и тяхната поддръжка на приложенията е била изключителна. Имаме минимален престой поради проблеми с инструментите. След като докладваме за проблем, екипът на NETZSCH Австралия предприема незабавни действия, за да започне отстраняването му. Екипът е изключително отзивчив и компетентен.

Местният екип в Сидни може да отговори на повечето въпроси, свързани с приложенията, и има достъп до екипа в Селб (Германия) за всички заявки за приложения, които не е успял да реши. Успяхме да работим с NETZSCH, за да решим всеки проблем с приложенията, с който някога сме се сблъсквали. За уточнение, в момента имаме 188 обучени потребители. За целия период на експлоатация на инструментите броят на потребителите, които сме обучили до степен на компетентност, би бил повече от 500. Учениците от ЦРЧР идват, след това завършват обучението си и си тръгват на други работни места, надяваме се с добри умения!"

Лиз, благодаря ви много за задълбочения поглед върху тези интересни казуси! Очакваме с нетърпение да продължим да подкрепяме вашите изследвания и в бъдеще!