NETZSCH Přístroje pro řešení termoelektrických a stavebních aplikací

Úvod

"Ahoj! Jmenuji se Elizabeth Graham (na obrázku vlevo) a jsem koordinátorkou laboratoře fyzikálních a mechanických vlastností v Centrálním analytickém výzkumném zařízení (CARF) na Queenslandské technologické univerzitě (QUT). CARF je skupina přibližně 50 odborných a akademických pracovníků spravujících portfolio přístrojů, které slouží mnoha potřebám vědeckého výzkumu na QUT. Já a můj kolega Jun Zhang (na obrázku vpravo) poskytujeme školení a podporu v oblasti termické analýzy výzkumné komunitě QUT a také testovací a konzultační služby australským výzkumným a komerčním organizacím.

Sídlíme v centru města Brisbane v Queenslandu, v sousedství botanické zahrady, v moderním účelovém vědeckém a technickém zařízení s více než 600 interními klienty. Naším posláním je poskytovat provozní školení studentům QUT HDR a dalším výzkumným pracovníkům QUT tak, aby absolvovali studium s praktickým výcvikem na zařízení spolu s potřebnými znalostmi pro získání nejlepších výsledků z analýzy dat. V současné době máme 188 vyškolených uživatelů QUT v celé sadě přístrojů NETZSCH.

Případ 1: Makromolekulární design kopolymerů poly(styren-izopren-styren) (SIS) určuje jejich výkon v pružných elektrotermických kompozitních ohřívačích

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal a Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesČlánek ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Viz publikace na acsami.org: ACS Publications}

Tato studie se zaměřuje na zlepšení stability a výkonu flexibilních kompozitních elektrotermických ohřívačů pro elektrická vozidla. Tyto ohřívače se používají v aplikacích, jako jsou automobily, chytrá okna, odmrazovače, displeje, termoterapeutické podložky a senzory. Jsou nezbytné pro udržení účinnosti vozidel v chladném počasí, kdy vytápění kabiny v chladném počasí významně ovlivňuje dojezd vozidla. Kovové slitiny a průhledné vodivé oxidy (TCO) jsou běžnými materiály pro tuto aplikaci; mají však omezení, jako jsou nevhodné mechanické vlastnosti pro danou aplikaci a nedostatek materiálu.

Polymery zde byly zkoumány jako alternativa ke kovovým topným zařízením díky své nízké hmotnosti, flexibilitě a ekonomické výhodnosti. Čisté polymery však mají obvykle nízkou tepelnou vodivost a stabilitu. Tento výzkum se proto zaměřuje na kompozity na bázi polymerů složené z kopolymerů poly(styren-izopren-styren) (SIS) a hydrogenovaného poly(styren-ethylen-propylen-styren) (SEPS) smíšených s různým množstvím sazí (CB). Podrobně byla zkoumána role, kterou při určování tepelných vlastností hraje přítomnost olefinických vazeb a zatížení CB.

Během studie výzkumník syntetizoval a charakterizoval tři typy kopolymerů SIS/SEPS a jejich kompozity se sazemi (CB). Vlastnosti tepelné stability byly hodnoceny pomocí termogravimetrické analýzy (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) v inertním i oxidačním prostředí. Elektrotermické vlastnosti byly hodnoceny měřením tepelné a elektrické vodivosti a rovnoměrnosti rozložení tepla. Odpor, plošný odpor a vodivost kompozitních tenkých vrstev byly měřeny pomocí čtyřbodového sondového systému KSR-4. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost byla měřena pomocí laserového zábleskového analyzátoruNETZSCH . Měrné teplo a teploty skelného přechodu byly měřeny pomocí NETZSCH DSC Phoenix^®. Schéma znázorňující postup charakterizace je uvedeno níže.

Ke studiu vlivu zavedení CB na skelné přechody v kopolymerních systémech byla použitaDSC. Zjištěné nepatrné změny naznačují, že struktura CB v kompozitech nebrání pohyblivosti polymerních řetězců ani při zvýšené koncentraci CB v testovaných kompozitech, což je velmi výhodné pro aplikace zahrnující ohřevy kompozitních filmů. Klíčovým omezením flexibilních elektrotermických ohřívačů je jejich stabilita při vysokých teplotách nebo napětí nebo při dlouhodobém používání. Ve snaze pochopit stárnutí a degradaci polymerních kompozitů, ke které dochází při elektrickém selhání zařízení, byly kompozitní ohřívače 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB a SEPS-28CB záměrně vystaveny přepětí (30 V), dokud nepřestal téct proud. Teplota skelného přechodu(_Tg) každé elektricky selhané kompozitní fólie byla stanovena pomocí DSC analýzy. Důležité bylo zjištění, že _Tg olefinických bloků zůstala nezměněna, což potvrzuje, že většina kopolymerní matrice během poruchy nedegradovala.

Měření tepelné vodivosti pomocí přístroje NETZSCH LFA 467

Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost hraje u kompozitních fólií zásadní roli, protože řídí schopnost materiálu distribuovat teplo. Na kompozitních fóliích byly provedeny experimenty za účelem měření jejich tepelné difuzivity pomocí laserového bleskuNETZSCH LFA 467 a Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita byla měřena na NETZSCH Phoenix^® DSC s cílem vypočítat hodnoty tepelné vodivosti při různém zatížení CB.

Studie zjistila, že zvyšování zatížení CB od 16 % hmot. do 28 % hmot. vedlo k výraznému zvýšení tepelné vodivosti u všech studovaných kopolymerů. Zlepšení tepelné vodivosti bylo přisuzováno schopnosti CB vytvářet cesty tepelné vodivosti prostřednictvím orientace a uspořádání v matrici. Vztah mezi tepelnou vodivostí a zatížením plniva byl nelineární a vykazoval rychlý nárůst s tím, jak se vytvářela dokonalejší síť plniva. Maximální Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost byla pozorována kolem 50-75 °C, s mírným poklesem až do 150 °C v důsledku přechodu polystyrenu do gumovitého stavu po skelném přechodu. Vlastní olefinická struktura kopolymerních kompozitů SIS přispěla k jejich vyšší tepelné vodivosti ve srovnání s kompozity SEPS.

Byly vyrobeny prototypy topných zařízení, aby bylo možné posoudit elektrický a topný výkon materiálů. Přídavek CB zvýšil elektrickou vodivost všech kopolymerních materiálů. I při ekvivalentním zatížení uhlíkem je pozoruhodné, že 1,4-SIS a 3,4-SIS vykazují větší elektrickou a tepelnou vodivost ve srovnání se SEPS. Je tedy zřejmé, že elektrická i Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost kompozitu přímo souvisí s přítomností olefinických struktur v kopolymerech SIS a koncentrací CB.

Tato studie jasně prokázala, že pro maximalizaci účinnosti elektrotermických ohřívačů je třeba optimalizovat strukturu a vlastnosti polymeru spolu s obsahem a vlastnostmi elektroaktivní složky plniva. Při zvážení všech relevantních faktorů souvisejících s výkonem zařízení je zřejmé, že kompozit 3,4-SIS-28CB vykazuje ve srovnání s kompozity 1,4-SIS-28CB a SEPS-28CB výjimečnou tepelnou difuzivitu, elektrickou vodivost a výkon elektrotermického ohřevu.

Studie prokázala, že začlenění CB do polymerní matrice zlepšuje elektrotermické vlastnosti, aniž by mělo zásadní vliv na vlastní strukturu původního kopolymeru; má však nepříznivý vliv na termooxidační stabilitu kompozitů při vysokých provozních teplotách (< 200 °C). Studie potvrzuje, že olefinická struktura v kopolymerech SIS hraje zásadní roli při zvyšování elektrotermických vlastností kompozitních ohřívačů. Kompozit 3,4-SIS-28CB vyniká jako účinný materiál pro flexibilní a lehké elektrotermické ohřívače, vhodné pro aplikace v elektrických vozidlech i mimo ně.

Případ 2: Odhalení vlivu vermikulitu na pálené hliněné cihly pomocí pokročilých přístrojů

_{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, Číslo článku: 125828.}

Hliněné cihly jsou základem stavebnictví. Na vlastnosti těchto cihel má velký vliv jejich složení a v této studii výzkumníci obrátili svou pozornost na méně studovanou složku - přírodní vermikulit.

Vermikulit, bobtnavý jíl, se může při zahřátí zvětšit až na třicetinásobek své původní velikosti. Zatímco expandovaná forma vermikulitu je dobře prozkoumána, přírodní vermikulit je jako přísada do cihel často přehlížen kvůli názoru, že jeho rozpínání při zahřívání snižuje pevnost cihel. Je však tento názor správný?

Abychom na tuto otázku odpověděli, pustili se naši výzkumníci do podrobné studie směsí vermikulitu a jílu, přičemž vermikulit tvořil až 30 % hmot. směsi. K interpretaci tepelného chování v reálném čase a ke zkoumání mikrostrukturních, fyzikálních a kompresních charakteristik pálených hliněných cihel použili soubor pokročilých termických analýz a doplňkových technik, včetně termogravimetrické analýzy (TGA), dilatometrie, neambientní rentgenové difrakce (XRD) a laserové bleskové analýzy (LFA).

Studie TGA a dilatometrie (DIL ) byly užitečné pro pochopení tepelného chování cihel in-situ, zatímco neambientní XRD osvětlila změny mineralogie v závislosti na teplotě. LFA byla naopak použita ke zjištění, zda přídavek vermikulitu ovlivnil tepelnou difuzivitu cihel.

Závěry vyvozené ze studie zdůrazňují několik důležitých zjištění týkajících se účinků přidávání vermikulitu do pálených hliněných cihel.

Mineralogie: K poznání mineralogie těchto výrobků byla použita neekologická metoda XRD. Mineralogie jílů je složitá. Ve vzorku bez vermikulitu je zpočátku pozorována dehydroxylace kaolinitu a ilitu/slídy. U křemene dochází k fázovému přechodu z α- do β-fáze, který je doprovázen potenciálním vznikem mikrotrhlin, což vyžaduje řízenou rychlost zahřívání při průmyslové výrobě cihel. Je pozorován Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad kalcitu na vápno.

Dále je objasněn vývoj dalších fází, včetně členů rodiny živců, vysokoteplotních příbuzných fází, jako je mullit a cristobalit, a výskyt stopových minerálů, jako je anatas. Přídavek vermikulitu do směsi jílů zavádí nové fáze a mění mineralogické složení, ovlivňuje dehydratační chování vermikulitu a teplotu nástupu dehydroxylace kaolinitu. Kromě toho je pozorována tvorba křemičitanů/aluminosilikátů příbuzných Mg a dalších fází ovlivněných přítomností vermikulitu a souvisejícími minerálními interakcemi. Celkově lze říci, že mineralogické přeměny poskytují vhled do složitého tepelného chování jílových cihel a vlivu přídavku vermikulitu na jejich vlastnosti.

Následující obrázek ukazuje vývoj mineralogie při zahřívání vzorku v jílu s přídavkem vermikulitu a bez něj.

Tepelné chování: Mezi 25 a 1150 °C je definováno pět různých stupňů úbytku hmotnosti a šest dilatometrických/kontrakčních stupňů.

XRD in-situ bez prostředí na směsi jílu bez vermikulitu a vzorku s 30 % vermikulitu ukazuje vliv přídavku vermikulitu na mineralogii. Hlavní Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.fázové přechody a jejich vztah k údajům o hmotnostním úbytku jsou shrnuty níže.

Přídavek V přináší nejen výraznou expanzi mezi 450 a 750 °C, ale také smršťování po 950 °C, které se zhoršuje v důsledku změněného obsahu a druhu jílových minerálů.

Z dilatometrických údajů vyplývá, že s rostoucím obsahem vermikulitu dochází k větším rozměrovým změnám. Rychlé rozpínání pozorované při vyšším obsahu vermikulitu v oblasti "4″ je způsobeno silnou exfoliací interstratifikovaného vermikulit-biotitu (vrm-bt) v kombinaci s mírným objemovým nárůstem vermikulitu.

Níže jsou shrnuty hlavní Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.fázové přechody, jak byly objasněny pomocí neambientní XRD, a jejich vztah k údajům o rozměrových změnách.

Mechanické a izolační vlastnosti: smršťování při sušení, smršťování při výpalu a HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota se výrazně zvyšují s přídavkem vermikulitu. Pevnost v tlaku se s přídavkem vermikulitu zvyšuje až o 5 % a poté klesá.

Ve vzorku s 30 % vermikulitu se mezi 450 a 750 °C objevily trhliny způsobené exfoliací vrm-bt a vermikulitu. Navzdory vitrifikaci a smršťování nad touto teplotou trhliny zcela nezmizí ani po výpalu při 1150 °C.

Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita vzorku zůstává nezměněna při přídavku 5 % vermikulitu a nad touto hodnotou se zvyšuje, což naznačuje, že izolační vlastnosti jsou zachovány až do 5 % vermikulitu. Níže jsou shrnuty mechanické a izolační vlastnosti.

Na základě tepelných a mechanických vlastností se za optimální poměr pro přidání do jílové směsi pro výrobu cihel považuje 5 % hmot. surového, neupraveného vermikulitu.

Souhrnně studie zdůrazňuje významné výhody přidávání vermikulitu do pálených hliněných cihel, včetně lepšího tepelného chování, lepších mechanických vlastností a potenciálních výhod pro udržitelnost. Tato zjištění podtrhují význam zkoumání nových materiálů a technik pro řešení výzev, kterým čelí stavební průmysl při vytváření energeticky účinných a trvanlivých budov.

"Vždy jsme ocenili dobré služby"

Když jsem v roce 2015 nastoupil na QUT, měli jsme již k dispozici zařízení NETZSCH (STA 449 F3 a dilatometr). Od té doby jsme nainstalovali druhou STA (2015), laserový blesk (2015), měřič tepelného toku (2016) a nízkoteplotní DSC (Phoenix^®, 2018). V roce 2018 byly STA modernizovány tak, aby zahrnovaly autosamplery na obou přístrojích, a v roce 2020 opět tak, aby zahrnovaly FTIR a GCMS vyvinutou analýzu plynů.

Od NETZSCH jsme vždy měli vynikající odezvu zákaznického servisu a jejich aplikační podpora byla vynikající. Prostoje kvůli problémům s přístroji máme minimální. Jakmile nahlásíme problém, tým na NETZSCH Australia okamžitě podnikne kroky k zahájení nápravy. Tým je velmi pohotový a kompetentní.

Místní tým v Sydney dokáže zodpovědět většinu otázek týkajících se aplikací a má přístup k týmu v Selbu (Německo) v případě požadavků na aplikace, které se jim nepodařilo vyřešit. Ve spolupráci s NETZSCH jsme byli schopni vyřešit všechny problémy s aplikacemi, se kterými jsme se kdy setkali. Pro upřesnění, v současné době máme 188 vyškolených uživatelů. Za dobu životnosti přístrojů by počet uživatelů, které jsme vyškolili do způsobilosti, byl spíše 500. Přicházejí studenti HDR, kteří pak dokončí studium a odcházejí do jiných zaměstnání, doufejme, že s dobrými dovednostmi!"

Liz, moc děkuji za tvůj hluboký vhled do těchto zajímavých případových studií! Těšíme se na další podporu vašeho výzkumu v budoucnu!