Εισαγωγή
Τα πολυαμίδια είναι ημικρυσταλλικά πολυμερή που χαρακτηρίζονται από καλή μηχανική αντοχή- αυτό τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται για διάφορες τεχνικές εφαρμογές, όπως η προστασία καλωδίων στην αυτοκινητοβιομηχανία και τη ρομποτική. Η σκόνη πολυαμιδίου είναι επίσης ένα δημοφιλές υλικό για την SLS (Selective Laser Sintering), μια μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης που επιτρέπει τη δημιουργία αντικειμένων οποιουδήποτε σχήματος.
Ωστόσο, τα πολυαμίδια είναι επίσης πολύ ευαίσθητα στο νερό. Οι μοριακές αλυσίδες των πολυαμιδίων περιέχουν πολικές αμιδικές ομάδες που προσελκύουν πολικά υγρά, όπως το νερό, με αποτέλεσμα το πολυμερές αυτό να απορροφά την υγρασία που υπάρχει στο περιβάλλον. Τα μόρια νερού αυξάνουν τον ελεύθερο όγκο στα διάκενα των πολυαμιδικών αλυσίδων, με αποτέλεσμα τη διόγκωση του πολυμερούς και την ευκολότερη ολίσθηση των μοριακών αλυσίδων σε μηχανική φόρτιση. Αυτό οδηγεί σε μείωση της υαλώδους μετάβασης και ονομάζεται φαινόμενο πλαστικοποίησης που προκαλείται από το νερό. [1, 2, 3]
Κατά συνέπεια, η πρόσληψη νερού επηρεάζει δραστικά τις μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των πολυαμιδίων. Συγκεκριμένα, η αύξηση της περιεκτικότητας σε νερό οδηγεί σε μείωση της δυσκαμψίας και της αντοχής, ενώ η ανθεκτικότητα αυξάνεται. [3, 4, 5]
Η DSC διερευνά την επίδραση της υγρασίας στο γυαλίΜετάβασης του πολυαμιδίου
Στη συνέχεια, διερευνάται η επίδραση της υγρασίας στην υαλώδη μετάβαση του πολυαμιδίου 6 (PA6). Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις DSC σε δείγματα που περιείχαν διαφορετικά επίπεδα περιεκτικότητας σε νερό μεταξύ 0% και 4,9%.
Στον πίνακα 1 συνοψίζονται οι συνθήκες μέτρησης. Η υαλώδης μετάβαση του PA6 επικαλύπτεται συνήθως με την ενδοθερμική κορυφή που οφείλεται στην εξάτμιση του νερού. Αυτό προδιαθέτει για την εκτέλεση μετρήσεων DSC με διαμορφωμένη θερμοκρασία που διαχωρίζουν τα αντιστρεπτά (π.χ. υαλώδης μετάβαση) από τα μη αντιστρεπτά φαινόμενα (π.χ. εξάτμιση πτητικών ουσιών, σκλήρυνση) [6].
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Συσκευή | DSC 300 Caliris®, H-Module | |||
| Δείγμα | Αποξηραμένο (0 % υγρασία) | 1.2-% υγρασία | 3.3-% υγρασία | 4.9 % υγρασία |
| Μάζα δείγματος | 9.92 mg | 10.04 mg | 10.26 mg | 10.44 mg |
| Χωνευτήρι | Concavus® (αλουμινίου) με διάτρητο καπάκι | |||
| Εύρος θερµοκρασίας | -60°C έως 240°C | |||
| Ρυθμός θέρμανσης | 5 K/min | |||
| Περίοδος | 60 s | |||
| Πλάτος | 0.8 K | |||
Θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του PA6
Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται η συνολική ροή θερμότητας του δείγματος με υγρασία 1,2%, η οποία αντιστοιχεί σε μια συμβατική καμπύλη DSC χωρίς διαμόρφωση. Το ενδοθερμικό βήμα στους 38,8°C (μέσο σημείο) υποδηλώνει τη υαλώδη μετάβαση του πολυαμιδίου 6. Ωστόσο, η αξιολόγηση αυτή δεν είναι ακριβής διότι η υαλώδης μετάβαση επικαλύπτεται από μια ενδοθερμική κορυφή, πιθανότατα λόγω της αρχικής απελευθέρωσης νερού που περιέχεται στο δείγμα και από φαινόμενα χαλάρωσης. Πριν από την τήξη στους 224,2°C (θερμοκρασία κορυφής), το άμορφο τμήμα του PA6 κρυσταλλώνεται εν μέρει, γεγονός που εξηγεί την εξώθερμη κορυφή στους 193,3°C (θερμοκρασία κορυφής) στην καμπύλη DSC.
Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται η συνολική ροή θερμότητας μαζί με το ακατέργαστο σήμα DSC που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της μέτρησης με διαμορφωμένη θερμοκρασία. Η συνολική ροή θερμότητας (συνεχής γραμμή) ισοδυναμεί με μια τυπική μέτρηση DSC, όπως περιγράφεται ανωτέρω. Το ακατέργαστο σήμα (διακεκομμένη γραμμή) δείχνει πώς ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα το υλικό στη διαμόρφωση της θερμοκρασίας.
Στο σχήμα 3, η συνολική ροή θερμότητας διαχωρίζεται σε ένα αντιστρεπτό και ένα μη αντιστρεπτό μέρος. Αυτό επιτρέπει το διαχωρισμό της υαλώδους μετάβασης και της κορυφής εξάτμισης. Η υαλώδης μετάβαση ανιχνεύεται στο αντιστρεπτό τμήμα του σήματος DSC και το φαινόμενο της εξάτμισης στο μη αντιστρεπτό τμήμα.
Στη συνέχεια, εκτιμάται με ακρίβεια η υαλώδης μετάβαση (μέσο σημείο στους 40,4°C). Το μη αντιστρεπτό σήμα, ωστόσο, αναδεικνύει ότι η ενδοθερμική κορυφή είναι πολύ ευρύτερη από ό,τι είχε αρχικά υποτεθεί. Αυτό το φαινόμενο λόγω χαλάρωσης και εξάτμισης σχετίζεται με ενθαλπία 21,2 J/g.
Επίδραση της υγρασίας στη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του PA6
Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται το σήμα αντιστροφής των διαφόρων δειγμάτων. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε υγρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης. Υπάρχει διαφορά άνω των 70°C μεταξύ της υαλώδους μετάβασης του ξηρού δείγματος και του PA6 που περιέχει 4,9% νερό.
Συμπέρασμα
Λόγω της υγροσκοπικής τους φύσης, τα πολυαμίδια απορροφούν υγρασία από το περιβάλλον τους. Αυτό, με τη σειρά του, επηρεάζει τις ιδιότητες και συνεπώς την επεξεργασία του υλικού. Ακόμη και μια ποσότητα νερού στο PA6 ( small ) θα μειώσει δραστικά τη υαλώδη μετάπτωσή του. Για το λόγο αυτό, η περιεκτικότητα του δείγματος σε υγρασία είναι μια βασική παράμετρος που πρέπει να ελέγχεται και να ελέγχεται.
Ένας αξιόπιστος και γρήγορος τρόπος για να προχωρήσετε είναι η εκτέλεση μετρήσεων DSC με διαμορφωμένη θερμοκρασία με το DSC 300 Caliris®.